钇

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Template:NoteTA Template:Hatnote 页面Template:Infobox element/styles.css没有内容。 脚本错误：没有“Infobox”这个模块。 Template:Zy（Template:Langx），是一种化学元素，其化学符号为Template:化学式，原子序数为39，原子量为Template:Val。钇是银白色的过渡金属，性质与镧系元素相近，一般一同归入稀土金属，属于重稀土的一员。[1]钇在自然中并不以游离态存在，而是和镧系元素共同伴生于稀土矿物中，是地壳丰度最高的重稀土元素。89Y是钇元素的唯一一种稳定同位素和天然同位素。

1787年，Template:Tsl在瑞典伊特比附近发现了一种新的矿石，即硅铍钇矿，并根据发现地村落的名称将它命名为“Ytterbite”。约翰·加多林在1789年于阿列纽斯的矿物样本中，发现了氧化钇。[2]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格把这一氧化物命名为“Yttria”。弗里德里希·维勒在1828年首次分离出钇的单质。[3]

钇的最大用途在于磷光体的生产，特别是红色LED和电视机阴极射线管（CRT）显示屏的红色磷光体。[4]钇元素也被用于激光器、电极、陶瓷电解质、电子滤波器和超导体中，也有多项医学和材料科学上的应用。钇在生物体中没有已知的生理作用，人类吸入钇化合物可能导致肺病。[5]

性质[编辑]

钇是一种质软、带光泽的银白色金属，在元素周期表中属于3族，是第五周期的首个d区元素。根据周期表的趋势，它的电负性比同族的较轻元素钪和同周期的下一个元素锆都要低。然而，由于镧系收缩现象的影响，钇的电负性也低于较重的同族元素镥。[6][7]

成块的纯钇在空气中会在表面形成保护性氧化层（Template:Chem/link），这种“钝化”过程使它相对稳定。在水蒸气中加热至750 °C时，保护层的厚度可达10微米。[8]不过钇粉末在空气中很不稳定，其金属屑在400 °C以上的空气中即可燃烧。[3]钇金属在氮气中加热至1000 °C后会形成氮化钇（YN）。[8]

<chem>4 Y + 3 O^2 -> 2 Y2O3</chem>

<chem>2 Y + N2 -> 2 YN</chem>

与镧系元素的相似性[编辑]

钇元素的性质和镧系元素十分相似，所以一直以来都与它们一起被归为稀土元素。[1]自然中的钇一定与镧系元素共同出现在稀土矿物中。[9]

比起上方的钪，钇在化学属性上更接近镧系元素[10]，尤其是铽、镝、钬、铒等重镧系元素。如果以物理属性对原子序数作图，则钇的物理性质根据趋势将落在原子序64.5和67.5之间，即位于镧系元素钆～铒之间。[11]

钇的反应级数一般也落在这个区间之内，[8]其化学反应活性与铽和镝相近。[4]钇的离子半径与属于“钇族”的重镧系元素几乎相同，所以它们的离子在溶液中的属性十分接近。[8][12]虽然所有镧系元素在元素周期表中都位于钇下方的一行，但钇在多方面却都表现出与它们极为相似的性质，这是由于镧系收缩现象，造成Y3+的离子半径落在镧系元素序列的Er3+附近所致。[13]

钇和镧系元素间最大的差异在于，钇几乎只会形成+3价的离子及化合物，但镧系元素中大约半数都可以形成+2或+4等可变价态。[8]此外，钇的密度也显著低于所有镧系元素。

化合物及反应[编辑]

Template:Main article

钇可以形成各种无机化合物，氧化态一般为+3，其中钇原子失去其3颗价电子。[14]例如白色、固态的氧化钇(III)（Template:Chem/link）就是一种六配位的三价钇化合物。[15]

钇可以形成不溶于水的氟化物、氢氧化物和草酸盐，以及可溶于水的溴化物、氯化物、碘化物、硝酸盐和硫酸盐。[8]Y3+离子在溶液中无色，因为它的d和f电子壳层中缺乏电子。[8]

钇及其化合物会和水产生反应，形成Template:Chem/link。[9]浓硝酸和氢氟酸不会对钇产生快速侵蚀，但其他的强酸则可以快速侵蚀钇，产生钇盐。[8]

在200 °C以上温度，钇可以和各种卤素形成三卤化物，如三氟化钇（Template:Chem/link）、三氯化钇（Template:Chem/link）和三溴化钇（Template:Chem/link）。[5]碳、磷、硒、硅和硫在高温下也都可以和钇形成二元化合物。[8]

