Мировой рынок иттрия.

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.

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.

Остров Руслаген – один из многочисленных островков на Балтике близ столицы Швеции Стокгольма – знаменит тем, что здесь находится городок Иттербю, название которого отражено в именах четырех химических элементов – иттрия, иттербия, тербия и эрбия. 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» – эрбии (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.

С позиции 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 выделения иттрия (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.

Ближайший аналог лантаноидов

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

Иттрий 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, иттрий 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 торцевых 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 «крупноатомными» элементами (радиус ионов 0,8...1,2 Å).

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 и некоторые минералы самого иттрия, прежде всего бастнезит. Но во всех случаях извлечение этого металла – дело трудное и долгое.

Вот как, к примеру, получают иттрий из ксенотима.

Казалось бы, просто. Формула минерала – YPО 4 . Давно известно, что лучше всего восстанавливать иттрий 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 обогащенном 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.

Чтобы «смыть» иттрий 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.

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.

От окисла к металлу

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

Y 2 О 3 + 6HF →(700°C)→ 2YF 3 + 3H 2 О.

Шлак легко откалывается, и остается слиток иттрия чистотой до 99%. Примесь кальция без труда удаляется вакуумной переплавкой; трудное 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 своиствах 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 стабильныи 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 элементарного 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.

Не только перспективы

Иттрий долго ходил в «перспективных». Еще в книгах, изданных в начале 60-х годов нашего 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 иттрий 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 иттрий применен в конструкции атомного реактора.

Но по каждой отдельно взятой характеристике иттрий 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.

Появились и первые «сигналы» 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.

Попутно извлеченный

Собственно иттриевые минералы (20...30% Y 2 O 3 ,) – ксенотим Y 2 PO 4 , фергюсонит Y 2 Si 2 O 4 , эвксентит YNbTiO 6 , таленит Y 2 Si 2 O 7 и другие – слишком редки, чтобы считаться реальным источником элемента №39 в будущем. Будущее иттрия во многом зависит от того, насколько успешно будет решена проблема комплексного использования горно-химического сырья. Многие тысячи тонн иттрия и других редкоземельных металлов можно будет получать, в частности, из фосфоритов Каратау и хибинского апатита. А поскольку иттрий предполагается извлекать попутно (из некоторых минералов его уже получают в процессе комплексной переработки), он будет становиться все доступнее и дешевле. Уже сейчас за рубежом расходуют более 100 т иттрия в год, и почти весь этот иттрий попутно извлеченный.

Минерал гагаринит

Сравнительно недавно, в 1961 г., советские минералоги А.В. Степанов и Э.А. Северов обнаружили в Казахстане скопления неизвестного ранее иттрийсодержащего минерала. Он был назван гагаринитом в честь первого космонавта. Анализ, выполненный А.В. Быковой, показал, что минерал представляет собой щелочной фторид кальция и иттрия. Всестороннее кристаллохимическое исследование гагаринита, предпринятое А.А. Воронковым, Ю.А. Пятенко и Н.Г. Шумяцкой, привело к полной расшифровке структуры минерала: его формула NaYCaF 6 . Один из первых образцов гагаринита – крупные светло-желтые шестигранные кристаллы – первооткрыватели подарили Юрию Алексеевичу Гагарину. Сейчас друзу гагаринита можно увидеть в Минералогическом музее АН СССР им. А.Е. Ферсмана.

Иттрий и цветное телевидение

Развитию массового производства цветных телевизоров долго препятствовала исключительная сложность получения светящихся покрытий для их экранов. Люминофоры трех цветов нужно нанести так, чтобы луч каждой из трех электронных пушек возбуждал лишь частицы одного цвета. А ведь частицы эти – их на экране более миллиона – должны быть рационально «перемешаны». Отсюда масса требований к веществам, дающим цветное свечение экрана. Сейчас за рубежом чаще всего применяют красные люминофоры на основе соединений иттрия. Японские специалисты используют окись иттрия, активированную европием, в других странах распространен ванадиевокислый иттрий, опять-таки активированный европием. Для выпуска миллиона трубок цветных телевизоров нужно, по японским данным, примерно 5 т чистой окиси иттрия. Так что цветное телевидение становится еще одним довольно крупным потребителем элемента №39.

