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イットリウムは化学元素であり、記号はY、原子番号は39です。銀白色の金属遷移金属で、化学的にはランタノイドに似ており、希土類元素に分類されることが多いです。[ 9 ]イットリウムは希土類鉱物中ではほぼ常にランタノイド元素と結合して存在し、自然界では単体として存在することはありません。89Yは唯一の安定同位体であり、地殻中に存在する唯一の同位体です。
イットリウムの現在最も重要な用途は、蛍光体、特にLEDに使用される蛍光体の成分としてです。歴史的には、かつてはテレビのブラウン管ディスプレイの赤色蛍光体に広く使用されていました。[ 10 ]イットリウムは、電極、電解質、電子フィルター、レーザー、超伝導体、さまざまな医療用途の製造、およびさまざまな材料の特性を向上させるためのトレーサーとしても使用されています。
イットリウムには既知の生物学的役割はありません。イットリウム化合物への曝露は、ヒトに肺疾患を引き起こす可能性があります。 [ 11 ]
この元素は、化学者カール・アクセル・アレニウスが1787年に初めて発見した鉱物イッテルバイトにちなんで名付けられました。[ 12 ]彼は、この鉱物が発見されたスウェーデンのイッテルビー村にちなんでこの鉱物に名前を付けました。後にイッテルバイトに含まれる化学物質の1つが、それまで未確認だった元素であることが判明したため、この元素は鉱物にちなんでイットリウムと名付けられました。
イットリウムは、第3族に属する、柔らかく銀白色で光沢があり結晶性の高い遷移金属です。周期律の傾向から予想されるように、同族の先行元素であるスカンジウムよりも電気陰性度が低く、第5周期の次の元素であるジルコニウムよりも電気陰性度が低いです。[ 13 ]しかし、ランタノイド収縮のため、同族の後継元素であるルテチウムよりも電気陰性度が低いです。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]イットリウムは、第5周期の最初のdブロック元素です。
純粋な元素は、保護酸化物（Y）の不動態化により、バルク状態では空気中で比較的安定している。2 O3 ) 表面に形成される膜。この膜は、イットリウムを水蒸気中で750℃に加熱すると、厚さ10μmに達することがあります。[17]しかし、細かく粉砕されたイットリウムは空気中で非常に不安定で、金属の削りくずや旋削片は、400℃を超える温度で空気中で発火する可能性があります。[ 18 ]金属を窒素中で1000℃窒化イットリウム（YN）が形成されます。 [ 17 ]
イットリウムとランタノイドの類似性は非常に強く、この元素は希土類元素としてランタノイドとグループ化されており、[ 9 ]常に希土類鉱物中にランタノイドとともに自然界で発見されています。[ 19 ]化学的には、イットリウムは周期表で隣り合うスカンジウムよりもランタノイドによく似ており、[ 20 ]物理的性質を原子番号に対してプロットすると、見かけ上の値は64.5から67.5となり、ランタノイドのガドリニウムとエルビウムの間に位置することになります。[ 21 ]
反応次数に関しても同じ範囲に収まることが多く、[ 17 ]化学反応性においてテルビウムやジスプロシウムに似ている。 [ 10 ]イットリウムは、いわゆる「イットリウム族」と呼ばれる重いランタニドイオンとサイズが非常に近いため、溶液中ではそれらの1つであるかのように振る舞う。[ 17 ] [ 22 ]ランタニドは周期表でイットリウムより1つ下の行にあるが、原子半径の類似性はランタニド収縮に起因する可能性がある。[ 23 ]
イットリウムの化学とランタニドの化学の顕著な違いの1つは、イットリウムはほぼ完全に3価であるのに対し、ランタニドの約半分は3以外の価数を持つことができることです。ただし、15のランタニドのうち、水溶液中でこれらの他の価数が重要なのは4つだけです（Ce IV、Sm II、Eu II、およびYb II）。[ 17 ]
