ストロンチウム - イットリウム - ジルコニウム Sc Y Lu 周期表 外見 銀白色 一般特性 名称, 記号, 番号 イットリウム, Y, 39 分類 遷移金属 族, 周期, ブロック 3, 5, d 原子量 88.90585 g·mol−1 電子配置 Kr 4d1 5s2 電子殻 2, 8, 18, 9, 2 (Image) 物理特性 密度 (室温付近) 4.472 g·cm−3 融点での液体密度 4.24 g·cm−3 融点 1799 K, 1526 °C, 2779 °F 沸点 3609 K, 3336 °C, 6037 °F 融解熱 11.42 kJ·mol−1 蒸発熱 365 kJ·mol−1 熱容量 (25 °C) 26.53 J·mol−1·K−1 蒸気圧 圧力(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温度(K) 1883 2075 (2320) (2627) (3036) (3607) 原子特性 酸化数 3, 2, 1 (弱塩基性酸化物) 電気陰性度 1.22 (ポーリングの値) イオン化エネルギー 第1： 600 kJ·mol−1 第2： 1180 kJ·mol−1 第3： 1980 kJ·mol−1 原子半径 180 pm 共有結合半径 190±7 pm その他 結晶構造 六方最密充填構造 (HCP) 磁性 常磁性[1] 電気抵抗率 (r.t.) (α, poly) 596 nΩ·m 熱伝導率 (300 K) 17.2 W·m−1·K−1 熱膨張率 (r.t.) (α, poly) 10.6 µm/(m·K) 音の伝わる速さ (微細ロッド) (20 °C) 3300 m/s ヤング率 63.5 GPa 剛性率 25.6 GPa 体積弾性率 41.2 GPa ポアソン比 0.243 ブリネル硬度 589 MPa CAS登録番号 7440-65-5 最安定同位体 詳細はイットリウムの同位体を参照 同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP 87Y syn 3.35 d ε - 87Sr γ 0.48, 0.38D - 88Y syn 106.6 d ε - 88Sr γ 1.83, 0.89 - 89Y 100% 中性子50個で安定 90Y syn 2.67 d β− 2.28 90Zr γ 2.18 - 91Y syn 58.5 d β− 1.54 91Zr γ 1.20 - 表・話・編・歴 イットリウム (英: yttrium) は原子番号 39 の元素で、元素記号はYである。銀光沢のある遷移金属であり、ランタノイドと化学的性質が似ているので、慣例で希土類元素に分類されている[2]。他のランタノイドと同じく希土類鉱物中に存在し、天然に単体としては存在しない。唯一の安定同位体 89Y のみ天然に存在する。 1787年に Carl Axel Arrhemois がスウェーデンのイッテルビーの近くで未知の鉱物を発見し、町名に因んでガドリナイトと名づけた[3]。ヨハン・ガドリンは Arrhenius の見つけた鉱物からイットリウムの酸化物を発見し、アンデルス・エーケベリはそれをイットリアと名づけた。単体のイットリウムは1828年にフリードリヒ・ヴェーラーにより初めて単離された[4]。イットリウムの最も重要な応用先は蛍光体であり、その赤色蛍光体はテレビのブラウン管ディスプレイや LED に用いられている[5]。ほかには電極、電解質、電気フィルタ、レーザー、超伝導体などに応用され、医療技術にも応用されている。イットリウムは生理活性物質ではないが、人間がイットリウム化合物にさらされると肺を患う可能性がある[6]。 目次 1 特徴 1.1 性質 1.2 ランタノイドとの類似点 1.3 化合物と化学反応 1.4 元素合成と同位体 2 歴史 3 産出 3.1 存在量 3.2 生産 4 応用 4.1 全般 4.2 ガーネット 4.3 添加剤 4.4 医療 4.5 超伝導体 5 危険性 6 脚注 6.1 注釈 6.2 参考文献 6.3 出典 編集 特徴 編集 性質 イットリウムは軟らかく、銀白色の第3族遷移金属である。