Формула иттрия химическая. Иттрий — описание металла и его свойства, цена за кг иттрия

СВОЙСТВА.

Иттрий — 39

Иттрий (Y) — редкоземельный металл , атомный номер 39, атомная масса 88,91, температура плавления 1509ОС, плотность 4,47 г/см3.
Y — второй по счёту, после , редкоземельный металл, не лантаноид.

Этот элемент получил название в честь шведской деревни Иттерби, вблизи которой был найден минерал, тяжёлый камень чёрного цвета, похожий на каменный уголь, который назвали иттербитом. После исследования этого минерала, в нём был обнаружен окисел нового элемента, похожий на окислы кальция и алюминия. Этот окисел был назван иттриевой землёй и, затем, после перевода этого окисла в хлористое соединение с помощью металлического натрия, был выделен новый металл, который был назван иттрием.
Y входит в состав сложных минералов, распылённых в земной коре и очень трудно выделяется из них. Значительно более концентрированы и изучены радиоактивные изотопы иттрия.
В природных и техногенных видах сырья, Y содержится в минералах эвделите, бастнезите, в хибинском апатите, а также, в фосфогипсе из хибинского апатита и в природном концентрате Томтора.

Легко растворяется в минеральных кислотах, окисляется в кипящей воде, а на воздухе-только при высокой температуре (400ОС). При окислении, на поверхности металла образуется плёнка, которая препятствует дальнейшему окислению металла в его массе. Иттрий достаточно хорошо распространён в земной коре (до 0,0028%), однако чрезвычайно рассеян, что серьёзно усложняет его добычу и выделение.

ПОЛУЧЕНИЕ.

Получение иттрия представляет собой сложный и многостадийный процесс.
Получение иттрия, например, из минерала ксенотима (фосфата иттрия),в котором, после обогащения содержится до 36% окисла иттрия и 24% окислов других РЗМ, состоит в следующем. Минерал ксенотим обрабатывают серной кислотой при высокой температуре. Затем, этот раствор загружают в ионообменную колонну, содержащую смолу. Здесь иттрий отделяется и вместе с другими лантаноидами,сохраняется в катионите. Для отделения от него иттрия, через колонну пропускают элюент-раствор уксусной кислоты. Полученные разные фракции элюента содержат разные элементы. После дополнительной и длительной очистки фракции, содержащей Y, получают окись иттрия Y2O3, из которой, затем, при необходимости, получают металлический Y.
Из других минералов содержащих иттрий, способы получения его окиси, как в лаборатории, так и в промышленности, значительно отличаются от вышеописанного.
Для получения металлического иттрия, его окись восстанавливают, превращая, при высокой температуре во фторид иттрия YF3. Это промежуточное соединение смешивают с кальцием и, в титановом тигле, нагревают в индукционной печи, в атмосфере инертного газа, при температуре 1600ОС и, таким образом, получают металлический иттрий. После отделения шлака, остаётся иттрий чистотой 99%. Доведение его до более высокой чистоты осуществляется сложными и дорогостоящими способами.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Из всех редкоземельных металлов, иттрий, является одним из самых востребованных и широко используемых.

Металлургия. Добавка иттрия, как легирующего металла, в нержавеющую сталь, содержащую 25% хрома, значительно повышает её жаропрочные свойства. Легирование иттрием сплавов алюминия и магния значительно добавляют им прочностных и жаростойких качеств. Металлический Y хорошо прокатывается, легко вытягивается в трубы, хорошо сваривается. Легирующие металлы-хром, ванадий, молибден, для придания им мелкозернистой структуры, сами легируются иттрием, что улучшает их возможности при легировании сталей. Иттрий применяется для производства долговечных выпускных стаканов в сталеразливочных ковшах, применяемых в чёрной металлургии.

Атомная техника. Изготовление трубопроводов, по которым течёт расплав из ядерного горючего атомных реакторов-урана или плутония, из металлического иттрия, значительно повышает срок службы этих трубопроводов, т.к. иттрий не реагирует с этими расплавами. Сплав иттрия с бериллием применяется для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов, в атомных реакторах при высоких температурах.