钇的有机化合物中都含有碳﹣钇键，其中一些化合物中的钇呈0氧化态。[16][17]（科学家在氯化钇熔体中曾观测到+2态，[18]以及在钇氧原子簇中观测到+1态。[19]）有机钇化合物可以催化某些三聚反应。[17]这些化合物的合成过程都从Template:Chem/link开始，而Template:Chem/link则是经Template:Chem/link与浓盐酸和氯化铵进行反应所得。[20][21]

哈普托数指中心原子对于周边配位体原子的配位数，符号为η。科学家首次在钇配合物中发现碳硼烷配位体能以η7哈普托数与d0金属中心原子进行配位。[17]石墨层间化合物石墨-Y和石墨-Template:Chem/link在气化后会产生内嵌富勒烯，例如Y@C82。[4]电子自旋共振研究显示，这种富勒烯是由Y3+和(C82)3−离子对所组成的。[4]Y3C、Y2C和YC2等碳化物在水解后会形成烃。[8]

核合成及同位素[编辑]

脚本错误：没有“main”这个模块。 太阳系中的钇元素是在恒星核合成过程中产生的，大部分经S-过程（约72%），其余的经R-过程（约28%）。[22]在R-过程中，轻元素在超新星爆炸中进行快中子捕获；而在S-过程中，轻元素在红巨星脉动时，在星体内部进行慢中子捕获。[23]

File:Mira 1997.jpg
太阳系中大部分的钇都是在红巨星内部形成的，例如图中的蒭藁增二。

在核爆炸和核反应炉中，钇同位素是铀裂变过程中的一大产物。在核废料的处理上，最重要的钇同位素为91Y和90Y，半衰期分别为58.51天和64小时。[24]虽然90Y的半衰期短，但它与其母同位素锶-90（90Sr）处于长期平衡状态（即产生率接近衰变率），实际半衰期为29年。[3]

所有3族元素的原子序都是奇数，所以稳定同位素很少。[6]钇只有一种稳定同位素89Y，这也是它唯一一种自然同位素。在S-过程当中，经其他途径产生的同位素有足够时间进行β衰变（中子转换为质子，并释放电子和反微中子）。[23]中子数为50、82和126的原子核（原子量分别为90、138和208）特别稳定[注 1]，所以这种慢速过程使这些同位素能够保持其较高的丰度。[3]89Y的质量数和中子数分别靠近90和50，所以其丰度也较高。

钇的人工合成同位素已知至少有32种，原子质量数在76和108之间。[24]其中最不稳定的同位素为106Y，半衰期只有>150纳秒（76Y的半衰期为>200纳秒）；最稳定的则为88Y，半衰期为106.626天。[24]91Y、87Y和90Y的半衰期分别为58.51天、79.8小时和64小时，而其余所有人造同位素的半衰期都在一天以下，大部分甚至不到一小时。[24]

质量数在88或以下的钇同位素的主要衰变途径是正电子发射（质子→中子），形成锶（原子序为38）的同位素；[24]质量数在90或以上的则进行电子发射（中子→质子），形成锆（原子序为40）的同位素。[24]另外质量数在97或以上的同位素亦会进行少量β−缓发中子发射。[25]

钇的同核异构体至少有20种，质量数在78和102之间。[24][注 2]80Y和97Y的同核异构体超过一个。[24]钇的大部分同核异构体的稳定性都比基态更低，但78mY、84mY、85mY、96mY、98m1Y、100mY和102mY的半衰期都比它们的基态更高。这是因为这些同核异构体都进行β衰变，而不进行同核异构体转换。[25]

历史[编辑]

1787年，同时为陆军中尉和兼职化学家的卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯（Carl Axel Arrhenius）在瑞典伊特比村（现属于斯德哥尔摩群岛）附近的一处旧采石场发现了一块黑色大石。[2]他认为这是一种未知矿石，含有当时新发现的钨元素，[26]并将其命名为“Ytterbite”。[注 3]样本被送往多个化学家作进一步分析。[2]