周期律から予想されるとおり、同じ第3族で第4周期のスカンジウムより電気陰性度が小さい。また、周期表で隣のジルコニウムよりも電気陰性度のほうが小さい[7][8]。普通の単体は空気中で比較的安定であるが、これは酸化イットリウム、Y2O3 の膜が金属表面で生成することで、不動態化するためである。水蒸気で 750 °C 付近まで加熱されると、この膜は厚さ 10 µm にまで達することがある[9]。ところが、非常に純度が高い単体では、逆に空気に対して不安定となり、粉末状のイットリウムは 400 °C で自然発火する。単体を 1,000 °C まで加熱すると、窒化イットリウム、YN が生成する[9]。 編集 ランタノイドとの類似点 イットリウムとランタノイド元素は非常に似ていて、これらは慣例で希土類元素として同じグループに分類されている[2]。よってこれらは常に希土類鉱物（英語）中に同時に見出される[10]。 イットリウムは、スカンジウムなどの周期表で近所の元素よりも、ランタノイド元素に性質が似ている[11]。もし物理的性質だけに着目すれば、イットリウムの原子番号は 64.5-67.5 に相当する。これはランタノイドのガドリニウムとエルビウムの間である[12]。 また反応次数もほぼ同じであり[9]、テルビウムやジスプロシウムと化学反応性が似ている[5]。原子半径やイオン半径もランタノイドと似てるので、重希土のイオンはイットリウム族と呼ばれることすらある[9][13]。原子半径の類似性はランタノイド収縮で説明できる[14]。 注目すべき一つの相違点は、イットリウムはもっぱら +3の原子価しか取らないが、およそ半数のランタノイド元素は +3 価以外の原子価も取れることである[9]。 編集 化合物と化学反応 「Category:イットリウムの化合物」も参照 3 価の遷移金属として、イットリウムはさまざまな無機化合物を形成し、たいてい3つの価電子を全て結合に使うため酸化数は+3である[15]。酸化イットリウム (Y2O3) が代表的な化合物であり、6本の配位結合をもつ白色固体である[16]。 イットリウムは水に溶けないフッ化物、水素化物、シュウ酸塩を作るが、その臭化物、塩化物、ヨウ化物、窒化物、硫化物はすべて水に溶ける[9]。Y3+イオンは、d軌道とf軌道が空であるので、その溶液は無色である[9]。 水と容易に反応して Y2O3 を生成する[10]。濃硝酸やフッ化水素酸との反応性は高くないが、その他の強酸とは容易に反応する[9]。 200 °C 以下でハロゲンと反応してフッ化イットリウム (YF3)、塩化イットリウム (YCl3)、臭化イットリウム (YBr3) などのハロゲン化物を作る[6]。同様に、適当な高温のもとで、イットリウムは炭素、リン、セレン、ケイ素、硫黄などと反応し、二成分化合物（英語）をつくる[9]。 炭素-イットリウム結合を持つ化合物を、有機イットリウム化合物（英語）という。これらの化合物の中で、酸化数0のイットリウムが知られている[17][18]。[注 1]いくつかの三量体の合成反応で、有機イットリウム化合物が触媒の役割を担っていることが観察された[18]。これらの化合物は YCl3 を出発物質として使い、次に Y2O3 と濃縮した塩酸や塩化アンモニウムを代わる代わる使っていた[21][22]。 ハプト数とは、隣接する配位子が、どのように中心原子へ配位結合しているかを表すもので、これはギリシャ文字のイータ η で示される。最初に見つかったイットリウム錯体は、d0金属原子にハプト数 η7 でカルボランが配位したものである[18]。炭素インターカレーション化合物（英語）のグラファイト-Y またはグラファイト-Y2O3 の気化により、Y@C82 のような原子内包フラーレン（英語）が生成する[5]。電子スピン共鳴による研究で、Y+3 や (C82)3- のイオン対の生成が認められた[5]。また、Y3、Y2、YC2 などの炭化物を水素化することで炭水化物をつくれる[9]。 編集 元素合成と同位体 詳細は「イットリウムの同位体」を参照 太陽系内のイットリウムは恒星内元素合成により作られ、約72%が s過程、約28%が r過程により作られた[23]。