元素39

**釔**（拼音：yǐ，注音：丨ˇ；英語：**Yttrium**），是一種化學元素，其化學符號為 **Y**，原子序數為 39，原子量為 88.90584 u。釔是銀白色的過渡金屬，化學性質與鑭系元素相近，且常歸為稀土金屬。釔在自然中並不單獨出現，而是和鑭系元素結合出現在稀土礦中。89Y 是釔的唯一一種穩定同位素和自然同位素。

1787 年，卡爾・阿克塞爾・阿列紐斯在瑞典伊特比附近發現了一種新的礦石，即矽鈹釔礦，並根據發現地村落的名稱將它命名為「Ytterbite」。約翰・加多林在 1789 年於阿列紐斯的礦物樣本中，發現了氧化釔。安德斯・古斯塔夫・埃克貝格把這一氧化物命名為「Yttria」。弗里德里希・維勒在 1828 年首次分離出釔的單質。

釔的最大用途在於磷光體的生產，特別是紅色 LED 和電視機陰極射線管（CRT）顯示屏的紅色磷光體。釔元素也被用於電極、電解質、電子濾波器、雷射器和超導體中，也有多項醫學和材料科學上的應用。釔沒有已知的生物用途，人類接觸釔元素可導致肺病。

## 性質

釔是一種質軟、帶光澤的銀白色金屬晶體，在元素週期表中屬於 3 族。根據週期表的趨勢，它的電負度比前面的元素、鈧和 4 族中的下一個元素鋯都要低。由於鑭系收縮現象，釔的電負度和鎦相近。釔也是第五週期中的首個 d 區塊元素。

成塊的純釔在空氣中會在表面形成保護性氧化層（Y 
2O 
3），這種「鈍化」過程使它相對穩定。在水汽中加熱至 750 °C 時，保護層的厚度可達 10 微米。不過釔粉末在空氣中很不穩定，其金屬屑在 400 °C 以上的空氣中即可燃燒。釔金屬在氮氣中加熱至 1000 °C 後會形成氮化釔（YN）。

　
: 4 Y + 3 O2 → 2 Y2O3

　
: 2 Y + N2 → 2 YN

### 與鑭系元素的相似性

釔元素的性質和鑭系元素十分相似，所以在歷史上曾一同被歸為稀土元素。自然中的釔一定與鑭系元素共同出現在稀土礦中。

在化學屬性上，鑭系元素比釔旁邊的鈧更接近釔。如果以物理屬性對原子序作圖，根據趨勢，釔的原子序像是在 64.5 和 67.5 之間，即位於鑭系元素釓和鉺之間。

釔的反應級數也一般在這個區間之內，化學反應活性也與鋱和鏑相近。它的大小與屬於「釔族」的重鑭系元素幾乎相同，所以它們的離子在溶液中的屬性十分接近。雖然所有鑭系元素在元素週期表中都位於釔以下的一行，但釔在多方面都卻與其極為相似，這是由於鑭系收縮現象。

釔和鑭系元素間最大的差異在於，釔幾乎只會形成三價化合物或離子，但大約半數鑭系元素都可以形成三價以外的價態。

### 化合物及反應

釔可以形成各種無機化合物，氧化態一般為 + 3，其中釔原子失去其 3 顆價電子。例如白色、固態的氧化釔 (III)（Y 
2O 
3）就是一種六配位的三價釔化合物。

釔可以形成不溶於水的氟化物、氫氧化物和草酸鹽，以及可溶於水的溴化物、氯化物、碘化物、硝酸鹽和硫酸鹽。Y3+ 離子在溶液中無色，因為它的 d 和 f 電子殼層中缺乏電子。

釔及其化合物會和水產生反應，形成 Y 
2O 
3。濃硝酸和氫氟酸不會對釔產生快速侵蝕，但其他的強酸則可以快速侵蝕釔，產生釔鹽。

在 200 °C 以上溫度，釔可以和各種鹵素形成三鹵化物，如三氟化釔（YF 
3）、三氯化釔（YCl 
3）和三溴化釔（YBr 
3）。碳、磷、硒、矽和硫在高溫下也都可以和釔形成二元化合物。