三価遷移金属であるイットリウムは、その3つの価電子すべてを放出することで、一般的に+3の酸化状態にある様々な無機化合物を形成する。[ 24 ]良い例として、酸化イットリウム(III)（Y）が挙げられる。2 O3）、別名イットリア、6配位の白色固体。 [ 25 ]
イットリウムは水に不溶性のフッ化物、水酸化物、シュウ酸塩を形成するが、臭化物、塩化物、ヨウ化物、硝酸塩、硫酸塩はすべて水に溶ける。 [ 17 ] Y 3+イオンは、d および f電子殻に電子がないため、溶液中では無色である。[ 17 ]
水はイットリウムとその化合物と容易に反応してYを生成する。2 O3. [ 19 ]濃硝酸や濃フッ化水素酸はイットリウムを急速に侵食しないが、他の強酸は侵食する。 [ 17 ]
イットリウムはハロゲンと反応して、フッ化イットリウム(III)（YF）などの三ハロゲン化物を形成する。3 )、塩化イットリウム(III)(YCl3）、および臭化イットリウム(III)（YBr3 ) 約200 ℃以上の温度で。 [ 11 ]同様に、炭素、リン、セレン、ケイ素、硫黄はすべて高温でイットリウムと二元化合物を形成する。 [ 17 ]
有機イットリウム化学は、炭素-イットリウム結合を含む化合物の研究である。これらの化合物の中には、イットリウムが酸化状態0であることが知られているものもある。[ 4 ] [ 26 ] （+2の状態は塩化物融液中で[ 27 ]、+1の状態は気相中の酸化物クラスター中で観察されている。 [ 28 ]）有機イットリウム化合物を触媒として用いた三量化反応もいくつか報告されている。[ 26 ]これらの合成ではYClが用いられている。３は出発原料としてY2 O3濃塩酸と塩化アンモニウム。 [ 29 ] [ 30 ]
ハプティシティとは、配位子の隣接する原子群が中心原子に結合した状態を表す用語であり、ギリシャ文字のイータ（η）で示される。イットリウム錯体は、カルボラニル配位子がη7ハプティシティを介して中心金属に結合した錯体の最初の例であった。[ 26 ]グラファイト層間化合物グラファイト-Yまたはグラファイト-Yの蒸発2 O3 はY@C 82などの内包フラーレンの形成につながる。 [ 10 ]電子スピン共鳴3+と (C82)3−イオン対の形成を示した。 [ 10 ]炭化物Y3C、Y2C、および YC2は炭化水素を形成することができる。 [ 17 ]
太陽系におけるイットリウムは恒星核合成によって生成され、その大部分はs過程（約72%）によるものですが、r過程（約28%）によるものもあります。[ 31 ] r過程は、超新星爆発中に軽い元素が中性子を急速に捕獲する過程です。s過程は、脈動する赤色巨星内部で軽い元素が中性子をゆっくりと捕獲する過程です。[ 32 ]
イットリウム同位体は、核爆発や原子炉におけるウランの核分裂で生成される最も一般的な生成物の一つです。 [ 33 ]核廃棄物管理の観点から、イットリウムの最も重要な同位体は、半減期がそれぞれ58 .51日と64時間である91Yと90Yです。[ 34 ] 90Yは半減期が短いものの、半減期が29年の長寿命の親同位体であるストロンチウム90（90Sr ）と恒常平衡状態にあります。[ 18 ]
第3族元素はすべて原子番号が奇数であるため、安定同位体が少ない。[ 14 ]スカンジウムには安定同位体が1つあり、イットリウム自体には安定同位体が89Yのみで、これは自然界に存在する唯一の同位体でもある。しかし、ランタノイド希土類元素には原子番号が偶数の元素と多くの安定同位体が含まれている。イットリウム89は、他のプロセスで生成された同位体が電子放出（中性子→陽子）によって崩壊するのに十分な時間を与えるsプロセスのおかげで、本来よりも豊富に存在すると考えられている。[ 32 ] [ b ]
このようなゆっくりとしたプロセスでは、原子質量数(A = 陽子 + 中性子) が 90、138、208 付近の同位体が優先される傾向があり、これらの同位体はそれぞれ 50、82、126 個の中性子を持つ異常に安定した原子核を持っています。 [ 32 ] [ c ]この安定性は、中性子捕獲断面積が非常に小さいことに起因すると考えられています。[ 32 ]これらの質量数を持つ同位体の電子放出は、この安定性のために単純に少なくなり、結果として存在量が多くなります。[ 18 ] 89Yは質量数が 90 に近く、原子核に 50 個の中性子を持っています。