r過程は、超新星爆発に伴う軽い元素による中性子捕獲がメインであり、s過程は脈動赤色巨星の内側での、遅い中性子捕獲である[24]。 ミラは太陽系内のほとんどのイットリウムを作った赤色巨星のうちの1つである。 イットリウムの同位体はウラン核分裂反応の主要生成物である。この点において、最も重要なイットリウム同位体は 91Y、90Y であり、それぞれの半減期は58.1日、64時間である[25]。前者は分裂により直接に生成するが、後者は短い半減期を持ちながら、29年の長い半減期を持つ親核種のストロンチウム-90(9038Sr)と平衡状態になる。 全ての第3族元素は奇数個の陽子を持つので、安定同位体が少ない[7]。イットリウムでは 89Y のみが安定同位体であり、これは天然に存在する。89Y の存在度はかなり高いと考えられている。他の過程で作られた同位体が電子放出（中性子→陽子）で崩壊するための十分な時間を、s過程が提供することが理由の1つに挙げられる[24][注 2]。そのような遅い過程は、質量数（A = 陽子 + 中性子）が90、138、208付近のものを好む。このときの中性子数はそれぞれ50、82、126であり、異常に原子核が安定になる[24][注 3][4]。89Y の質量数は90に近く、中性子数は50である。 少なくとも32のイットリウムの人工放射性同位体が確認されていて、質量数は76から108にわたる[25]。最も不安定な同位体は半減期 150 ns の 106Y であり、その次に半減期 200 ns の 76Y である。最も安定なものは半減期106.626日の 88Y である[25]。また、91Y、87Y、90Yの半減期はそれぞれ58.51日、79.8時間、64時間である。その他の同位体の半減期は全て1日以内であり、そのほとんどが1時間以内である[25]。 質量数88以下のイットリウム同位体は、主にβ+崩壊（陽子→中性子）によりストロンチウム(Z = 38)同位体になる[25]。質量数90以上のイットリウム同位体は、主にβ-崩壊（中性子→陽子）によりジルコニウム(Z=40)同位体になる[25]。また、質量数97以上の同位体ではβ-崩壊が中性子放出を遅らせることも知られている[26]。 質量数78-102の準安定同位体が少なくとも20個知られている[25][注 4]。さまざまな励起状態が 80Y と 97Y で確認されている。[25]ほとんどのイットリウム同位体は、基底状態より不安定であると予想されるが、78mY、84mY、 85mY、96mY、98m1Y、100mY、102mY は基底状態のものより長い半減期を持つ。その理由は、これらの同位体は同位体転移よりむしろβ崩壊によって崩壊するからである[26]。 編集 歴史 1787年、軍隊中尉のかたわら化学者をしていた Carl Axel Arrheniius は、スウェーデンの村イッテルビーの古い石切り場で、重くて黒色の岩石を見つけた。彼はこれを、当時見つかったばかりのタングステンが含まれる、未知の鉱物だと考え[27]、これをイッテルバイトと名づけた[注 5]。さらなる分析のため、そのサンプルが大勢の化学者に送られた[3]。 ヨハン・ガドリン はイットリウムの酸化物を発見した。 1789年、ヨハン・ガドリンは University of Åbo で Arrhenius のサンプルから新たな酸化物を発見し、1794年、完全な分析結果を発表した[28]。1797年、アンデルス・エーケベリはこれを確認し、新たな酸化物をイットリア (yttria)と名づけた[29]。数十年後、アントワーヌ・ラヴォアジエによる元素の近代的定義により、イットリアから見つかった元素はイットリウム (yttrium)と名づけられた。 1843年、Carl Gustav Mosander はイットリアから、白色の酸化イットリウム、黄色の酸化テルビウム(III,IV)（ややこしいことに、当時これは「エルビア」と呼ばれていた）、薔薇色の酸化エルビウム（これは「テルビア」と呼ばれていた）を見つけた[30]。4つ目の酸化物、酸化イッテルビウムは1878年、ジャン・マリニャックにより単離された[31]。その後、新たな元素が単体として、これらの酸化物から単離された[32]。