Люминофоры. Для качественного свечения экранов цветных телевизоров, применяется иттрий, который добавляют в состав люминофоров, для нанесения на электронно-лучевые трубки.
Керамика. Сохранение жаропрочных свойств керамическими изделиями при очень высоких температурах (до 2200ОС), обеспечивает материал цитрит (керамика из циркония с содержанием иттрия), у которого очень низкая теплопроводность.
Производство стекла. Иттрий-локс, замечательный материал, представляющий собой твёрдый раствор из двуокиси тория в окиси иттрия. Он пропускает видимый свет, а также и инфракрасное излучение. Его используют в качестве окон в специальной аппаратуре для космической техники, в смотровых глазках печей, с высокими температурами.
Сверхпроводники. Y используется для создания сверхпроводников на основе керамики иттрий-медь-барий, у которого переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре -183ОС.
Электротехника. Алюминий, легированный иттрием, увеличивает электропроводность изготовленных из него проводов. Нихромовый провод, легированный иттрием, применяется для нагрева промышленных агрегатов электрическим током и служит в два-три раза дольше чем обычный нихромовый.
Термоэлектрические материалы. Теллурид иттрия обладает очень высокой термоэдс и применяется для производства термоэлектрогенераторов с высоким КПД.
Аэрокосмическая техника. При высокой удельной прочности и высокой жаропрочности бериллид иттрия, является одним из лучших конструктивных материалов для создания изделий для космоса-корпусов ракет и спутников.
Автомобильные катализаторы. Для нейтрализации отработавших выхлопных газов автомобилей применяются автомобильные катализаторы, выполненные с добавкой иттрия.
Лазеры. Искусственные иттрий-алюминиевые гранаты применяются для производства твердотельных лазеров.

Экология. При ядерных взрывах образуется радиоактивный изотоп иттрий-91. Вместе со стронцием-90, это наиболее опасный продукт ядерного деления. Опасен также изотоп иттрий-90. Эти изотопы накапливаются в мировом океане в процессе экспериментальных ядерных взрывов и захоронений на дне океанов радиоактивных отходов, что серьёзно угрожает безопасности морской фауны и, соответственно, человека. Борьба с этими явлениями, становится одной из первоочередных задач по защите природы и человека.

В 1787 г. лейтенант шведской армии минералог-любитель Карл Аррениус нашел здесь, в заброшенном карьере, неизвестный прежде черный блестящий минерал. Этот минерал назвали иттербитом. Спустя 130 лет финский минералог Флинт скажет, что он «сыграл в истории неорганической химии, быть может, большую роль, чем какой-либо другой минерал». В этом утверждении безусловно есть преувеличение. Но так же безусловно, что минерал, в котором нашли семь новых химических элементов, - вещь незаурядная. Тем не менее ни в одном минералогическом справочнике названия «иттербит» сейчас не найти.

Первым серьезным исследователем этого минерала и первооткрывателем окиси иттрия был финский химик Юхан Гадолин (1760-1852). Это он, проанализировав иттербит, обнаружил в нем окислы железа , кальция , магния и кремния , а также 38% окиси неизвестного еще элемента. Через три года шведский ученый Экеберг подтвердил результат финского коллеги и ввел в химический обиход название «иттриевая земля». Позже, еще при жизни Гадолина, было решено называть открытый им элемент иттрием, а минерал из Иттербю переименовали в гадолинит .

Впрочем, впоследствии оказалось, что упоминавшиеся 38% приходятся на долю не одного, а нескольких новых элементов. «Расщепление» окиси иттрия заняло больше 100 лет. В 1843 г. Карл Мозандер поделил ее на три компонента, три окисла: бесцветный, коричневый и розовый. Три окисла - три элемента, название каждого происходит от фрагментов также «расщепленного» слова Иттербю. От «итт» - иттрий (бесцветная окись), от «тер» - тербий (коричневая) и от «эрб» - эрбий (розовая окись). В 1879 г. из окиси иттрия были выделены окислы еще трех элементов - иттербия, тулия и предсказанного Менделеевым скандия . А в 1907 г. к ним прибавился еще один элемент - лютеций .

Это единственный случай в истории науки: один минерал, причем редкий минерал, оказался «хранителем» семи новых элементов.

С позиций современной химии этот факт легко объясним: электронное строение атомов редкоземельных элементов - а к ним относится скандий, иттрий , лантан и 14 лантаноидов - очень сходно. Химические свойства их, в том числе свойства, определяющие поведение элемента в земной коре, трудноразличимы. Очень близки размеры их ионов. В частности, у иттрия и тяжелых элементов семейства лантаноидов

- гадолиния , тербия, диспрозия , гольмия , эрбия , тулия - размеры трехвалентного иона практически одинаковы, разница в сотые доли ангстрема.

Трудность его выделения (как, впрочем, и любого из его аналогов) привела к тому, что на протяжении десятилетий свойства этого элемента оставались почти не изученными. Первый металлический иттрий (сильно загрязненный примесями) получен Фридрихом Вёлером в 1828 г., но и через 100 лет плотность иттрия не была определена достаточно точно. Даже состав окиси иттрия никто не определил верно до появления периодического закона. Считали, что это YO; правильную формулу - Y 2 O 3 - первым указал Менделеев.