少なくとも 32 種類のイットリウムの合成同位体が観測されており、これらの原子質量数は76 から 108 の範囲である。 [ 34 ]これらのうち最も不安定なのは半減期25 msの109 Y であり、最も安定なのは半減期 106.629日の88 Y である。[ 35 ]半減期がそれぞれ 58.51日、79.8時間、64時間である91 Y、87 Y、90 Yを除いて、他のすべての同位体の半減期は 1 日未満であり、ほとんどは 1 時間未満である。[ 34 ]
質量数が 88 以下のイットリウム同位体は主に陽電子放出(陽子 → 中性子)により崩壊し、ストロンチウム( Z = 38 ) 同位体を生成する。[ 34 ]質量数が 90 以上であるイットリウム同位体は主に電子放出 (中性子 → 陽子) により崩壊し、ジルコニウム( Z = 40 ) 同位体を生成する。[ 34 ]質量数が 97 以上である同位体は、β −遅延中性子放出のマイナーな崩壊経路も持つことが知られている。[ 36 ]
イットリウムには、質量数が 78 から 102 の範囲にある少なくとも 20 個の準安定 (「励起」) 異性体があります。 [ 34 ] [ d ] 80Yと97Yについては、複数の励起状態が観測されています。[ 34 ]ほとんどのイットリウム異性体は基底状態よりも不安定であると予想されますが、78m、84m、85m、96m、98m1、100m、102mYは、これらの異性体が異性体遷移ではなくベータ崩壊によって崩壊するため、基底状態よりも半減期が長くなります。[ 36 ]
1787年、非常勤化学者であったカール・アクセル・アレニウスは、スウェーデンのイッテルビー村（現在はストックホルム諸島の一部）近くの古い採石場で、重い黒い岩を発見した。[ 37 ]彼は、それが新しく発見された元素タングステンを含む未知の鉱物だと考え、[ 38 ]イッテルバイト[ e ]と名付け、分析のためにさまざまな化学者にサンプルを送った。[ 37 ]
トゥルク王立アカデミーのヨハン・ガドリンは、1789年にアレニウスのサンプルから 新しい酸化物（または「土」）を特定し、1794年に分析を完了して発表した。 [ 39 ] [ f ]アンダース・グスタフ・エケベルグは1797年にその特定を確認し、新しい酸化物をイットリアと命名した。[ 40 ]アントワーヌ・ラヴォアジエが化学元素の最初の近代的な定義を開発してから数十年の間、土は元素に還元できると考えられており、新しい土の発見は、その中の元素の発見と同等であり、この場合はイットリウムであったと考えられていた。[ g ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
フリードリヒ・ヴェーラーは、1828年に塩化イットリウムであると信じていた揮発性塩化物とカリウムを反応させることで、この金属を初めて単離したとされている。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
1843年、カール・グスタフ・モサンダーは、イットリアのサンプルに3つの酸化物が含まれていることを発見した。白色の酸化イットリウム（イットリア）、黄色の酸化テルビウム（紛らわしいことに、当時は「エルビア」と呼ばれていた）、そしてバラ色の酸化エルビウム（当時は「テルビア」と呼ばれていた）である。[ 47 ] [ 48 ] 4番目の酸化物である酸化イッテルビウムは、1878年にジャン・シャルル・ガリサール・ド・マリニャックによって分離された。[ 49 ]その後、これらの酸化物から新しい元素が分離され、それぞれの元素は、発見された採石場の近くの村であるイッテルビーにちなんで、何らかの形で命名された（イッテルビウム、テルビウム、エルビウムを参照）。[ 50 ]その後の数十年間で、「ガドリンのイットリア」からさらに7つの新しい金属が発見された。[ 37 ]イットリアは酸化物ではなく鉱物であることが判明したため、マルティン・ハインリヒ・クラプロートはガドリンに敬意を表してそれをガドリナイトと改名した。[ 37 ]