Иттрий и керамика

Несколько лет назад разработан новый жаропрочный материал циттрит. Это мелкозернистая циркониевая керамика, стабилизированная иттрием. Она обладает минимальной теплопроводностью и сохраняет свои свойства до 2200°C. Другой керамический материал, известный под названием иттрий-локс, – твердый раствор двуокиси тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, и, кроме того, он хорошо пропускает инфракрасное излучение. Поэтому его можно использовать для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также вставлять в смотровые «глазки» высокотемпературных печей. Плавится иттрийлокс лишь при 2204°C.

Пятнадцать против одного

На один стабильный изотоп иттрия 89 Y приходятся пятнадцать радиоактивных с массовыми числами от 82 до 97 и периодами полураспада от минуты до 105 дней. Некоторые из этих изотопов образуются при спонтанном делении ядер урана. Именно поэтому в таблице Менделеева указано, что атомная масса природного иттрия равна 88,905, а не ровно 89. Наиболее изучен радиоактивный иттрий-91, образующийся, в частности, при ядерных взрывах. Наряду со стронцием-90 этот изотоп считается одним из наиболее опасных продуктов распада. Опасен и дочерний продукт стронция-90 – иттрий-90. Эти изотопы накапливались в мировом океане в результате экспериментальных ядерных взрывов и захоронения на океанском дне радиоактивных отходов. Ученые считают, что они стали причиной существенного уменьшения рыбных запасов мирового океана.

Иттрий

И́ТТРИЙ -я; м. Химический элемент (Y), редкоземельный металл (применяется как легирующая добавка ко многим сплавам).

◁ И́ттриевый, -ая, -ое.

и́ттрий

(лат. Yttrium), химический элемент III группы периодической системы, относится к редкоземельным элементам. Назван по минералу иттербиту (гадолиниту), найденному около селения Иттербю в Швеции (как и тербий, эрбий, иттербий). Металл; плотность 4,45 г/см 3 , t пл 1528°C. Легирующая добавка ко многим сплавам, конструкционный материал для ядерных реакторов. Иттриевые гранаты применяют в радиоэлектронике, как лазерные материалы.

ИТТРИЙ

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "иттрий" в других словарях:

иттрий - иттрий, я … Русский орфографический словарь

- (греч.). Металл группы алюминия в виде мелких, темно серых, блестящих чешуек. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ИТТРИЙ греч. Металл в виде мелких, темносерых, блестящих пластинок. Объяснение 25000… … Словарь иностранных слов русского языка

Y (от назв. селения Иттербю, Ytterby, в Швеции * a. yttrium; н. Ittrium; ф. yttrium; и. itrio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 39, ат. м. 88,9059; относится к редкоземельным элементам. B природе один… … Геологическая энциклопедия

Современная энциклопедия

- (символ Y), серебристо серый металлический элемент III группы периодической таблицы. Впервые выделен в 1828 г. Встречается наряду с элементами группы ЛАНТАНОИДОВ в монацитовых песках, в минералах бастнезите и гадолините; сходен с лантаноидами по… … Научно-технический энциклопедический словарь

Иттрий - (Yttrium), Y, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 39, атомная масса 88,9059; относится к редкоземельным элементам; металл. Иттрий открыт финским химиком Ю. Гадолином в 1794, впервые получен немецким химиком Ф.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (лат. Yttrium) Y, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 39, атомная масса 88,9059, относится к редкоземельным элементам. Назван по минералу иттербиту (гадолиниту), найденному около селения Иттербю в Швеции (как и… … Большой Энциклопедический словарь

- (Yttrium), Y, редкоземельный хим. элемент III группы периодич. системы элементов, ат. номер39, ат. масса 88,9059. В природе представлен стабильным 89Y. Электронная конфигурация двух внеш. оболочек 4s2p6d15s2. Энергии последоват. ионизации… … Физическая энциклопедия

ИТТРИЙ

1. Иттрий металлический

Физические и химические свойства

Иттрий — светло-серый металл. Температура плавления около 1500°С, плотность 4,47 г/см 3 , твердость по Бринеллю 628 МПа, модуль упругости 66 ГПа, модуль сдвига 264 ГПа, коэффициент Пуассона 0,265, коэффициент сжимаемости 26,8.10 -7 см 2 /кг. По своим механическим свойствам он напоминает алюминий. Легко поддается механической обработке.

