Yttrium

Yttrium () on maametalleihin kuuluva metallimainen alkuaine. Se on jaksollisessa järjestelmässä 39. alkuaine. Sen tiheys huoneenlämmössä on 4,47×10³ kg/m³. Sen sulamispiste on 1 796 K, kemiallinen merkki Y ja atomipaino 88,91. Alkuaineen löysi suomalainen kemisti Johan Gadolin vuonna 1794. Yttrium on nimetty ruotsalaisen kylän Ytterbyn mukaan.

Yttriumia käytetään yleisesti lasereissa sekä suprajohteissa. Tämän lisäksi sitä voidaan käyttää muiden metallien vahvistamiseen sekä fosforin kanssa punaisen värin tuottamiseen televisioihin ja tietokonenäyttöihin.

Ominaisuudet
Metallinen yttrium on väriltään hopeanvalkoista, ja sen pinta on kirkas, kuten muillakin metalleilla. Siitä voidaan valmistaa myös tummanharmaata tai mustaa jauhetta. Sen kiderakenne on heksagoninen. Sen sulamispiste on 1 796 kelviniä ja kiehumispiste 3 610 kelviniä. Yttrium on kovaa, kestää kulutusta eikä ruostu. Se johtaa hyvin sähköä.

Yttrium on kemiallisilta ominaisuuksiltaan muiden maametallien kaltainen. Se esiintyy luonnossa ionina Y3+

Historia
Tarina yttriumin löytymisestä alkaa vuonna 1787 Ytterbyn kaivoksesta, joka sijaitsi Ruotsissa, Vaxholmin kunnan Resarön saaressa, ja josta hankittiin paikalliselle keramiikkateollisuudelle korkealaatuista raaka-ainetta. Harrastelijageologi luutnantti Carl Axel Arrhenius, Vaxholmin varuskunnasta, huomasi tutkiessaan mineraaleja kyseisessä kaivoksessa, että pegmatiitin lohkeamassa kvartsin ja maasälvän päällä oli jotain hiilenkaltaista mustaa, mutta raskasta ainetta. Hän ajatteli aineen sisältävän juuri löydettyä uutta alkuainetta volframia. Arrhenius kutsui mustaa mineraalia ytterbiitiksi Ytterbyn kaivoksen mukaan ja lähetti siitä näytteitä muutamille tutkijoille.

Tukholmalainen kaivostarkastaja Bengt Reinhold Geijer (1758–1815) suoritti Arrheniuksen ottamalle mineraalinäytteelle karkean analyysin. Hän totesi, että näyte sisältää rautaa ja arveli, että se saattaisi sisältää myös volframia. Kokenut kemisti Sven Rinman (1720–1792) ei myöskään pystynyt sen paremmin analysoimaan näytettä.

Arrhenius kuitenkin toimitti näytteen mineraalista Turun akatemian kemian professorille Johan Gadolinille, joka oli aikaisemmin työskennellyt kemian professorina Uppsalan yliopistossa. Gadolinin huolelliset tutkimukset osoittivat, että mineraalissa oli uusi, alumiini- ja kalsiumoksidia muistuttava maametallioksidi. Vuonna 1794 Gadolin totesikin, että näyte sisältää todennäköisemmin:

”31 osaa piioksidia, 19 osaa alumiinioksidia, 12 osaa rautaoksidia ja 38 osaa tuntematonta maametallioksidia.” -Johan Gadolin 1794

Ruotsalainen kemisti Anders Gustaf Ekeberg vahvisti Gadolinin tulokset tuntemattomasta maametallioksidista vuonna 1797. Ekeberg ehdotti uudelle maametallioksidille nimeä yttria, ja siten uusi metalli nimettiin yttriumiksi Ytterbyn kylän mukaan.

Gadolin suoritti tarkkoja kokeita yttrialle (yttriumoksidi) ja havaitsi, että sen sulamispiste on korkea ja booraksin kanssa se muodosti väritöntä lasia (nämä ovat harvinaisille maametalleille tyypillisiä ominaisuuksia).

Gadolin ja Ekeberg eivät huomanneet, että heidän ensimmäiset analyysinsa mineraalinäytteestä olivat virheellisiä. Aine, jota kumpikin piti alumiinioksidina, olikin itse asiassa berylliumoksidia. Berylliumin löysikin virallisesti ranskalainen kemisti Louis Nicolas Vauquelin vuonna 1798. Myöhemmin Ekeberg vahvisti, että heidän tutkimassaan näytteessä olikin alumiinioksidin tilalla berylliumoksidia.