1920年代初頭までは、この元素には化学記号Ytが使われていましたが、その後Yが一般的に使われるようになりました。[ 51 ] [ 52 ]
1987年、イットリウムバリウム銅酸化物が高温超伝導を実現することが発見された。[ 53 ]これは、この性質を示すことが知られている2番目の物質であり、[ 53 ]窒素の（経済的に重要な）沸点を超える超伝導を実現することが知られている最初の物質であった。[ h ]
イットリウムはほとんどの希土類鉱物[ 15 ]や一部のウラン鉱石に含まれていますが、地殻には遊離元素として存在しません[ 54 ] 。地殻の約31 ppmはイットリウムで[ 10 ] 、 43番目に豊富な元素です[ 55 ]。イットリウムは土壌中に10～150 ppm（乾燥重量平均23 ppm）の濃度で、海水中に9 pptの濃度で存在します[ 55 ]。アメリカのアポロ計画で採取された月の岩石サンプルには、比較的高いイットリウム含有量があります[ 50 ] 。
イットリウムは、ストロンチウムや鉛のように「骨に蓄積されやすい」元素とは考えられていません。[ 56 ]通常、人体全体にはわずか0.5ミリグラム（0.0077グラム）しか存在せず、母乳には4 ppm含まれています。[ 57 ]イットリウムは、食用植物に20 ppmから100 ppm（生重量）の濃度で含まれており、キャベツに最も多く含まれています。[ 57 ]木本植物の種子には、700 ppmもの高濃度が含まれていることが知られています。 [ 57 ]
2018年4月現在 南鳥島（別名マーカス島）という小さな日本の島から数百キロメートル離れた深海底で、非常に大きな希土類元素の埋蔵量が発見されたとの報告がある。 [ 58 ] Scientific Reportsに掲載された研究によると、この場所は希土類元素とイットリウム（REY）に関して「非常に大きな可能性」があるとされている。[ 59 ]「この REY に富む泥は、その膨大な量と有利な鉱物学的特徴から、希土類金属資源として大きな可能性を秘めている」と研究は述べている。この研究によると、1600万ショートトン（150億キログラム）以上の希土類元素が「近い将来に採掘される可能性がある」という。カメラレンズや携帯電話の画面などの製品に使用されるイットリウム（Y）の他に、発見された希土類元素はユーロピウム（Eu）、テルビウム（Tb）、ジスプロシウム（Dy）である。[ 60 ]
イットリウムは化学的にランタニドと似ているため、同じ鉱石（希土類鉱物）に存在し、同じ精製プロセスで抽出されます。[ 61 ]軽希土類元素（LREE）と重希土類元素（HREE）の間にはわずかな区別が認められていますが、その区別は完全ではありません。イットリウムはイオンサイズが大きいため、原子量は小さいものの、HREEグループに集中しています。[ 62 ] [ 63 ]
希土類元素（REE）は主に4つの供給源から得られます。[ 64 ]
混合酸化物鉱石から純粋なイットリウムを得る方法の1つは、酸化物を硫酸に溶解し、イオン交換クロマトグラフィーで分画することです。[ 72 ]シュウ酸を加えると、シュウ酸イットリウムが沈殿します。シュウ酸は酸素下で加熱することにより酸化物に変換されます。得られた酸化イットリウムをフッ化水素と反応させることにより、フッ化イットリウムが得られます。[ 73 ]第四級アンモニウム塩を抽出剤として使用すると、ほとんどのイットリウムは水相に残ります。対イオンが硝酸塩の場合、軽いランタニドが除去され、対イオンがチオシアン酸塩の場合、重いランタニドが除去されます。このようにして、純度99.999%のイットリウム塩が得られます。通常、イットリウムが重ランタニドの2/3を占める混合物中に存在する場合、残りの元素の分離を容易にするために、イットリウムはできるだけ早く除去する必要がある。