File:Johan Gadolin.jpg
氧化钇的发现者约翰·加多林

奥布皇家学院的约翰·加多林于1789年在阿列纽斯的样本中发现了一种新的氧化物，并于1794发布完整的分析结果。[27][注 4]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格（Anders Gustaf Ekeberg）在1797年证实了这项发现，并把氧化物命名为“Yttria”。[28]在安东万·拉瓦节提出首个近代化学元素定义之后，人们认为氧化物都能够还原成元素，所以发现新氧化物就等同于发现新元素。对应于Yttria的元素因此被命名为“Yttrium”。[注 5]

1843年，卡尔·古斯塔夫·莫桑德（Carl Gustaf Mosander）发现，该样本中其实含有三种氧化物：白色的氧化钇（Yttria）、黄色的氧化铽（Erbia）以及玫红色的氧化铒（Terbia）。[29][注 6]1878年，让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marigna）分离出第四种氧化物氧化镱。[30]这四种氧化物所含的新元素都以伊特比命名，除钇以外还有镱（Ytterbium）、铽（Terbium）和铒（Erbium）。[31]在接下来的数十年间，科学家又在加多林的矿石样本中发现了7种新元素。[2]马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）后将这种矿物命名为加多林矿（Gadolinite，即硅铍钇矿），以纪念加多林为发现这些新元素所做出的贡献。[2]

1828年，弗里德里希·维勒把无水三氯化钇和钾一同加热，首次产生了钇金属：[32][33]

<chem>YCl3 + 3 K -> 3 KCl + Y</chem>

钇的化学符号最初是Yt，直到1920年代初才开始转为Y。[34]

1987年，科学家发现钇钡铜氧具有高温超导性质。[35]它是第二种被发现拥有这种性质的物质，[35]而且是第一种能在氮的沸点以上达到超导现象的物质。[注 7]

存量[编辑]

File:Xenotímio1.jpeg
磷钇矿含有钇，图为磷钇矿晶体。

丰度[编辑]

钇元素出现在大部分稀土矿物[7]和某些铀矿中，但从不以单质出现。[36]钇在地球地壳中的丰度约为百万分之31，[4]在所有元素中排第28位，是银丰度的400倍。[37]泥土中的钇含量介乎百万分之10至150间（去水后平均重量占百万分之23），在海水中含量为一兆（万亿）分之9。[37]美国阿波罗计划期间从月球采得的岩石样本中含有较高的钇含量。[31]

钇元素没有已知的生物用途，但几乎所有生物体内都存在少量的钇。进入人体后，钇主要积累在肝、肾、脾、肺和骨骼当中。[38]一个人体内一共只有约0.5毫克的钇，而人乳则含有百万分之4的钇。[39]在食用植物中，钇的含量在百万分之20至100之间（鲜重），其中以卷心菜为最高；[39]木本植物种子中的含量为百万分之700，是植物中已知最高的。[39]

生产[编辑]

钇的化学性质与镧系元素非常相似，所以经过各种自然过程，这些元素都一同出现在稀土矿中。[40][41]

File:Yttrium 1.jpg
钇很难从其他稀土元素中分离出来。图为钇金属块。

稀土元素共有四种来源：[42]

  • 含碳酸盐和氟化物的矿石，如Template:Tsl（[(Ce, La, …)(CO3)F]），平均钇含量为0.1%。[3][40]1960年代至1990年代间，氟碳铈矿的主要来源是美国加州山口（Mountain Pass）稀土矿场，因此美国是这段时期稀土元素的最大产国。[40][42]
  • 独居石（即磷铈镧矿，[(Ce, La, …)PO4]）是一种漂沙沉积物，为花岗岩移动及重力分离之后的产物。独居石含2%[40]（或3%）[43]的钇。20世纪初的最大矿藏位于印度和巴西，两国当时是最大产国。[40][42]
  • 磷钇矿是一种含有稀土元素的磷酸盐矿物，其中包括磷酸钇（YPO4），矿物的钇含量约为60%。[40]最大矿藏是位于中国内蒙古的白云鄂博铁矿。在1990年代山口稀土矿场关闭之后，中国继而成为目前稀土元素的最大产国。[40][42]
  • 离子吸附型粘土是花岗岩的风化产物，含1%的稀土元素。[40]处理后的精矿的钇含量可以达到8%。离子吸附型粘土主要在中国南部开采生产。[40][42][44]钇也出现在Template:Tsl和Template:Tsl中。[37]