Иттрий легко растворяется в минеральных кислотах. В кипящей воде он постепенно окисляется, 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.

Хранение

В нормальной атмосфере иттрий весьма устойчив, он лишь слегка тускнеет, но никогда не теряет металлический блеск. Иттрий окисляется при более высокой температуре. С иттриевыми стружками следует обращаться осторожно, так как при нагревании они энергично сгорают. В атмосфере водяного пара при 750°C иттрий покрывается окисной пленкой, предохраняющей металл от дальнейшего окисления.

Производство

Как и многие лантаноиды, иттрий относится к числу довольно распространенных металлов. По данным геохимиков, содержание иттрия в земной коре 0,0028% - это значит, что элемент входит в число 30 наиболее распространенных элементов Земли.

Свыше ста минералов содержат иттрий. Среди них есть собственно иттриевые - ксенотим, фергюсонит, эвксенит, таленит и другие, промышленное значение имеют только ксенотим и эвксенит.

Главнейшие месторождения иттрия расположены в КНР, США, Канаде, Австралии, Индии, Малайзии, Бразилии. Китай является основным мировым поставщиком иттрия. Промышленное месторождение иттрия и иттриевых редких земель (тяжелых лантаноидов) имеется в Киргизии.

Извлечь чистый иттрий из руды чрезвычайно трудно. Мешает сходство с другими редкими землями.

Процесс переработки руд на иттрий и редкоземельные элементы, разработанный Спеллингом и Лоуэллом, заключается в следующем. Исходный ксенотим вскрывают путем обработки серной кислотой при высокой температуре. Полученный после такой обработки раствор подают на колонки с катионообменной смолой. Для их элюирования применяют раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты. Иттрий и редкоземельные элементы содержатся в разных фракциях элюата. Их осаждают из этих фракций в виде оксалатов и прокаливают до окисей.

Универсальный способ получения совершенно чистых редкоземельных металлов и иттрия заключается в восстановлении безводных фторидов кальцием. Безводные фториды редкоземельных металлов получают либо фторированием окислов безводным фтористым водородом при 575°С, либо прокаливанием фторидов, осажденных из водных растворов плавиковой кислотой, либо же сплавлением окислов редкоземельных металлов с бифторидом аммония.

Безводный фторид смешивают с порошком металлического кальция, Танталовый тигель с загрузкой нагревают в атмосфере аргона, пока не начнется реакция. По завершении реакции и редкоземельный металл, и шлак (фторид кальция) должны находиться в расплавленном состоянии.

Полученный таким способом иттрий кальциетермический по содержанию контролируемых примесей должен удовлетворять требованиям и нормам ТУ 48-4-208-72:

Марка
Марка	Сумма гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия	железо	кальций	медь	Тантал, вольфрам (в зависимости от материала аппаратуры)
ИтМ-1	0,10	0,01	0,01	0,03	0,02
ИтМ-2	0,20	0,02	0,03	0,05	0,20
ИтМ-3	0,50	0,05	0,05	0,10	0,30
ИтМ-4	2,80	0,05	0,50	0,10	0,70
ИтМ-5	3,80	0,05	1,60	0,10	1,00

Применение металлического иттрия

Сплавы иттрия

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/мм). Очень важным качеством, как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается пленкой оксида и нитрида предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C .

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

Изучается перспективный магнитный сплав - неодим -иттрий-кобальт .

Легирование

Иттрий широко используется в черной и цветной металлургии.

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 громадное экономическое значение.

Введение незначительных количеств иттрия в сталь делает ее структуру мелкозернистой, улучшает механические, электрические и магнитные свойства. При добавлении небольших количеств иттрия (десятые, сотые доли процента) в чугун, твердость его возрастет почти вдвое, а износостойкость - в четыре раза. Такой чугун становится менее хрупким, по прочностным характеристикам он приближается к стали, легче переносит высокие температуры. И особенно важно, что иттриевый чугун можно переплавлять несколько раз, но прочностные характеристики при этом сохраняются.