Иттрий - ближаиший аналог лантаноидов

К числу «редких земель» этот химический элемент отнесли не случайно. Всем своим обликом и поведением он подобен лантану и лантаноидам.

Он легко растворяется в минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, плавиковой. В кипящей воде он постепенно окисляется, а на воздухе при температуре 400°C окисление иттрия идет достаточно быстро. Но при этом образуется темная блестящая пленка окиси, плотно окутывающая металл и препятствующая окислению в массе. Лишь при 760°C эта пленка теряет защитные свойства, и тогда окисление превращает светло-серый металл в бесцветную или черную (от примесей) окись.

Как и многие лантаноиды, он относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% - это значит, что элемент № 39 входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли. Тем не менее о нем до последнего времени говорили и писали как о перспективном, но пока «безработном» элементе. Объясняется это прежде всего чрезвычайной рассеянностью элемента № 39, что еще раз подчеркивает его «кровное родство» со скандием, лантаном и лантаноидами.

Минералов, в которых обнаружен иттрий, известно больше сотни. Он есть в полевых шпатах и слюдах, минералах железа, кальция и марганца, в цериевых, урановых и ториевых рудах. Но даже если примесь иттрия сравнительно велика - 1-5% (напомним, что медная руда, содержащая 3% Cu, считается очень богатой), извлечь чистый иттрий чрезвычайно трудно. Мешает сходство, прежде всего сходство с другими редкими землями и, более отдаленное - с кальцием, цирконием и гафнием , ураном и торием, другими «крупно-атомными» элементами (радиус ионов 0,8-1,2 А°).

Окись иттрия, выделенная из гадолинита, в действительности оказалась смесью окислов нескольких элементов. Больше ста лет продолжалось «расщепление» иттрия на все новые и новые элементы.

Иттрий плотно заперт в кристаллической решетке минерала и вырвать его оттуда далеко не просто. Правда, сейчас уже во многих странах налажено попутное извлечение иттрия при переработке цериевых, урановых и ториевых руд; как источник элемента № 39 используют бастнезит и некоторые минералы самого иттрия, прежде всего ксенотим . Но во всех случаях извлечение этого металла - дело трудное и долгое.

Вот как, к примеру, получают иттрий из ксенотима. Казалось бы, просто. Формула минерала - YPO 4 . Давно известно, что лучше всего восстанавливать его из его галогенидов. Значит, нужно провести обменную реакцию: вместо фосфата иттрия получить фторид или хлорид, а затем восстановить его. Всего две производственных стадии - чего проще! Но просто все лишь на бумаге. В действительности в ксенотиме, уже обогащением на магнитном сепараторе, всего 36% Y 2 O 3 (в виде фосфата) и 24% окислов других редкоземельных элементов. И здесь мешает ставшая уже притчей во языцех общность всех этих элементов.

«Вскрывают» минерал, обрабатывая его серной кислотой при высокой температуре. Полученный раствор подают на ионообменную колонну, заполненную катионообменной смолой. Избирательная способность катионита не слишком высока: он принимает почти все трехвалентные положительно заряженные ионы. Значит, на этой стадии иттрий отделяется лишь от «неродственных» элементов, а редкоземельные остаются в колонне вместе с ним.

Чтобы «смыть» его с катионита, через колонку начинают пропускать элюент - раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Такой «душ» полезен потому, что на этой стадии образуются комплексные соединения иттрия и других редких земель, отличающиеся одно от другого больше, чем классические соединения этих элементов, отчего ионы иттрия и ионы прочих редкоземельных элементов удерживаются катионитом с неодинаковой силой. Значит, в разных фракциях элюента будут преобладать уже разные элементы.

Отобрав иттриевую фракцию и подвергнув ее дополнительной очистке, на нее воздействуют щавелевой кислотой и получают оксалат иттрия. Его прокаливают, превращая в окись. Этим способом на 12 колоннах (высотой 3 и диаметром 0,75 м) за месяц получают чуть больше 100 кг Y 2 O 3 . Впрочем, считать месячную производительность неразумно: процесс длится два месяца. Выход 99,9%-ной окиси иттрия за два месяца - 225 кг.

Еще раз напомним, что описанная схема - одна из многих; чаще всего окись иттрия получают из бастнезита совсем другим путем.

Окись иттрия находит самостоятельное применение. Известно, что она, как и окись скандия, входит в состав ферритов - элементов памяти электронно-вычислительных машин.

Иттрий от окисла к металлу

После того как этот элемент отделен от основной массы редкоземельных элементов, его нужно восстановить. Для этого окись превращают в один из галогенидов иттрия, например, во фторид:

Y 2 O 3 + 6HF - 700°C → 2YF 3 + 3H 2 O.