从混合氧化物矿中提取纯钇的其中一种方法是把样本溶于硫酸，再以离子交换层析法进行分离。加入草酸后，草酸钇会沉淀出来。草酸钇在氧气中加热，会转化为氧化钇，再与氟化氢反应后变为氟化钇。[45]使用季铵盐作为萃取剂，钇会维持水溶状态。以硝酸盐作抗衡离子，可以去除轻镧系元素；以硫氰酸盐作抗衡离子，可以去除重镧系元素。这种过程可以产生纯度为99.999%的钇。一般钇占重稀土元素混合物的三分之二，所以为了方便分离其他的稀土元素，须先移除钇元素。

全球氧化钇年产量在2001年达到600吨，储备量估计有9百万吨。[37]钙镁合金可以把三氟化钇还原成海绵状钇金属，如此生产出的钇金属每年不到10吨。电弧炉所达到的1,600 °C温度足以熔化钇金属。[37][45]

应用[编辑]

日用品[编辑]

File:Aperture Grille.jpg
钇是其中一种用于阴极射线管电视机荧屏中红色磷光体的元素。

氧化钇（Template:Chem/link）可以做掺Eu3+过程中所用的主体晶格，以及正钒酸钇YVO4:Eu3+或氧硫化钇Template:Chem/link:Eu3+磷光体的反应剂。这些磷光体在彩色电视机的显像管中能产生红光。[3][4]实际上红光是铕所产生的，钇只是把电子枪的能量传递到磷光体上。[46]钇化合物还可以为不同镧系元素阳离子做掺杂过程的主体晶格，除了Eu3+外，还有能发出绿光的掺Tb3+磷光体。氧化钇可以在多孔氮化硅的生产过程中作烧结添加剂。[47]它还是材料科学中的常用原料，许多钇化合物的合成也需要从氧化钇开始。

钇同位素可以催化乙烯的聚合反应。[3]一些高性能火花塞的电极以钇金属作为材料。[48]在丙烷灯网罩的生产过程中，钇可以代替具有放射性的钍元素。[49]

钇稳定氧化锆是一种正在研发当中的材料，可以做固态电解质，以及在汽车排气系统中用于探测氧含量。[4]

石榴石[编辑]

File:Yag-rod.jpg
直径0.5厘米的Nd:YAG激光晶棒

钇可以用来生产各种合成石榴石。[50]钇铁石榴石（Template:Chem/link，简称YIG）是十分有效的微波电子滤波器，生产就需用到氧化钇。[3]钇、铁、铝和钆石榴石（如Y3(Fe,Al)5O12和Y3(Fe,Ga)5O12）具有重要的磁性质。[3]钇铁石榴石是一种高效声能发射器和传感器。[51]钇铝石榴石（Template:Chem/link，简称YAG）的莫氏硬度为8.5，能当宝石作首饰之用（人造钻石）。[3]掺铈的钇铝石榴石（YAG:Ce）晶体可用在白色发光二极管的磷光体中。[52][53][54]

钇铝石榴石、氧化钇、氟化钇锂（Template:Chem/link）和正钒酸钇（Template:Chem/link）可以用在近红外线激光器中，可用的掺杂剂包括钕、铒和镱。[55][56]钇铝石榴石激光器能够在大功率下运作，可应用在金属钻孔和切割上。[43]单个钇铝石榴石晶体一般是经由柴可拉斯基法生产出来的。[57]

材料增强[编辑]

添加少量的钇（0.1%至0.2%）可以降低铬、钼、钛和锆的晶粒度。[58]它也可以增强铝合金和镁合金的材料强度。[3]在合金中加入钇，可以降低加工程序的难度，使材料能抵抗高温再结晶，并且大大提高对高温氧化的抵御能力。[46]

钇还能对钒以及其他非铁金属进行去氧。[3]氧化钇可以稳定立方氧化锆的结构，使它适合作为首饰。[59]

科学家正在研究钇的球化性质，这可能有助生产球墨铸铁。如此生产出来的铸铁具有较高的延展性（石墨形成小球，而非薄片）。[3]氧化钇熔点高，可抵抗冲击，且热膨胀系数也较低，因此能用来制造陶瓷和玻璃，[3]例如某些照相机镜头。[37]

File:Yttrium-90 isotope simulation test.jpg
钇90局部放射线疗法，术前会以同位素进行流体模拟测试

医学[编辑]