釔的有機化合物中都含有碳﹣釔鍵，其中一些化合物中的釔呈 0 氧化態。（科學家在氯化釔熔體中曾觀測到 + 2 態，以及在釔氧原子簇中觀測到 + 1 態。）有機釔化合物可以催化某些三聚反應。這些化合物的合成過程都從 YCl 
3 開始，而 YCl 
3 則是經 Y 
2O 
3 與濃鹽酸和氯化銨進行反應所得。

哈普托數指中心原子對於周邊配位體原子的配位數，符號為 η。科學家首次在釔錯合物中發現碳硼烷配位體能以 η7 哈普托數與 d0 金屬中心原子進行配位。石墨層間化合物石墨 - Y 和石墨 -Y 
2O 
3 在氣化後會產生內嵌富勒烯，例如 Y@C82。電子自旋共振研究顯示，這種富勒烯是由 Y3+ 和 (C82)3−離子對所組成的。Y3C、Y2C 和 YC2 等碳化物在水解後會形成烴。

### 核合成及同位素

太陽系中的釔元素是在恆星核合成過程中產生的，大部份經 S - 過程（約 72%），其餘的經 R - 過程（約 28%）。在 R - 過程中，輕元素在超新星爆炸中進行快中子捕獲；而在 S - 過程中，輕元素在紅巨星脈動時，在星體內部進行慢中子捕獲。

在核爆炸和核反應爐中，釔同位素是鈾裂變過程中的一大產物。在核廢料的處理上，最重要的釔同位素為 91Y 和 90Y，半衰期分別為 58.51 天和 64 小時。雖然 90Y 的半衰期短，但它與其母同位素鍶 - 90（90Sr）處於長期平衡狀態（即產生率接近衰變率），實際半衰期為 29 年。

所有 3 族元素的原子序都是奇數，所以穩定同位素很少。釔只有一種穩定同位素 89Y，這也是它唯一一種自然同位素。在 S - 過程當中，經其他途徑產生的同位素有足夠時間進行 β 衰變（中子轉換為質子，並釋放電子和反微中子）。中子數為 50、82 和 126 的原子核（原子量分別為 90、138 和 208）特別穩定，所以這種慢速過程使這些同位素能夠保持其較高的豐度。89Y 的質量數和中子數分別靠近 90 和 50，所以其豐度也較高。

釔的人工合成同位素已知至少有 32 種，原子質量數在 76 和 108 之間。其中最不穩定的同位素為 106Y，半衰期只有 > 150 奈秒（76Y 的半衰期為 > 200 奈秒）；最穩定的則為 88Y，半衰期為 106.626 天。91Y、87Y 和 90Y 的半衰期分別為 58.51 天、79.8 小時和 64 小時，而其餘所有人造同位素的半衰期都在一天以下，大部份甚至不到一小時。

質量數在 88 或以下的釔同位素的主要衰變途徑是正電子發射（質子→中子），形成鍶（原子序為 38）的同位素；質量數在 90 或以上的則進行電子發射（中子→質子），形成鋯（原子序為 40）的同位素。另外質量數在 97 或以上的同位素亦會進行少量 β−緩發中子發射。

釔的同核異構物至少有 20 種，質量數在 78 和 102 之間。80Y 和 97Y 的同核異構物超過一個。釔的大部份同核異構物的穩定性都比基態更低，但 78mY、84mY、85mY、96mY、98m1Y、100mY 和 102mY 的半衰期都比它們的基態更高。這是因為這些同核異構物都進行 β 衰變，而不進行同核異構物轉換。

## 歷史

1787 年，同時為陸軍中尉和兼職化學家的卡爾・阿克塞爾・阿列紐斯（Carl Axel Arrhenius）在瑞典伊特比村（現屬於斯德哥爾摩群島）附近的一處舊採石場發現了一塊黑色大石。他認為這是一種未知礦石，含有當時新發現的鎢元素，並將其命名為「Ytterbite」。樣本被送往多個化學家作進一步分析。

