Иттрий
Общие сведения
Иттрий представляет собой химический элемент, атомный номер которого равен тридцати девяти. Данное вещество классифицируется как светло-серебристый редкоземельный переходный металл, по своим структурным характеристикам и химическим свойствам имеющий значительное сходство с лантаном и лантаноидами. Исторически элемент был открыт в 1794 году в Финляндии финским химиком Юханом Гадолином, который выделил его из минерала иттербита. Свое название иттрий получил в честь шведского населенного пункта Иттербю, в районе которого был обнаружен соответствующий минерал. Металлический иттрий, изначально содержавший ряд примесей, был впервые синтезирован в 1828 году. Долгое время получение данного элемента в чистом виде представляло существенную научную и технологическую проблему из-за сложностей его сепарации от сопутствующих лантаноидов, таких как эрбий и тербий, с которыми он неизменно встречается в тесной природной смеси. В современных условиях рыночная стоимость химически чистого иттрия составляет порядка ста восьмидесяти пяти долларов США за килограмм.
Свойства и характеристики
Иттрий является светло-серебристым металлом, который отличается высокой ковкостью и хорошо поддается механической обработке. Температура плавления элемента составляет 1528 градусов Цельсия, а температура кипения достигает 3320 градусов Цельсия, что свидетельствует о его выраженной огнеупорности. Металл обладает уникальным сочетанием физико-механических параметров: его плотность примерно в два раза ниже плотности стали, однако предел прочности на разрыв полностью сопоставим со стальными сплавами, что обеспечивает материалу исключительную удельную прочность. При нахождении на воздухе в стандартных условиях поверхность иттрия покрывается защитной оксидной пленкой, эффективно препятствующей дальнейшему развитию коррозионных процессов. При нагревании до температуры 370 градусов Цельсия и выше на поверхности металла формируется очень плотная оксидная пленка черного цвета. С химической точки зрения иттрий активно вступает во взаимодействие с кислотами, однако демонстрирует инертность по отношению к фтороводороду. В условиях нагревания металл реагирует с галогенами, водородом, азотом, серой и фосфором. Элемент способен образовывать оксид иттрия и соответствующее основание в виде гидроксида. В физике твердого тела известно комплексное соединение иттрия, бария и меди, которое переходит в сверхпроводящее состояние при температуре минус 183 градуса Цельсия и классифицируется как высокотемпературный сверхпроводник. В ядерной физике также выделяют радиоактивный изотоп иттрий-90.
Нахождение в природе
В земной коре иттрий относится к категории редкоземельных металлов и практически всегда сопутствует различным лантаноидам, не образуя обособленных крупных залежей в чистом виде. Основные континентальные месторождения минералов, содержащих значимые концентрации иттрия, расположены на территориях Китая, Австралии, Канады, Соединенных Штатов Америки, Индии, Бразилии и Малайзии. Существенные объемы запасов данного элемента также обнаружены в глубоководных океанических зонах. В частности, крупные скопления иттрия зафиксированы на дне Тихого океана вблизи японского острова Минамитори.
Получение
Технологический процесс выделения чистого иттрия сопряжен с существенными трудностями из-за необходимости его очистки от химически родственных редкоземельных элементов. Выделение осуществляется сложными методами жидкостной экстракции и ионного обмена из полиметаллических минеральных смесей. Для получения иттрия непосредственно в металлическом виде применяются реакции восстановления его галогенидов с использованием лития или других высокоактивных металлов.
Применение
Благодаря своим тугоплавким, прочностным и химическим характеристикам иттрий и его производные находят широкое применение в передовых технологических отраслях. Оксид иттрия используется в качестве высококачественного огнеупорного материала, прочность которого парадоксальным образом возрастает при повышении температуры вплоть до 1000 градусов Цельсия. Из данного оксида изготавливают разливочные стаканы для жидкой стали, а также специализированные тигли для плавки высокоактивных радиоактивных металлов, таких как уран и плутоний. Хромит иттрия задействуется при создании высокотемпературных нагревателей сопротивления. Твердый раствор диоксида тория в оксиде иттрия, получивший название итролокс, представляет собой прозрачную стеклоподобную керамику, пропускающую инфракрасное излучение, которая используется в оптических системах ракетной техники и для создания смотровых окон высокотемпературных печей. Теллурид иттрия применяется в качестве эффективного термоэлектрического материала в генераторах с повышенным коэффициентом полезного действия. Добавление иттрия в различные металлические сплавы, в частности в систему никель-хром, радикально повышает их огнеупорность. Легирование алюминия иттрием способствует увеличению его электропроводности. Сплавы на основе иттрия характеризуются высокой устойчивостью к воздействию расплавленных ядерных компонентов, в связи с чем рассматривается их потенциальное применение в ядерных ракетных двигателях. Нанесение иттриевых покрытий на металлические детали позволяет повысить их износостойкость в 500 раз по сравнению с традиционной технологией хромирования. В аэрокосмической промышленности востребован бериллид иттрия, признанный одним из лучших конструкционных материалов благодаря сочетанию высокой удельной прочности и температуры плавления. Тетраборид иттрия служит базовым материалом для изготовления управляющих стержней атомных реакторов, а ортотанталат иттрия необходим для производства специализированных рентгеноконтрастных покрытий. Иттрий-алюминиевые гранаты широко и эффективно применяются в современной лазерной технике, а также используются в ювелирном деле. Элемент также задействуется при проведении дуговой сварки и в процессах синтеза люминофоров. Радиоактивный изотоп иттрий-90 внедрен в медицинскую практику и успешно используется при терапии онкологических заболеваний.