酸化イットリウムの年間世界生産量は、2001年までに600トン（660ショートトン）に達し、2014年までに6,400トン（7,000ショートトン）に増加した。[ 55 ] [ 74 ] 2014年の酸化イットリウムの世界埋蔵量は45万トン（50万ショートトン）以上と推定されている。これらの埋蔵量の上位国には、オーストラリア、ブラジル、中国、インド、米国が含まれる。[ 74 ]毎年、フッ化イットリウムをカルシウムマグネシウム合金で金属スポンジに還元することにより、わずか数トンの金属イットリウムが生産される。1,600 ℃を超えるアーク炉の温度は、イットリウムを溶融するのに十分である。 [ 55 ] [ 73 ]
カラーテレビのブラウン管の赤色成分は通常、イットリア（Y）から放出される。2 O3）または硫化イットリウム（Y2 O2 S) ホスト格子にユーロピウム(III) カチオン (Eu3+)蛍光体をドープします。 [ 18 ] [ 10 ] [ i ]赤色自体はユーロピウムから放出され、イットリウムは電子銃て蛍光体に伝達します。 [ 75 ]イットリウム化合物は、さまざまなランタニドをドープするためのホスト格子として使用できます。Tb3+ は、発光を生成するためのドーピング剤として使用できますイットリウムアルミニウムガーネットなどのイットリウム化合物はLEDの重要な構成要素です。 [ 76 ]
イットリウムは多種多様な合成ガーネットの製造に使用され、[ 77 ]イットリアはイットリウム鉄ガーネット（Y3 Fe5 Oイットリウムアルミニウムガーネット（YIG）は、非常に効果的なマイクロ波フィルターです[ 18 ]。イットリウム、鉄、アルミニウム、ガドリニウムガーネット（例：Y3(Fe,Al) 5O12およびY3(Fe,Gd)5O12）は、重要な磁気特性を持っています。[18][78] YIGは、音響エネルギー送信機および変換器としても非常に効率的です。 [ 79 ]イットリウムアルミニウムガーネット（Y3アル5 O12または YAG) は硬度8.5 で、宝石(模造ダイヤモンド) としてもジュエリーに使用されています。 [ 18 ]セリウムLED を作るための蛍光体として使用されています。 [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]
YAG、イットリア、フッ化イットリウムリチウム（LiYF 4）、オルトバナジン酸イットリウム（YVO 4 ）は、近赤外線レーザーにおいて、ネオジム、エルビウム、イッテルビウムなどのドーパントと組み合わせて使用されます。[ 83 ] [ 84 ] YAGレーザーは高出力で動作し、金属の穴あけや切断に使用されます。[ 68 ]ドープされたYAGの単結晶は通常、チョクラルスキー法によって製造されます。[ 85 ]
少量のイットリウム（0.1～0.2％）は、クロム、モリブデン、チタン、ジルコニウムの結晶粒径を小さくするために使用されてきました。[ 86 ]イットリウムは、アルミニウム合金とマグネシウム合金の強度を高めるために使用されます。[ 18 ]合金にイットリウムを添加すると、一般的に加工性が向上し、高温再結晶に対する耐性が高まり、高温酸化に対する耐性が大幅に向上します（下記の黒鉛球状体に関する議論を参照）。[ 75 ]
イットリウムはバナジウムやその他の非鉄金属の脱酸素 に使用できます。[ 18 ]イットリアはジュエリー中のジルコニアの立方晶を安定化させます。[ 87 ]
イットリウムは、延性鋳鉄の球状化剤として研究されており、黒鉛を薄片ではなく緻密な球状に変えることで延性と疲労抵抗性を向上させます。[ 18 ]高い融点を持つ酸化イットリウムは、耐衝撃性と低熱膨張特性を付与するために、一部のセラミックやガラスに使用されています。[ 18 ]これらの特性により、そのようなガラスはカメラレンズにも有用です。[ 55 ]
放射性同位体イットリウム90（90Y）は、リンパ腫、白血病、肝臓がん、卵巣がん、結腸直腸がん、膵臓がん、骨がんなど、さまざまながんの治療薬であるエドトレオチドやイブリツモマブチウキセタンなどの薬剤の標識に使用されます。[ 57 ]これはモノクローナル抗体に付着することで作用し、モノクローナル抗体はがん細胞に結合して、90Yからの強力なβ線照射によってがん細胞を死滅させます（モノクローナル抗体療法を参照）。[ 88 ]