奧布皇家學院的約翰・加多林於 1789 年在阿列紐斯的樣本中發現了一種新的氧化物，並於 1794 發佈完整的分析結果。安德斯・古斯塔夫・埃克貝格（Anders Gustaf Ekeberg）在 1797 年證實了這項發現，並把氧化物命名為「Yttria」。在安東萬・拉瓦節提出首個近代化學元素定義之後，人們認為氧化物都能夠還原成元素，所以發現新氧化物就等同於發現新元素。對應於 Yttria 的元素因此被命名為「Yttrium」。

1843 年，卡爾・古斯塔夫・莫桑德（Carl Gustaf Mosander）發現，該樣本中其實含有三種氧化物：白色的氧化釔（Yttria）、黃色的氧化鋱（Erbia）以及玫紅色的氧化鉺（Terbia）。1878 年，讓 - 夏爾・加利薩・德馬里尼亞（Jean Charles Galissard de Marigna）分離出第四種氧化物氧化鐿。這四種氧化物所含的新元素都以伊特比命名，除釔以外還有鐿（Ytterbium）、鋱（Terbium）和鉺（Erbium）。在接下來的數十年間，科學家又在加多林的礦石樣本中發現了 7 種新元素。馬丁・海因里希・克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）後將這種礦物命名為加多林礦（Gadolinite，即矽鈹釔礦），以紀念加多林為發現這些新元素所做出的貢獻。

1828 年，弗里德里希・維勒把無水三氯化釔和鉀一同加熱，首次產生了釔金屬：

　
: YCl3 + 3 K → 3 KCl + Y

釔的化學符號最初是 Yt，直到 1920 年代初才開始轉為 Y。

1987 年，科學家發現釔鋇銅氧具有高溫超導性質。它是第二種被發現擁有這種性質的物質，而且是第一種能在氮的沸點以上達到超導現象的物質。

## 存量

### 豐度

釔元素出現在大部份稀土礦和某些鈾礦中，但從不以單質出現。釔在地球地殼中的豐度約為百萬分之 31，在所有元素中排第 28 位，是銀豐度的 400 倍。泥土中的釔含量介乎百萬分之 10 至 150 間（去水後平均重量佔百萬分之 23），在海水中含量為一兆（萬億）分之 9。美國阿波羅計劃期間從月球採得的岩石樣本中含有較高的釔含量。

釔元素沒有已知的生物用途，但幾乎所有生物體內都存在少量的釔。進入人體後，釔主要積累在肝、腎、脾、肺和骨骼當中。一個人體內一共只有約 0.5 毫克的釔，而人乳則含有百萬分之 4 的釔。在食用植物中，釔的含量在百萬分之 20 至 100 之間（鮮重），其中以捲心菜為最高；木本植物種子中的含量為百萬分之 700，是植物中已知最高的。

### 生產

釔的化學性質與鑭系元素非常相似，所以經過各種自然過程，這些元素都一同出現在稀土礦中。

稀土元素共有四種來源：

* 含碳酸鹽和氟化物的礦石，如氟碳鈰礦（[(Ce, La, …)(CO3) F]），平均釔含量為 0.1%。1960 年代至 1990 年代間，氟碳鈰礦的主要來源是美國加州山口（Mountain Pass）稀土礦場，因此美國是這段時期稀土元素的最大產國。
* 獨居石（即磷鈰鑭礦，[(Ce, La, …) PO4]）是一種漂沙沉積物，為花崗岩移動及重力分離之後的產物。獨居石含 2%（或 3%）的釔。20 世紀初的最大礦藏位於印度和巴西，兩國當時是最大產國。
* 磷釔礦是一種含有稀土元素的磷酸鹽礦物，其中包括磷酸釔（YPO4），礦物的釔含量約為 60%。最大礦藏是位於中國內蒙古的白雲鄂博鐵礦。在 1990 年代山口稀土礦場關閉之後，中國繼而成為目前稀土元素的最大產國。
* 離子吸附型粘土是花崗岩的風化產物，含 1% 的稀土元素。處理後的精礦的釔含量可以達到 8%。離子吸附型粘土主要在中國南部開採生產。釔也出現在鈮釔礦和褐鈮釔礦中。