Yttriumin löytö merkitsi kuitenkin alkusysäystä muiden harvinaisten maametallien etsimiselle, sillä vuonna 1843 C. G. Mosander huomasi, ettei Gadolinin löytö ollut puhdas aine vaan seos. Yttriumoksidin lisäksi näyte sisälsi harvinaisten maametallien oksideja. Mosander itse löysi terbiumin ja erbiumin. Myöhemmin todettiin, että myöskään Mosanderin löytämät aineet eivät olleet puhtaita, vaan niistä löytyi vielä kuutta muuta eri alkuainetta: ytterbium, skandium, tulium, holmium, dysprosium ja lutetium. Nämä metallit löydettiin erikseen myöhempinä vuosina.

Johan Gadolinia pidetään kuitenkin henkilönä, joka ensimmäisenä löysi yttrium-alkuaineen. Hän myös on ainoa suomalainen, joka on ensimmäisenä maailmassa löytänyt uuden alkuaineen.

Vuonna 1800 Martin Klaproth uudelleen nimesikin Arrheniuksen löytämän ja nimeämän ytterbiittimineraalin gadoliniitiksi Johan Gadolinin kunniaksi. Gadoliniitti on kemialliselta koostumukseltaan Y2FeBe2Si2O10 (yttrium-rauta-berylliumsilikaattimineraali). Vuonna 1880 sveitsiläinen kemisti Jean Charles Galissard de Marignac tutki gadoliniittimineraalia ja havaitsi spektroskopiatutkimuksissaan todisteita uudesta alkuaineesta, jota vuodesta 1886 eteenpäin kutsuttaisiin gadoliniumiksi (kem. lyhenne Gd).

Vuonna 1828 berliiniläinen kemisti Friedrich Wöhler onnistui erottamaan yttriummetallin raakamuodossa. Vuonna 1953 Frank Spedding Iowan Ames-laboratoriosta tuotti erittäin puhdasta yttriumia ioninvaihtotekniikalla.

Yttriumjauhe saattaa räjähtää hapen vaikutuksesta korkeissa lämpötiloissa. Laboratoriokokeissa on havaittu, että suuret annokset yttriumia ovat myrkyllisiä rotille.

Esiintyminen ja erotus
Yttriumia esiintyy lantanidien mineraaleissa. Sitä ei esiinny luonnossa lähes koskaan metallisena, ja tutkimuksessa käytetään valkoista yttriumoksidia (Y2O3 tai yttriumfluoridia (YF3). Yttriumia on kohtalaisen paljon maaperässä (yhtä paljon kuin kuparia tai sinkkiä). Keskimäärin yttriumia on maaperässä 33 ppm. Yttrium esiintyy muiden maametallien kanssa, tärkein mineraali on monatsiitti, jossa on keskimäärin 3 % yttriumia. Tätä löytyy monista paikoista maapallolta, muun muassa Brasiliasta, Yhdysvalloista, Australiasta ja Kanadasta. Suomessakin on vielä 1980-luvulle asti erotettu apatiitista yttriumia, mutta Kemira lopetti sen kannattamattomana. Muita hyvin tärkeitä yttriumia sisältäviä mineraaleja ovat ksenotiimi ja gadoliniitti. Sata grammaa puhdasta yttriumia maksaa noin 150 euroa.Ian McGill: Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2002 Teoksen verkkoversio Viitattu 17.6.2011

Yttriumin erotus muista kemiallisilta ominaisuuksiltaan samankaltaisista harvinaisista maametalleista on vaikeaa. 1950-luvulle asti menetelmänä käytettiin ioninvaihtoa, joka perustui kelatoiviin yhdisteisiin kuten EDTA:han ja DCTA:han. Tämän menetelmän on sittemmin korvannut liuotinuutto tai prosessi, jossa yttrium muodostaa selektiivisesti kompleksin di-2-(etyyliheksyyli)fosforihapon kanssa.