さらに数十年後、7つの新たな金属がガドリンのイットリアから見つかった[3]。イットリアは1つの酸化物ではなく鉱物であることがわかったので、Martin Heinrich Klaproth はガドリンを称え、これをガドリナイトと名づけ直した[3]。 金属イットリウムは1828年、フリードリヒ・ヴェーラーが無水塩化イットリウムとカリウムを熱したときに初めて単離された[33]。 YCl3 + 3 K → 3 KCl + Y 元素記号は、1920年代初頭までYtが使われていたが、のちにYが使われるようになった[34]。 1987年に、イットリウム・バリウム・銅酸化物（英語）) が高温超電導を示すことが発見された。この性質を示す物質としては2番目に見つかったもので[35]、窒素の沸点以上で超電導を示す物質としては、初めての見つかったものである[注 6]。 編集 産出 ゼノタイムの結晶はイットリウムを含んでいる。 編集 存在量 イットリウムはほとんどの希土類鉱石から見つかり[8]、いくつかのウラン鉱石からも見つかるが、単体としては決して見つからない[36]、これは28番目に高く、銀の400倍である[37]。土壌からは10-150ppmの濃度（乾燥質量の平均で23ppm）で見つかり、海水中には9ppt ほど含んでいる[37]。アポロ計画で採集された月の石は、比較的高い濃度でイットリウムを含んでいた[32]。 イットリウムはたいていの生物に含まれ、人間の肝臓、腎臓、脾臓、肺、骨で濃縮する傾向にある。人体からはふつう0.5mg程度のイットリウムが検出され、母乳には4ppm ほど含まれている[38]。新鮮な食用作物から20～100ppmの濃度で見つかり、キャベツに含まれる量が最大である[38]。樹木の種は700ppm以上含んでいて、知られている中で最大の濃度である[38]。 編集 生産 イットリウムとランタノイド元素の類似性により、ともに同じような過程を経て鉱石中に濃縮される。よって、イットリウムはランタノイド元素と同じ鉱石、すなわち希土類鉱物中で見つかる。軽希土と重希土の間でわずかな分離が存在するが、不完全なものである。原子量が小さいのに、イットリウムは重希土の中で濃縮される[39][40]。 イットリウムのかけら。イットリウムと他の希土類元素を分離するのは難しい。 希土類元素の主な産出源は以下の通り[41] バストネサイト ([(Ce, La, etc.)(CO3)F]) のような鉱石を含む炭酸塩、フッ化物は平均0.1%（希土類元素全体で100%とする）[4][39]のイットリウムと99.9%のほかの16種の希土類元素を含む[39]。バストネサイトの1960年から1990年までの主な産出源はカリフォルニアの Mountain Pass rare earth mine であり、当時のアメリカは最大のレアアース産出国だった[39][41]。 モナザイト ([(Ce, La, etc.)PO4) はほとんどがリン酸塩で、侵食された花崗岩の重力分離や、輸送でつくられた漂砂鉱床（英語）で見つかる。軽希土鉱石としてのモナザイトは2%[39]または3%[42]ほどイットリウム含んでいる。19世紀初めに最大の鉱床がインドとブラジルに見つかり、両国は19世紀半ばまで最大のイットリウムの産出国だった[39][41]。 ゼノタイム（英語）は希土類のリン酸塩で、リン酸イットリウム 、YPO4としてイットリウムを60%以上含む重希土鉱石である[39]。最大の鉱山は中国のBayan Odoであり、1990年代に Mountain Pass mine が閉山して以来、中国は最大の重希土輸出国である[39][41]。 イオン吸収粘土は風化の産物で、1%の重希土を含むグラファイトからなる[39]。鉱石の最終的な濃縮物は、8%以上のイットリウムを含む。イオン吸収粘土のほとんどは華南にある[39][41][43]。イットリウムはサマルスカイト（英語）やフェルグソナイト（英語）中でも見つかる[37]。 イットリウムを他の希土類から分離するのは難しい。混合酸化物である鉱石から、純度の高いイットリウムを得るための1つの方法は、酸化物を硫酸に溶かしてイオン交換クロマトグラフィーにより分別することである。その後シュウ酸を加えると、イットリウムのシュウ酸塩が沈殿する。