從混合氧化物礦中提取純釔的其中一種方法是把樣本溶於硫酸，再以離子交換層析法進行分離。加入草酸後，草酸釔會沉澱出來。草酸釔在氧氣中加熱，會轉化為氧化釔，再與氟化氫反應後變為氟化釔。使用季銨鹽作為萃取劑，釔會維持水溶狀態。以硝酸鹽作抗衡離子，可以去除輕鑭系元素；以硫氰酸鹽作抗衡離子，可以去除重鑭系元素。這種過程可以產生純度為 99.999% 的釔。一般釔佔重鑭系元素混合物的三分之二，所以為了方便分離其他的元素，須先移除釔元素。

全球氧化釔年產量在 2001 年達到 600 噸，儲備量估計有 9 百萬噸。鈣鎂合金可以把三氟化釔還原成海綿狀釔金屬，如此生產出的釔金屬每年不到 10 噸。電弧爐所達到的 1,600 °C 溫度足以熔化釔金屬。

## 應用

### 日用品

氧化釔（Y 
2O 
3）可以做摻 Eu3+ 過程中所用的主體晶格，以及正釩酸釔 YVO4:Eu3+ 或氧硫化釔 Y 
2O 
2S:Eu3+ 磷光體的反應劑。這些磷光體在彩色電視機的顯像管中能產生紅光。實際上紅光是銪所產生的，釔只是把電子槍的能量傳遞到磷光體上。釔化合物還可以為不同鑭系元素陽離子做摻雜過程的主體晶格，除了 Eu3+ 外，還有能發出綠光的摻 Tb3+ 磷光體。氧化釔可以在多孔氮化矽的生產過程中作燒結添加劑。它還是材料科學中的常用原料，許多釔化合物的合成也需要從氧化釔開始。

釔同位素可以催化乙烯的聚合反應。一些高性能火花塞的電極以釔金屬作為材料。在丙烷燈網罩的生產過程中，釔可以代替具有放射性的釷元素。

釔穩定氧化鋯是一種正在研發當中的材料，可以做固態電解質，以及在汽車排氣系統中用於探測氧含量。

### 石榴石

釔可以用來生產各種合成石榴石。釔鐵石榴石（Y 
3Fe 
5O 
12，簡稱 YIG）是十分有效的微波電子濾波器，生產就需用到氧化釔。釔、鐵、鋁和釓石榴石（如 Y3(Fe,Al)5O12 和 Y3(Fe,Ga)5O12）具有重要的磁性質。釔鐵石榴石是一種高效聲能發射器和傳感器。釔鋁石榴石（Y 
3Al 
5O 
12，簡稱 YAG）的莫氏硬度為 8.5，能當寶石作首飾之用（人造鑽石）。摻鈰的釔鋁石榴石（YAG:Ce）晶體可用在白色發光二極體的磷光體中。

釔鋁石榴石、氧化釔、氟化釔鋰（LiYF 
4）和正釩酸釔（YVO 
4）可以用在近紅外線雷射器中，可用的摻雜劑包括釹、鉺和鐿。釔鋁石榴石雷射器能夠在大功率下運作，可應用在金屬鑽孔和切割上。單個釔鋁石榴石晶體一般是經由柴可拉斯基法生產出來的。

### 材料增強

添加少量的釔（0.1% 至 0.2%）可以降低鉻、鉬、鈦和鋯的晶粒度。它也可以增強鋁合金和鎂合金的材料強度。在合金中加入釔，可以降低加工程序的難度，使材料能抵抗高溫再結晶，並且大大提高對高溫氧化的抵禦能力。