Käyttö
Yttriumin ja fosforin yhdisteillä tuotetaan väritelevision sekä tietokonenäyttöjen punainen väri. Sitä käytetään myös ydintekniikassa. Yttriumin isotooppia 90Y on tutkittu syövän hoidossa. Yttriumia on käytetty useasti myös loistelampuissa. Koska yttrium kestää kulutusta ja ei ruostu, sitä käytetään katkaisupihdeissä, tiivisteissä, laakereissa. Sitä voidaan käyttää myös vahvistamaan alumiinia tai magnesiumia metalliseoksissa, joissa se parantaa lämmön- ja värähtelynkestoa sekä sähkönjohtavuutta. Sitä voidaan myös käyttää muun muassa vanadiinin kanssa, jolloin vanadiinin myrkyllisyys häviää. Yttriumia käytetään myös eteenin valmistamisessa katalyyttinä.

Yttriumin yhdisteistä yttrium-barium-kuparioksidi (YBa2Cu3O7) tunnetaan korkean lämpötilan suprajohteena, sillä se muuttuu suprajohtavaksi jo 90 kelvinin lämpötilassa, joka on saatavissa aikaan nestetypen avulla. Suprajohteita käytetään voimakkaissa magneeteissa muun muassa sairaaloiden kuvauslaitteissa. Yttriumia voidaan käyttää myös lasereissa, jolloin se on yhdisteenä granaatin ja alumiinin kanssa. Yttriumia käytetään raudan (Y3Fe5O12) kanssa mikroaalloilta suojautumiseen. Yttriumia käytetään myös muun muassa optisissa kuiduissa ja polttokennoissa.

Isotoopit
Yttriumin ainoa stabiili isotooppi on 89Y. Tunnettuja massalukuja on 79Y:stä 103Y:hyn asti.

 Isotooppi  Puoliintumisaika  Hajoamistyyppi 79Y  14,8 s  EC, β+ 80Y  35 s  EC, β+ 81Y  70,4 s  EC, β+ 82Y  9,5 s  EC, β+ 83Y  7,08 min  EC, β+ 83mY  2,85 min  EC, β+, IT (40,5 %) 84Y  4,6 s  EC, β+ 84mY  39,5 min  EC, β+ 85Y  2,68 h  EC, β+ 85mY  4,86 h  EC, β+, IT (< 1%) 86Y  14,74 h  EC, β+ 86mY  48 min  IT (99,31 %), EC, β+ 87Y  79,8 h  EC, β+ 87mY  13,37 h  IT (98,43 %), EC, β+ 88Y  106,65 d  EC, β+ 88mY  13,9 ms  IT 89Y  Stabiili  89mY  16,06 s  IT 90Y  64,0 h  β- 90mY  3,19 h  IT, β- (< 0,01%)

 Isotooppi  Puoliintumisaika  Hajoamistyyppi 91Y  58,51 d  β- 91mY  49,71 min  IT, β- (< 1,5 %) 92Y  3,54  β- 93Y  10,18 h  β- 93mY  0,82 s  IT 94Y  18,7 min  β- 95Y  10,3 min  β- 96Y  5,34 s  β- 96mY  9,6 s  β- 97Y  3,75 s  β- 97m1Y  1,17 s  β-, IT (< 0,7 %) 97m2Y  142 ms  IT, β- (< 20 %) 98Y  0,548 s  β- 98mY  2,0 s  β- (90 %), IT 99Y  1,470 s  β- 100Y  735 ms  β- 100mY  0,94 s  β- 101Y  0,45 s  β- 102Y  0,36 s  β- 102mY  0,30 s  β- 103Y  0,23 s  β-
Lähde:

EC = Elektronisieppaus 
α = Alfahajoaminen 
β+ = Beeta-plus-hajoaminen 
β- = Beeta-miinus-hajoaminen 
IT = Isomeerinen transitio 
m = Välitila tai virittynyt atomi

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 

 Periodictable: Technical data for Yttrium 
 Mindat: Definition of yttrium 
 Webmineral: Mineral Species containing Yttrium (Y) 
 The Royal Society of Chemistry (RSC): Yttrium 
 PeriodicTable: Yttrium (Y) 
 PubChem: Yttrium 
 Human Metabolome Database (HMDB): Yttrium 
 Food Component Database (FooDB): Yttrium 
 Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Yttrium 

Luokka:54 Kemia
Luokka:Alkuaineet
Luokka:Metallit
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit