39, Yttrium (Y)

Grube Ytterby (Schweden)

Das Element Yttrium:

         
  Ca Sc Ti  
  Sr Y Zr  
  Ba La Ce  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Yttrium (Nukleosynthese): Yttrium hat mit 89 Nukleonen nur ein einziges stabiles Isotop, und ist damit das 10. Reinelement. Die Nukleosynthese des Elements findet infolge der r-Prozesse nach Supernova-Explosionen statt, wo es durch Neutronenanlagerung und anschließenden β--Zerfall aus Fe-56 heraus gebildet wird. Da es mit 1,3 barn einen relativ hohen Neutroneneinfangssquerschnitt hat, wird jedoch das meiste gebildete Yttrium später bei s-Prozessen durch weiteren Neutroneneinfang weiter zu Zr-90 umgesetzt. Alternativ entsteht es auch in Roten Riesensternen infolge s-Prozessen aus Sr-88 heraus.

Die Yttrium-Synthese:
89Y-Synthese:
(s-,r-Prozesse)

88Sr + n → 89Y + β- + 7,85 MeV

56Fe + 33n → 89Y + 13β- + 239 MeV

Vorkommen von Yttrium: Im Universum besteht die Materie durchschnittlich zu etwa 7 μg/kg aus Yttrium (Rang 43). Irdisch kommt es, wie praktisch alle Metalle angereichert vor, da es eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat. In der Erdkruste ist es mit 33 mg/kg immerhin noch häufiger als beispielsweise Kobalt, Lithium oder Blei (Rang 29).

Yttrium kommt mit den Elementen der Lanthanoide, sowie seinem leichteren Homologen Scandium vergesellschaftet vor.

Die wichtigsten Mineralien mit höheren Yttrium-Gehalten:Der Xenotim enthält außer Yttrium variable Mengen an Ytterbium, und ist mit bis über 40% Y-Anteil das yttriumreichste Mineral. Der Yttrium-Gadolinit enthält über 30% Yttrium, vergesellschaftet mit Lanthanoiden. Monazitsand enthält bis 3% Yttrium, Bastnäsit 0,2% des Elements[1].

Yttrium-Mineralien

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[2]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[2]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[3]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[4]


Yttrium-Gewinnung:
Zunächst wird das yttriumhaltige Mineral zerkleinert und in konzentrierter Schwefelsäure unter gelöst und für einige Stunden bei 120°C bis 150°C gekocht. Dabei fallen bereits Oxide vierwertiger Elemente (CeO2, ThO2, SiO2, TiO2) aus. Nach Abtrennen des Schlammes und Verdünnen der Lösung mit Wasser, werden die Lanthanoide und die Elemente Yttrium und Scandium mit Oxalsäure gefällt. Diese werden nun über Ionentauscher fraktioniert, wobei in einer Phase auch das Yttrium isoliert werden kann. Das anfallende Yttriumoxalat wird zum Yttriumoxid geglüht. Dieses wird in Flusssäure in Yttriumfluorid überführt, welches getrocknet wird.

Nun wird das Yttriumfluorid mit Magnesium oder Calcium im Vakuuminduktionsofen reduziert, wobei eine Legierung aus Calcium (Magnesium) und Yttrium entsteht, auf der die Schlacke aus Calciumfluorid (Magnesiumfluorid) aufschwimmt und somit das Metall vor Oxidation schützt. Vom Calcium (Magnesium) kann das Yttrium mittels Hochvakuumdestillation abgetrennt werden, wobei die beiden Erdalkalimetalle wesentlich tiefer sieden. Der so erhaltene poröse Yttriumschwamm wird dann im Lichtbogen zu kompaktem Yttriummetall umgeschmolzen.

Vakuum-Induktions-Schmelzofen[11]

Die Gewinnung des Yttrium:
1. Glühen des Yttriumoxalates zu Yttriumoxid:
Y2(C2O4)3 + E → Y2O3 + 3CO2↑ + 3CO↑

2. Überführen des Yttriumoxids in Yttriumfluorid:
Y2O3 + 6HF → 2YF3 + 3H2O
3. Reduktion des Yttriumfluorids mit Calcium:
2YF3 + 5Ca → 3CaF2↑ + 2(Ca|Y)↓

4. Abdampfen des Calciums:
(Ca|Y) + E → Y + Ca↑


Chemie von Yttrium: Yttrium strebt aufgrund seiner Elektronenkonfiguration [Kr]5s24d1 in Verbindung mit elektronegativeren Elementen stets den Oxidationszustand +3 an. Es gibt wie auch beim Scandium Verbindungen, wo Yttrium scheinbar in der Oxidationsstufe +2 vorkommt, wobei hier in Wahrheit auch Y3+-Ionen neben freien (delokalisierten) Elektronen vorliegen. Siehe hierzu beim Scandium.

Verhalten an der Luft: Kompaktes Yttrium ist an der Luft beständig, da es sich mit einer Oxidschicht überzieht, die das Metall vor weiterem Angriff schützt. Erhitzt man jedoch Yttriumpulver auf über 500°C, so entzündet es sich, und verbrennt mit roter Flamme zu Yttriumoxid. Brennendes Yttrium darf man, wie generell alle Metallbrände nicht mit Wasser oder Kohlendioxid löschen, sondern nur mit Sand!

4Y + 3O2 → 2Y2O3 + 3814 kJ


Verhalten gegenüber Wasser, Säuren und Laugen: Kompaktes Yttrium wird von Wasser in der Kälte nur langsam angegriffen, in heißem Wasser oder in feinverteilter Form reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zu Yttriumhydroxid. In verdünnten Säurelösungen reagiert es dagegen sehr lebhaft unter Wasserstoffentwicklung zu entsprechenden Yttriumsalzen. Yttriumhydroxid ist wie Scandiumhydroxid amphoter, d.h. es ist sowohl in Säuren als auch in Laugen löslich. Dabei bildet es nur noch oberhalb pH 11 merklich lösliche Yttrate (mit dem Anion Y(OH)63-), während die analoge Scandat-Bildung schon bei pH-Werten oberhalb von 10 (bei Aluminium sogar schon oberhalb von pH 8,2) erfolgt. Umgekehrt reagieren Yttriumsalze, wenn das Anion neutral reagiert schwach sauer, jedoch schwächer als entsprechende Scandiumsalze.

Hydrolyseneigung der Ionen der Scandiumgruppe im Vergleich
  Sc3+ Y3+ La3+ Ac3+
pKs-Wert 4,9 7,7 8,6 9,4
pH-Wert 0,1 mol/L MeCl3 3,0 4,4 4,8 5,2


Reaktionen gegenüber Nichtmetallen: Wie bei den anderen Elementen der Gruppe bzw. den Lanthanoiden besteht auch beim Yttrium eine hohe Affinität zu elektronegativen Nichtmetallen. So entzündet sich Yttrium, wenn man es im Chlorstrom erhitzt. Ebenso vrhält es sich auch mit Fluor, Brom, Iod oder Schwefel. Alle diese Reaktionen führen zu ionogen aufgebauten Verbindungen.

Yttriumkomplexe. Gleich den anderen Elementen der Scandiumgruppe und der Lanthanoide bildet Yttrium stabile Komplexe mit Oxalsäure, EDTA oder Fluorid-Ionen. Die unterschiedliche Dissoziationsbereitschaft der EDTA- und Oxalato-Komplexe der genannten Elemente macht man sich zunutze, um diese voneinander mittels Ionentauscher voneinander zu trennen. Die bevorzugte Koordinationszahl des Yttrium3+-Ions in Komplexen beträgt 8, und ist damit den Lanthanoiden ähnlicher als dem Scandium. So hydratisiert es etwa zu Y(H2O)83+ (Octaaqua-Yttrium(III)-Ion).

Löslichkeit der Yttriumsalze. Das Verhalten der Yttriumsalze schließt sich vom Trend her sowohl an das links von ihm stehende Strontium, als auch an das über ihm stehende Scandium an: So ist die Löslichkeit des Sulfats in Wasser mit ca. 75 g/L wesentlich geringer als die des Scandiumsulfates (ca. 550 g/L), was mit der Löslichkeitsänderung von Calcium- zu Strontiumsulfat durchaus vergleichbar ist (CaSO4: 2,5 g/L; SrSO4: 0,11 g/L). Entsprechend ist auch die Löslichkeit des Yttriumchromats in Wasser geringer als die des Scandiumchromats, während die Löslichkeiten von YF3 und Y(OH)3 etwas höher sind als die von ScF3 und Sc(OH)3.
Physikalische Besonderheiten von Yttrium bzw. von seinen Verbindungen: Yttriumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine rosarote Flammenfärbung. Das Salz wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert.


Flammenfärbung eines[11]
Yttrium-Salzes

Verwendung von Yttrium und seinen Verbindungen : Yttrium hat in der heutigen Technik einige wichtige Verwendungsmöglichkeiten gefunden:
  • Reaktortechnik: Aufgrund eines relativ geringen Neutroneneinfangquerschnitts (1,3 barn) wird es als Mantelmaterial für die Brenn- und Kontrollstäbe verwendet. Siehe hierzu die Anmerkung zur Verwendung.

  • Zündkerzen: Das Elektrodenmaterial von Zündkerzen besteht aus einer Nickel-Yttrium-Legierung, welches gegenüber herkömmlichen Legierungen eine wesentlich höhere Standzeit ermöglicht[5]

  • Permanent-Magnete: Da Yttrium gleich den Lanthanoiden bei tiefen Temperaturen ferromagnetisch ist, kann die Curie-Temperatur durch Zulegieren geeigneter Komponenten über die Raumtemperatur hinaus angehoben werden. Daher wird Yttrium als Legierungsbestandteil solcher Permanentmagnete genutzt.

  • Hochtemperatur-Supraleiter: Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), YBa2Cu3O7 hat mit 93K eine der höchsten derzeit bekannten Sprungtemperaturen zur Supraleitfähigkeit. Es zählt zur Stoffgruppe der keramischen Supraleitern.[6]
Wichtige Verwendungsmöglichkeiten von Yttrium und dessen Verbindugen:

Zündkerze:
Elektrodenmaterial[7]

Keramischer
Hochtemperatur-Supraleiter[8]

Neodym-Magnet[9]


Sonstiges: Anmerkung zur Verwendung: In der Literatur (u.a. auch Holleman-Wiberg) und in verschiedenen Quellen im Internet wird angegeben, dass Yttrium auch als Kontrollstab-Material genutzt wird. Dies steht allerdings im offenen Widerspruch zur Nutzung als Mantelmaterial: Kontrollstäbe dienen zum Wegfangen überschüssiger Neutronen und damit zum Abbremsen der Kernspaltungsreaktion; Materialen, die zur Ummantelung von Brennstäben gebraucht werden, dürfen demgemäß keine moderierende Wirkung haben. Aufgrund des relativ geringen Neutroneneinfangquerschnittes von 89Y gehe ich davon aus, dass das Element nicht als Kontrollstab-Medium genutzt wird, sondern ebenfalls nur zur Ummantelung derselben!

Video[10]: Der Hochtemperatur-Supraleiter YBCO
Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) über einer Magnetschiene schwebend. Dieser Supraleiter hat eine Sprungtemperatur von 93K. Er wurde 1988 entdeckt, und hatte bis zum Jahr 2000 den Rekord für die höchste bekannte Sprungtemperatur inne.

Quellen: [1] Wikipedia: Yttrium, Vorkommen

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[5] Wikipedia: Artikel Zündkerzen, Abschnitt: Elektrodenmaterial.

[6] Wikipedia: Artikel Supraleiter, keramische Hochtemperaturleiter.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Ralf Schuhmacher/Dresden. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[8] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Henry Mühlpfordt. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[9] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Dalvin. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.

[10] Videoquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Andel Früh. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[11] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.