Это соединение смешивают с дважды перегнанным металлическим кальцием, помещают все в танталовый тигель и закрывают перфорированной крышкой. Тигель отправляют в кварцевую индукционную печь. Печь закрывают, откачивают из нее воздух и начинают медленно нагревать. Когда температура достигнет 600°C, в печь пускают аргон, а прекращают его подачу, когда давление в печи достигнет 500 мм ртутного столба. Затем температуру повышают до 1000°C, и восстановление начинается. Реакция 2YF 3 + 3Ca 2 Y + 3CaF 2 -

экзотермическая, и температура в печи продолжает расти. Тогда еще «поддают жару», доводят температуру до 1600°C (в этих условиях лучше разделяются металл и шлак), после чего дают печи остыть.

Шлак легко откалывается, и остается слиток иттрия чистотой до 99%. Примесь кальция без труда удаляется вакуумной переплавкой; труднее избавиться от тантала (0,5-2%) и кислорода (0,05-0,2%). Но и это можно сделать и получить слитки, пригодные для промышленного использования и для уточнения физико-химических характеристик элемента № 39. Рассказывая о свойствах иттрия, обороты «только один» или «только одна» можно применить лишь дважды.

Во-первых, для этого элемента неприменимо такое общее, казалось бы, понятие, как «природная смесь изотопов». Нет у него природной смеси: весь естественный иттрий - это только один стабильный изотоп иттрий-89. И только одну валентность (3+) проявляет иттрий во всех известных соединениях. Но, возможно, это утверждение не есть «истина в последней инстанции». Сложности получения элементного иттрия и высокая цена (килограмм иттрия еще недавно стоил 440 долларов) в течение многих лет сдерживали исследования элемента № 39 и его соединений. Поэтому не исключено, что когда-нибудь будут получены соединения иттрия с «нестандартной» валентностью, как это случилось, например, с алюминием. Ведь во времена, когда алюминиевая посуда была привилегией королей, ни один химик не подозревал о существовании соединений одновалентного алюминия.

Перспективы иттрия

Иттрий долго ходил в «перспективных». Еще в книгах, изданных в начале 60-х годов прошлого века, этот металл считали перспективным и не больше. Так, во втором издании известного английского справочника «Rare Metalls Handbook», вышедшем в Лондоне в 1961 г., последняя часть раздела «Иттрий» посвящена не применению этого элемента, а лишь перспективам его применения. В «Курсе общей химии» Б. В. Некрасова (издание 1962 г.) говорится: «Практического применения отдельные элементы подгруппы скандия (а значит, и иттрий. - Ред.) и их производные еще не находят...» И это отражало истинное положение вещей.

Можно было считать этот химический элемент перспективным. Залогом тому - его свойства: высокие температуры плавления и кипения - соответственно 1520 и 3030°C; упругость примерно такая же, как у алюминия и магния; прочность, сравнимая с прочностью титана . И плюс к этому относительная легкость (плотность иттрия 4,47 г/см 3) и малое эффективное сечение захвата тепловых нейтронов, т. е. способность почти не тормозить цепную реакцию, если он применен в конструкции атомного реактора.

Но по каждой отдельно взятой характеристике он уступал тому или иному металлу. Авиаконструкторы и проектировщики новых реакторов могут пока обойтись без него. Они, видимо, охотно применили бы иттрий, будь он более доступен, но каждый раз закладывали в свои проекты другие материалы - или с лучшими «природными данными», или менее дефицитные.

Лишь в последние годы положение стало меняться. Все чаще в печати появляются сообщения о том, что иттрий и его сплавы применили в том или ином детище новейшей техники. В частности, из иттрия стали делать трубопроводы, по которым транспортируют жидкое ядерное горючее - расплавленный уран или плутоний . Иттрий высокой чистоты легко вытягивается в трубы, хорошо сваривается в атмосфере инертного газа и, что очень важно, отлично шлифуется. С ураном и плутонием он практически не реагирует, что, естественно, делает иттриевые трубы более долговечными. Из сплавов иттрия с бериллием стали делать отражатели и замедлители нейтронов, работающие в атомных реакторах при температуре более 1100°C.

Элемент № 39 содержится во множестве минералов. Еще один богатый им минерал найден в 1961 г. в Казахстане и назван гагаринитом - в честь Юрия Гагарина. Но снимке: кристаллы гагаринита в кварце (в натуральную величину). Фото минералога А. В. Степанова, одного из первооткрывателей гагаринита

Появились сообщения о применении иттрия в авиастроении. Это тоже понятно: известно, что иттрий-алюминиевые сплавы по прочности почти не уступают стали, что добавка элемента № 39 значительно повышает прочность легких авиационных сплавов на основе магния, особенно при повышенных температурах.

Наконец, иттрий начали применять и как «витамин витаминов». «Витаминами стали» называют хром , ванадий , молибден и другие легирующие металлы. Небольшие добавки иттрия улучшают многие свойства этих «витаминов». Всего 0,1-0,2% элемента № 39, добавленные в хром, цирконий, титан, молибден, делают структуру этих металлов более мелкозернистой. Облагороженный иттрием ванадий становится и более пластичным - иттрий действует как раскислитель, связывает кислород и азот , в результате чего промышленный ванадий утрачивает присущую ему хрупкость.

Начинается проникновение иттрия и в черную металлургию - работа его в качестве легирующего металла. Так, нержавеющая сталь, содержащая 25% хрома, устойчива против окисления при температурах до 1093°C. Добавка 1% иттрия повышает этот предел до 1371°C.

Все эти примеры показывают, что сегодня считать иттрий только «перспективным» неправильно, его служба людям уже началась. И мы не ошибемся, утверждая, что в статье об иттрии, которую напишут лет через десять, число подобных примеров станет несравненно больше.

Фридрих Энгельс писал, что когда у общества появляется техническая потребность, то она продвигает науку быстрее, чем десяток университетов. Техническая потребность в иттрии уже появилась.

Иттрий металлический был получен финским химиком Иоганном Гадолином еще в конце 18 века. Сегодня и в течении 2017 года цена за 1 грамм имеет тенденцию к росту после падения в конце 2016 года. Долгое время этот металл относился к группе «перспективных материалов». Это было связано с его дефицитностью и с тем, что по каждому отдельно взятому свойству он уступал тому или иному металлу. Но технический прогресс, в частности развитие атомной промышленности, нашел применение иттрию, реализовав все его характеристики в полной мере.

Цена и её формирование

Своими ценами иттрий металлический не сильно изменился за последний год. Купить его можно на рынках редкоземельных металлов за 35-45 долларов США. Цена указана за 1 килограмм иттрия. Связано это, в первую очередь, с постоянством спроса и предложения на металл.

Купить его можно в слитках. ИтМ-1 - самая популярная марка. А цена на неё от 7000 до 9000 рублей за кг.

В продаже есть и другие марки, такие как ИтМ-2, ИтМ-3, ИтМ-4, ИтМ-5, их цена примерно такая же как и на ИТМ-1.

Если приобретать оксид иттрия, то есть две восстребованные марки - это ОСЧ и 5N.

ОСЧ - 12 -15 тыс. за кг
5N - 5 - 7 тыс. за кг.

В производство иттрий поставляется двумя способами: непосредственной добычей из месторождений или переработкой вторичного металла. Второй способ является предпочтительным, т.к. он имеет меньшие цены на реализацию.

Для того, чтобы купить или продать иттрий по выгодным ценам, нужно обратить внимание на следующее:

Значение цен на мировых биржах. В частности, перед тем как купить партию лома, пункты приема металлолома уточняют его цену на Лондонской бирже редкоземельных металлов.
Объем поставки. Металлоприемщикам выгоднее купить лом большой партией, т.к. это снизит время оборота продукции. Цена на металл в этом случае, как правило, выше на 5-10%.
Локация. Разные регионы имеют разное соотношение спроса и предложения. На цену влияет близость пункта приема лома к крупным перерабатывающим предприятиям. Если Вы собрались купить иттрий, Вы должны понимать, что Владивосток и Москва имеют различные цены.
Количество примесей в химическом составе. Купить чистый металл сейчас несложно, но он имеет наибольшую стоимость на рынке.
Качество поверхности и внешний вид. На цену влияет наличие разного рода повреждений и неметаллических вкраплений. Например, покрытие поверхности лома резиной или другими металлами. Купить такой иттрий можно по самой низкой цене.
Тип профиля. Большинство пунктов приема металлолома предпочитают купить круги или цельные плиты, т.к. они эффективнее при транспортировке в сравнении с теми же трубами. Соответственно цена на такой лом, незначительно, но выше.

Физические свойства

Иттрий имеет 39-й порядковый номер в таблице Менделеева. Представляет собой металл серого цвета со светлым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Обладает несколькими изотопами, некоторые из которых радиоактивны.

Металлический иттрий, как и большинство сталей, плавится при температуре около 1500 ºС. Кипеть начинает при 3030 ºС. Металл относительно легок. Его удельный вес сравним с аналогичным показателем алюминия и составляет 4470 кг\м3. Хорошо пропускает через себя тепло. Коэффициент теплопроводности при температурах 20-60 ºС равен 17,2 Вт/(м·К).