钇-90是一种放射性同位素，被用在Template:Tsl及Template:Tsl等抗癌药物中，可治疗淋巴癌、白血病、卵巢癌、大肠癌、胰腺癌和骨癌等等。[39]该药物会附在单克隆抗体上，与癌症细胞结合后以钇-90的强烈β辐射把癌细胞中的DNA产生变异，经过半衰期间内的放射曝露，之后经由生物克隆的特性，致使癌细胞DNA无法继续往下转录繁衍，一般被仍定为成功的治疗，约需经过3-6个月的观察周期而论。不过钇-90仍旧属于局部放射疗法之一，仍旧可能带给患者急性肝衰竭等不可预期的伤害。[60]

用钇-90做的针头可以比解剖刀更加精确，可用于割断脊髓里的疼痛神经。[26]在治疗类风湿性关节炎时，钇-90还能用在发炎关节的滑膜切除术中，特别针对膝盖部位。[61]

曾有实验在犬类身上用掺钕的钇铝石榴石激光来进行前列腺切除术，手术由机器人协助，能够降低对周边神经等组织的损伤。[62]掺铒的钇铝石榴石则开始被用在磨皮整容手术上。[4]

超导体[编辑]

File:YBCO-modified.jpg
钇钡铜氧超导体

1987年，阿拉巴马大学和休斯顿大学研发了钇钡铜氧（YBa2Cu3O7，又称YBCO或1-2-3）超导体。[35]它可以在93 K温度下运作，比液氮的沸点（77.1 K）要高。[35]其他超导体都必须使用价格更高的液氦降温，所以这项发现能降低成本。

实际超导材料的化学式为YBa2Cu3O7–d，其中d必须低于0.7才会使材料成为超导体。具体原因未知，但目前科学家知道在晶体内只有某些位置会出现空缺，即位于氧化铜平面和链上。这造成铜原子拥有奇特的氧化态，这再因某种原因引致了超导性质。

BCS理论在1957年被发布之后，人们对低温超导的认知已经非常详尽了。这种现象与两颗电子在一个晶格当中的特殊交互作用相关。然而高温超导却在这一理论的解释范围外，其确切原理仍是未知的。实验所得出的结果指出，材料中氧化铜分量必须十分准确才能带出超导性质。[63]

这一物质呈黑绿色，为一多晶、多相态矿物。科学家正在研究一类成分比例不同的物质，称为钙钛矿，并希望能最终研发出一种更为实用的高温超导体。[43]

安全性[编辑]

水溶钇化合物具微毒性，但非水溶化合物则不具毒性[39]。动物实验显示，钇及其化合物会造成肝和肺的破坏，但不同化合物的毒性程度各异。老鼠在吸入柠檬酸钇后，产生肺水肿和呼吸困难，吸入氯化钇后则有肝性水肿、胸腔积液及肺充血等症状。[5]

钇化合物对人类可引致肺病。[5]钒酸钇铕飘尘会对人的眼部、皮肤和上呼吸道有轻微的刺激，但这可能是飘尘的钒成分所导致的，而不是钇。[5]短期暴露在大量钇化合物中，会引致呼吸急促、咳嗽、胸部疼痛以及发绀。[5]美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）所建议的允许暴露限值为1 mg/m3，超过500 mg/m3时属于“即时对生命或健康造成危险”。[64]虽然成块的钇金属在空气中相对稳定，但钇金属粉末却属于易燃物。[5]

备注[编辑]

  1. ↑ 参见：幻数。这些原子核的中子捕获截面很低，所以稳定性异常高。脚本错误：没有“Footnotes”这个模块。这些同位素不易发生β衰变，所以拥有较高的丰度。
  2. ↑ 同核异构体亦称亚稳态，其能量比处于基态的原子核更高。亚稳态在释放伽马射线或Template:Tsl之后，才会回到基态。亚稳态以同位素质量数旁的“m”表示。
  3. ↑ “Ytterbite”取自发现地村名“Ytterby”，而“-bite”则是矿物的通用后缀。
  4. ↑ Stwertka 1998, p. 115称加多林在1789年发现该氧化物，但未指何时发布。Van der Krogt 2005引用原文献，并注明1794年加多林著。
  5. ↑ 氧化物名称均以“-a”结尾，而新元素名则一般以“-ium”结尾。
  6. ↑ 铽和铒的名称分别是Terbium和Erbium，但两者的氧化物却分别称为“Erbium”和“Terbium”，拼法相反。
  7. ↑ 钇钡铜氧的超导临界温度（Tc）为93 K，而氮的沸点为77 K。

参考资料[编辑]

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书目[编辑]

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外部链接[编辑]

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