釔還能對釩以及其他非鐵金屬進行去氧。氧化釔可以穩定立方氧化鋯的結構，使它適合作為首飾。

科學家正在研究釔的球化性質，這可能有助生產球墨鑄鐵。如此生產出來的鑄鐵具有較高的延展性（石墨形成小球，而非薄片）。氧化釔熔點高，可抵抗衝擊，且熱膨脹係數也較低，因此能用來製造陶瓷和玻璃，例如某些照相機鏡頭。

### 醫學

釔 - 90 是一種放射性同位素，被用在依多曲肽及替伊莫單抗等抗癌藥物中，可治療淋巴癌、白血病、卵巢癌、大腸癌、胰腺癌和骨癌等等。該藥物會附在單克隆抗體上，與癌症細胞結合後以釔 - 90 的強烈 β 輻射把癌細胞中的 DNA 產生變異，經過半衰期間內的放射曝露，之後經由生物轉殖的特性，致使癌細胞 DNA 無法繼續往下轉錄繁衍，一般被仍定為成功的治療，約需經過 3-6 個月的觀察週期而論。不過釔 90 仍舊屬於局部放射療法之一，仍舊可能帶給治療患者不可預期的傷害，例如：急性肝衰竭。

用釔 - 90 做的針頭可以比解剖刀更加精確，可用於割斷脊髓裡的疼痛神經。在治療類風濕性關節炎時，釔 - 90 還能用在發炎關節的滑膜切除術中，特別針對膝蓋部位。

曾有實驗在犬類身上用摻釹的釔鋁石榴石雷射來進行前列腺切除術，手術由機器人協助，能夠降低對周邊神經等組織的損傷。摻鉺的釔鋁石榴石則開始被用在磨皮整容手術上。

### 超導體

1987 年，阿拉巴馬大學和休斯頓大學研發了釔鋇銅氧（YBa2Cu3O7，又稱 YBCO 或 1-2-3）超導體。它可以在 93 K 溫度下運作，比液氮的沸點（77.1 K）要高。其他超導體都必須使用價格更高的液氦降溫，所以這項發現能降低成本。

實際超導材料的化學式為 YBa2Cu3O7–_d_，其中 _d_ 必須低於 0.7 才會使材料成為超導體。具體原因未知，但目前科學家知道在晶體內只有某些位置會出現空缺，即位於氧化銅平面和鏈上。這造成銅原子擁有奇特的氧化態，這再因某種原因引致了超導性質。

BCS 理論在 1957 年被發佈之後，人們對低溫超導的認知已經非常詳盡了。這種現象與兩顆電子在一個晶格當中的特殊交互作用相關。然而高溫超導卻在這一理論的解釋範圍外，其確切原理仍是未知的。實驗所得出的結果指出，材料中氧化銅份量必須十分準確才能帶出超導性質。

這一物質呈黑綠色，為一多晶、多相態礦物。科學家正在研究一類成份比例不同的物質，稱為鈣鈦礦，並希望能最終研發出一種更為實用的高溫超導體。

## 安全性

水溶釔化合物具微毒性，但非水溶化合物則不具毒性。動物實驗顯示，釔及其化合物會造成肝和肺的破壞，但不同化合物的毒性程度各異。老鼠在吸入檸檬酸釔後，產生肺水腫和呼吸困難，吸入氯化釔後則有肝性水腫、胸腔積液及肺充血等症狀。

釔化合物對人類可引致肺病。釩酸釔銪飄塵會對人的眼部、皮膚和上呼吸道有輕微的刺激，但這可能是飄塵的釩成份所導致的，而不是釔。短期暴露在大量釔化合物中，會引致呼吸急促、咳嗽、胸部疼痛以及發紺。美國國家職業安全衛生研究所（NIOSH）所建議的允許暴露限值為 1 mg/m3，超過 500 mg/m3 時屬於「即時對生命或健康造成危險」。雖然成塊的釔金屬在空氣中相對穩定，但釔金屬粉末卻屬於易燃物。

## 備註

## 參考資料

## 書目

## 外部連結

* 元素釔在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 釔（英文）
* 元素釔在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素釔在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 釔（英文）