Химические свойства

Несмотря на то, что иттрий является активным металлом, он не окисляется при температуре до 800 ºС. Связано это с образованием в естественных условиях на его поверхности тонкого слоя оксидов иттрия, который и служит металлу защитой от проникновения молекул кислорода внутрь.

По этой же причине металл инертен к большому количеству солей и кислот. Исключение составляют минеральная и уксусная кислоты, а также такие газы как водород и азот. Помимо этого при повышении температуры свыше 550 ºС начинает вступать в химические реакции с фосфором и серой.

Механические свойства

Упругость иттрия сравнима с упругостью алюминия или магния. Модуль Юнга равен 7000 кг/мм2, модуль сдвига 2700 кг/мм2. Прочностные характеристики по своим значениям схожи с титаном. Напряжение, при котором происходит разрыв иттриевого стандартного образца, равно 14 кг/мм2. Деформироваться металл начинает уже при 10 кг/мм2.

Иттрий отличается высоким уровнем пластичности. Коэффициент объемного расширения для данного металла колеблется в пределах 0,24 единиц, а относительное удлинение равно 10%.

Среди недостатков металла главным образом стоит отметить низкую твердость, которая составляет всего лишь 60 кг/мм2.

Прочностные характеристики иттрия повышают методами механического упрочнения. Сюда относят наклеп, нагартовку и обкатывание поверхности роликами.

Технологические свойства

Иттрий - высокотехнологичный металл. Он подвергается как холодной, так и горячей обработке давлением: штамповка, ковка, протяжка и прочее. Не имеет склонности к образованию трещин при повышенных температурах.

Несмотря на высокую вязкость, металл хорошо поддаётся обработке резанием. Но необходимо заметить, что скорости резания при этом не достигают высоких значений.

Иттрий относится к первой группе свариваемости. Сварку осуществляют ручным дуговым способом в вакуумной среде. Полученные сварные швы отличаются повышенной плотностью. По прочности они ничем не уступают цельному металлу.

Запасы иттрия

Иттрий входит в тридцатку самых распространённых металлов на планете Земля. Его массовая доля от общего объема земной коры составляет 0,0028%. Концентрация иттрия в морской воде значительно меньше и равно 0,3 мг на 1000 литров.

Среди минералов, имеющих наибольший процент содержания иттрия, стоит отметить циркон, черчит и фергюсонит.

По подсчетам зарубежных аналитиков на сегодня мировые запасы иттрия примерно равны 550 000 тонн. Добыча его увеличивается с каждым годом и на данный момент она равна примерно 9 000 тонн в год.

Лидерами по добыче иттрия являются такие страны как Китай, Соединенные штаты Америки, Австралия, Индия и Россия.

Область применения

Как материал иттрий стал активно использоваться промышленностью относительно недавно, с середины 20 века. Связано это с развитием науки и технологий, требующих все более специфичных свойств от материалов.

В силу наличия высокопластичных свойств иттрий отлично подходит для изготовления различных форм проката. Из него производят трубы, круги и листы толщиной до 0,8 мм.

Наибольшее применение иттрий получил в атомной энергетике. В частности с помощью иттриевых труб осуществляют транспортировку жидкого ядерного горючего на основе плутония и урана. Инертность иттрия к данным элементам позволяет почти в 2 раза увеличить срок эксплуатации трубопровода. Пластичность и свариваемость иттрия делают процесс изготовления труб максимально технологичным и эффективным.

В авиационной промышленности сплавы на основе иттрия и алюминия применяют в качестве обшивки самолётов. Данные сплавы по прочности в 1,5 раза превышают аналогичный показатель традиционно применяемого для этого дюралюминия . К тому же иттрии - алюминиевые сплавы опережают его по жаропрочности, но при этом они имеют одинаковый удельный вес.

В черной металлургии иттрий применяют как легирующий элемент. Основное его назначение - увеличение жаропрочности сплава. Добавление всего 0,8% иттрия в хромистую сталь увеличивает стойкость к повышенным температурам на 25-30%.

Иттрий значительно усиливает воздействие таких легирующих элементов как хром, никель и молибден на сталь. Структура сталей становится более мелкозернистой, что положительно влияет на ее прочностные характеристики.

Ванадиевые сплавы легируют иттрием для увеличения их пластичных свойств. Также иттрий способствует удалению кислорода, азота и водорода из сплава, что снижает значение хрупкости, так характерной для ванадия.

В теплотехнике иттрий служит сырьем для изготовления нагревательных элементов: спиралей, проволок и лент. Их долговечность выше почти в 3 раза по сравнению с нихромовыми аналогами.

Теллурид - сплав на основе иттрия - активно используется в производстве термоэлектрогенераторов, отличающихся высоким КПД. Происходит это по причине повышенного значения термоэлектродвижущей силы данного сплава, которая равна 920 мкВ/К.

Буквально несколько лет назад стало известно о разработке новой керамики - циттрит - на основе циркония и иттрия. Ее отличительные свойства - минимальная теплопроводность, способность эксплуатироваться в окислительной среде и высокая жаропрочность (до 2200 ºС).

Еще одни вид керамики - теперь уже созданной на базе иттрия и тория - используется при изготовлении инфракрасного стекла, температура плавления которого составляет 2200 ºС. Такое стекло применяют в ракетостроении и специальной аппаратуре при необходимости материала, хорошо пропускающего инфракрасное излучение. Также из него делают смотровые окна для наблюдения и контролирования процессов, протекающих в высокотемпературных печах.

Оксид иттрия служит сырьем для производства огнеупорных материалов. Его характерной особенностью является рост прочности при повышении температуры. Это позволяет применять оксид иттрия при изготовлении разливочных ковшей, используемых для литья урана, стали и других металлов и сплавов.

Из иттрия делают красные люминофоры, которые применяются в производстве кинескопов цветных телевизоров.

Все активней ведется разработка нового магнитного сплава на основе соединения иттрий-неодим -кобальт.

Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: Y

Молекулярная масса: 88,906

Иттрий - элемент побочной подгруппы третьей группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 39. Обозначается символом Y (лат. Yttrium). Простое вещество иттрий - металл светло-серого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния, β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 1482 °C.

История

В 1794 году финский химик Юхан (Иоганн) Гадолин (1760-1852) выделил из минерала иттербита оксид элемента, который он назвал иттрием - по названию шведского населённого пункта Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг (иттербит был найден здесь в заброшенном карьере). В 1843 году Карл Мосандер доказал, что этот оксид на самом деле является смесью оксидов иттрия, эрбия и тербия и выделил из этой смеси Y 2 O 3 . Металлический иттрий, содержащий примеси эрбия, тербия и других лантаноидов, был получен впервые в 1828 году Фридрихом Велером.

Нахождение в природе

Иттрий - химический аналог лантана. Кларк 26 г/т, содержание в морской воде 0,0003 мг/л. Иттрий почти всегда содержится вместе с лантаноидами в минеральном сырье. Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной - иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты - цериевую. Главнейшие минералы иттрия - ксенотим YPO 4 , гадолинит Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 .

Месторождения

Главные месторождения иттрия расположены в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии.

Получение

Соединения иттрия получают из смесей с другими редкоземельными металлами экстракцией и ионным обменом. Металлический иттрий получают восстановлением безводных галогенидов иттрия литием или кальцием c последующей отгонкой примесей.

Физические свойства

Иттрий - металл светло-серого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния (a=3,6474 Å; с=5,7306 Å; z=2; пространственная группа P63/mmc), β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (a=4,08 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 1482 °C, ΔH перехода - 4,98 кДж/моль. Температура плавления - 1528 °C, температура кипения - около 3320 °C. Иттрий легко поддается механической обработке.

Изотопы

Иттрий - моноизотопный элемент, в природе представлен одним стабильным нуклидом 89Y.

Химические свойства

На воздухе иттрий покрывается плотной защитной оксидной плёнкой. При 370-425 °C образуется плотная чёрная пленка оксида. Интенсивное окисление начинается при 750 °C. Компактный металл окисляется кислородом воздуха в кипящей воде , реагирует с минеральными кислотами, уксусной кислотой , не реагирует с фтороводородом. Иттрий при нагревании взаимодействует с галогенами, водородом, азотом, серой и фосфором. Оксид Y 2 О 3 обладает основными свойствами, ему отвечает основание Y(ОН) 3 .

Применение

Иттрий является металлом, обладающим рядом уникальных свойств, и эти свойства в значительной степени определяют очень широкое применение его в промышленности сегодня и, вероятно, ещё более широкое применение в будущем. Предел прочности на разрыв для нелегированного чистого иттрия - около 300 МПа (30 кг/мм²). Очень важным качеством как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается плёнкой оксида и нитрида, предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C.

Керамика для нагревательных элементов

Хромит иттрия - материал для лучших высокотемпературных нагревателей сопротивления, способных эксплуатироваться в окислительной среде (воздух, кислород).

ИК - керамика

«Иттралокс» (Yttralox) - твёрдый раствор диоксида тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, но также он очень хорошо пропускает инфракрасное излучение, поэтому его используют для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также используют в качестве смотровых «глазков» высокотемпературных печей. Плавится «Иттралокс» лишь при температуре около 2207 °C.