酸素中で熱することで、シュウ酸塩を酸化物へ変える。これをフッ化水素酸と反応させると、フッ化イットリウムが得られる[44]。 一年あたりの世界の酸化イットリウム生産量は、2001年に600トンに達した。また、世界の保有量は推計で900万トンに上る[37]。毎年わずか数トンの金属イットリウムが、フッ化イットリウムを酸化することにより生産され、カルシウムマグネシウム合金の金属スポンジに利用される。アーク炉内の1,600℃以上の温度でイットリウムは融解する[37][44]。 編集 応用 編集 全般 イットリウムはブラウン管テレビの赤色を作り出す元素の1つである。 Eu3+ イオンをドープされた酸化イットリウム Y2O3、オルトバナジン酸イットリウム YVO4、酸硫化イットリウム Y2O2S は蛍光体として、カラーテレビのブラウン管の赤色をつくっている[4][5][注 7]。イットリウムが電子銃によりエネルギーを集め、それを蛍光体へ渡したとき、ユウロピウムから赤色の電磁波が放出させられる[45]。イットリウム化合物の結晶に、さまざまなランタノイドカチオンがドープさせられる。Eu3+やTb3+は緑色蛍光体のドーパントに使える。 イットリウム化合物はエチレン重合の触媒として使われる[4]。金属として、高性能点火プラグにも使われる[46]。イットリウムはプロパンのガスマントルや、放射性物質であるトリウムの代わりとしてランタンに使われる[47]。高圧水銀灯にも使われる。 研究中の用途として、固体電極や自動車排気システムの酸素センサーに使われる、イットリウムで安定化したジルコニアが挙げられる。 編集 ガーネット 直径0.5cmのNd:YAGレーザーロッド イットリウムはさまざまな人工ガーネット（英語）に使われ[48]、イットリウム・鉄・ガーネット Y3Fe5O12（別名:YIG）は高性能マイクロ波電子フィルタである[4]。イットリウム、鉄、アルミニウム、ガドリニウムのガーネット（Y3(Fe,Al)5O12、3(Fe,Ga)5O12 など）は磁性を持つ[4]。イットリウム・アルミニウム・ガーネットY3A5O12（別名YAG）は 8.5 のモース硬度を持ち、模造ダイヤとして宝石に使われる[4]。セリウムがドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG:Ce)結晶は、白いLEDの蛍光体に使われる[49][50][51]。 YAG、イットリア、フッ化イットリウムリチウム LiYF4、オルトバナジン酸イットリウム YVO4 に、ネオジム、エルビウム、イッテルビウムなどをドープしたものは、近赤外線レーザーに使われる[52][53]。YAGレーザーは高い出力で働き、金属の切削に使われる[42]。ドープ済みの YAG 単結晶は通常チョクラルスキー法で生産される[54]。 編集 添加剤 少量のイットリウム(0.1-0.2%)がクロム、モリブデン、チタン、ジルコニウムの粒径を小さくするのに使われる[55]。アルミニウムやマグネシウムとの合金の強度を増すためにも使われる[4]。合金においてイットリウムを添加すると、性能が上がり、高温で再結晶しにくくなり、なにより高温で酸化されにくくなる[45]。コバルト、鉄との合金は永久磁石として利用される。 イットリウムはバナジウムや非鉄金属を脱酸素するのに使われる[4]。イットリアは宝石に使われる立方晶のジルコニアを安定させるのに使われる[56]。 延性に富むダクタイル鋳鉄の製造の球状化剤として、イットリウムが研究されている[4]。酸化イットリウムは高い融点と持ち、衝撃抵抗と低い熱膨張率を提供するので、セラミックやガラスの製造に使われる[4]。たとえば、多孔性窒化ケイ素生産における焼結添加物や、カメラレンズに使われる[57][37]。酸化イットリウムは物質科学やイットリウム化合物生産の出発物質としてもよく使われる。 編集 医療 放射性同位体イットリウム90はイットリウム90-dota-tyr3-オクトレオチド（英語）やイットリウム90イブリツモマブ・チウキセタン（英語）のような薬に含まれている。この薬は悪性リンパ腫、白血病、子宮、結腸直腸、骨などの癌の治療に用いられている[38]。この薬はモノクローナル抗体に付着し、癌細胞へと結合し、イットリウム90の強烈なβ線で破壊する。[58] イットリウム90による針は、メスよりも正確に切ることができるので、痛みを伝える脊髄神経の切断に使われる[27]。イットリウム90は、関節リウマチなどの患者の、関節の滑膜切除にも使われる[59]。 ネオジムがドープされたYAGレーザーは前立腺切除において使われ、側枝神経や組織へのダメージを減らす効果がある[60]。一方、エルビウムがドープされたものは、化粧肌の付け替えに使われ始めている[5]。 編集 超伝導体 YBCO超伝導体 イットリウム・バリウム・銅酸化物 (YBa2Cu3O7、'YBCO'、'1-2-3')は1987年にアラバマ大学とヒューストン大学で開発された超伝導体である[35]。この超電導体は93Kくらいでその性質を現すが、液体窒素の沸点 (77.1 K)より高いという点で意義深い[35]。液体窒素は液体ヘリウムより安価なのでコストが掛からなくて済む。 実際の超伝導体物質はよく YBa2Cu3O7–d と書かれ、物質が超電導を示すならdは0.7より少なければならない。その理由は未だ不明だが、空孔は結晶中の特定の場所（平面状または鎖状の銅酸化物）にしか発生せず、銅独特の酸化数を上げることが知られていて、これがどうにかわけか超電導性に貢献している。 1957年にいわゆるBCS理論が発表されてから、低温超伝導体の理論はよく理解されるようになった。基礎となるのは結晶中の2電子間の相互作用の独自性である。しかし、BCS理論では高温超電導性を説明できず、正確なメカニズムはいまだ謎である。分かっているのは、超電導性を起こすには銅酸化物の組成を正確にコントロールする必要があるということである[61] 。 YBCOは、黒緑色、多結晶、多相の無機物で、ペロブスカイト構造を基にしている。研究者はペロブスカイトも研究していて、実用的な高温超電導体の開発を目指している[42]。 編集 危険性 水溶性イットリウム化合物はわずかに有害であると考えられているが、不溶性化合物は無害である[38]。動物実験により、イットリウムとその化合物は、多かれ少なかれ肺や肝臓を傷つけることが分かった。ねずみでは、クエン酸イットリウムの吸引により肺水腫になり、塩化イットリウムでは肝臓水種になった[6] 人間がイットリウム化合物にされされると肺を患う可能性がある[6]。バナジン酸イットリウムユウロピウムの塵に曝された労働者の目、肌、呼吸器にわずかな炎症が見つかった。しかしこれはイットリウムというよりバナジウムの影響とみられる[6]。イットリウム化合物にもろに曝されると、息切れ、咳、胸痛、チアノーゼが起こることがある[6]。NIOSH(en)では、許容被曝量(en)は1 mg/m3、IDLH(en)は500 mg/m3を推奨している[62]。イットリウムの塵は引火性である[6]。 編集 脚注 編集 注釈 ^ 塩化物の融解塩で酸化数+2のものが確認されていて[19]、+1のものは気相のクラスター中で見つかっている[20]。 ^ 正確に言うと、電子と反ニュートリノが放出されたときに、中性子が陽子になる。 ^ この安定性は中性子の異常に低い反応断面積によるものだと考えられている(Greenwood 1997, pp. 12–13)。このような質量数を持つ同位体において、電子放出はあまり起こらなくなり、結果、高い存在度が実現する ^ 準安定同位体は安定同位体より高いエネルギー状態にあり、この状態はガンマ線や転換電子を放出するまで続く。これらは同位体の質量数の横に'm'と書かれることで示される。 ^ イッテルバイト (Ytterbite) は発見された場所の近くの村 (Ytterby) の名前に由来し、語尾の -ite は鉱物であることを示している。 ^ YBCO の超伝導転移温度は93Kで、窒素の沸点は77Kである。 ^ Emsley 2001のp.497によると、「ふつうはユウロピウム(III)をドープされた酸硫化イットリウムがカラーテレビの赤色成分として使われている。」 編集 参考文献 Daane, A. 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