Огнеупорные материалы

Оксид иттрия - чрезвычайно устойчивый к нагреву на воздухе огнеупор, упрочняется с ростом температуры (максимум при 900-1000 °C), пригоден для плавки ряда высокоактивных металлов (в том числе и самого иттрия). Особую роль оксид иттрия играет при литье урана. Одной из наиболее важных и ответственных областей применения оксида иттрия в качестве жаропрочного огнеупорного материала является производство наиболее долговечных и качественных сталеразливочных стаканов (устройство для дозированного выпуска жидкой стали), в условиях контакта с движущимся потоком жидкой стали оксид иттрия наименее размываем. Единственным известным и превосходящим по стойкости оксид иттрия в контакте с жидкой сталью является оксид скандия, но он чрезвычайно дорог.

Термоэлектрические материалы

Важным соединением иттрия является его теллурид. Имея малую плотность, высокую температуру плавления и прочность, теллурид иттрия имеет одну из самых больших термо-э.д.с среди всех теллуридов, а именно 921 мкВ/К (у теллурида висмута, например, 280 мкВ/К) и представляет интерес для производства термоэлектрогенераторов с повышенным КПД.

Сверхпроводники

Один из компонентов иттрий-медь-бариевой керамики с общей формулой YBa 2 Cu 3 O 7 -δ - высокотемпературный сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 90 К.

Сплавы иттрия

Перспективными областями применения сплавов иттрия являются авиакосмическая промышленность, атомная техника, автомобилестроение. Очень важно то обстоятельство, что иттрий и его некоторые сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, что позволяет применить их в ядерном газофазном ракетном двигателе.

Легирование

Легирование алюминия иттрием повышает на 7,5 % электропроводность изготовленных из него проводов. Иттрий имеет высокие предел прочности и температуру плавления, поэтому способен создать значительную конкуренцию титану в любых областях применения последнего (ввиду того, что большинство сплавов иттрия обладает большей прочностью, чем сплавы титана, а кроме того, у сплавов иттрия отсутствует «ползучесть» под нагрузкой, которая ограничивает области применения титановых сплавов). Иттрий вводят в жаростойкие сплавы никеля с хромом (нихромы) с целью повысить температуру эксплуатации нагревательной проволоки или ленты и с целью в 2-3 раза увеличить срок службы нагревательных обмоток (спиралей), что имеет большое экономическое значение (использование вместо иттрия скандия ещё в несколько раз увеличивает срок службы сплавов).

Магнитные материалы

Изучается перспективный магнитный сплав - неодим-иттрий-кобальт.

Люминофоры

Оксид и ванадат иттрия, легированные европием, используются в производстве кинескопов цветных телевизоров. Оксосульфид иттрия, активированный европием, применяется для производства люминофоров в цветном телевидении (красная компонента), а активированный тербием - для чёрно-белого телевидения. Иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), легированный трёхвалентным церием с максимумом излучения в области жёлтого цвета используется в конструкции люминофорных белых светодиодов.

Дуговая сварка

Добавлением иттрия в вольфрам резко снижают работу выхода электрона (у чистого иттрия 3,3 эВ), что используется для производства иттрированных вольфрамовых электродов для аргонодуговой сварки и составляет значительную статью расхода металлического иттрия. Гексаборид иттрия имеет так же малую работу выхода электронов (2,22 эВ) и применяется для производства катодов мощных электронных пушек (электронно-лучевая сварка и резка в вакууме).

Другие сферы применения

Бериллид иттрия (равно как и бериллид скандия) является одним из лучших конструкционных материалов аэрокосмической техники и, плавясь при температуре около 1920 °C, начинает окисляться на воздухе при 1670 °C (!). Удельная прочность такого материала весьма высока, и при использовании его в качестве матрицы для наполнения нитевидными кристаллами (усами) можно создать материалы, имеющие фантастические прочностные и упругие характеристики. Тетраборид иттрия находит применение в качестве материала для управляющих стержней атомных реакторов (имеет малое газовыделение по гелию и водороду). Ортотанталат иттрия синтезируется и используется для производства рентгеноконтрастных покрытий. Синтезированы иттрий-алюминиевые гранаты (ИАГ), имеющие ценные физико-химические свойства, которые могут применяться и в ювелирном деле, и уже довольно давно применяемые в качестве технологичных и относительно дешёвых материалов для твердотельных лазеров. Важным лазерным материалом является ИСГГ - иттрий-скандий-галлиевый гранат. Гидрид иттрия-железа применяют как аккумулятор водорода с высокой ёмкостью и достаточно дешёвый.

Цены на иттрий

Иттрий чистотой 99-99,9 % стоит в среднем 115-185 долларов США за 1 кг.