放射線塞栓療法と呼ばれる技術は、肝細胞癌および肝転移の治療に使用されます。[ 89 ]放射線塞栓療法は、 90Yを含むガラスまたは樹脂製の数百万個の微小ビーズを使用する、低毒性の標的型肝癌治療です。放射性マイクロビーズは、特定の肝腫瘍/区域または葉に栄養を供給する血管に直接送達されます。侵襲性が低く、患者は通常数時間後に退院できます。この処置は肝臓全体にわたるすべての腫瘍を排除するものではなく、一度に1つの区域または1つの葉に作用し、複数回の処置が必要になる場合があります。[ 90 ]
肝硬変と肝細胞癌が合併している場合の放射線塞栓療法についても参照のこと。
メスよりも精密に切断できる90Y製の針は、脊髄の痛みを伝える神経を切断するために使用されてきた[ 38 ]。また、90Yは、関節リウマチなどの疾患を持つ人の炎症を起こした関節、特に膝の治療における放射性核種滑膜切除術にも使用されている[ 91 ]。
ネオジム添加イットリウムアルミニウムガーネットレーザーは、犬のロボット支援根治的前立腺摘除術の実験で、神経や組織の損傷を軽減する目的で使用されており[ 92 ]、エルビウム添加レーザーは美容皮膚再生に使用され始めている[ 10 ] 。
イットリウムは、 1987年にアラバマ大学ハンツビル校とヒューストン大学で開発されたイットリウムバリウム銅酸化物（YBa 2 Cu 3 O 7、別名「YBCO」または「1-2-3」）超伝導体の主要成分です。[ 53 ]この超伝導体は、超伝導動作温度が液体窒素の沸点（77.1 K）を超えるため注目に値します。[ 53 ]液体窒素は金属超伝導体に必要な液体ヘリウムよりも安価であるため、応用における運用コストは低くなります。[ 93 ]
実際の超伝導物質は、しばしば YBa 2 Cu 3 O 7– dと表記され、超伝導のためにはd が0.7 未満でなければならない。その理由はまだ明らかではないが、空孔は結晶内の特定の場所、銅酸化物の平面および鎖にのみ発生し、銅原子の特異な酸化状態を生み出し、それが何らかの形で超伝導挙動につながることが知られている。[ 94 ]
2009年、オレゴン州立大学のマス・スブラマニアン教授とその同僚は、イットリウムをインジウムとマンガンと組み合わせることで、鮮やかな青色で無毒、不活性、耐退色性に優れた顔料であるYInMnブルーを形成できることを発見した。これは200年ぶりに発見された新しい青色顔料である。[ 95 ]
イットリアは多孔質窒化ケイ素の製造における焼結助剤として使用される。[ 96 ]
イットリウム化合物はエチレン重合の触媒として使用されます。[ 18 ]金属としてのイットリウムは、一部の高性能スパークプラグの電極に使用されています。[ 97 ]イットリウムは、放射性物質であるトリウムの代替として、プロパンランタンのガスマントルに使用されています。[ 98 ]
イットリウムは、人間、動物、植物に対して非常に毒性が高い可能性があります。[ 11 ] イットリウムの水溶性化合物は軽度の毒性があると考えられていますが、不溶性化合物は無毒です。[ 57 ]動物実験では、イットリウムとその化合物は肺と肝臓に損傷を与えましたが、毒性はイットリウム化合物によって異なります。ラットでは、クエン酸イットリウムの吸入により肺水腫と呼吸困難が引き起こされ、塩化イットリウムの吸入により肝水腫、胸水、肺充血が引き起こされました。[ 11 ]
ヒトがイットリウム化合物に曝露すると、肺疾患を引き起こす可能性があります。[ 11 ]空気中のイットリウムユーロピウムバナジン酸塩粉塵に曝露した作業員は、軽度の目、皮膚、および上気道の刺激を経験しましたが、これはイットリウムではなくバナジウム含有量によって引き起こされる可能性があります。 [ 11 ]イットリウム化合物に急性的に曝露すると、息切れ、咳、胸痛、およびチアノーゼを引き起こす可能性があります。[ 11 ]労働安全衛生局（OSHA）は、職場でのイットリウムへの曝露を8時間の労働日で1 mg/m 3（5.8 × 10 −10 oz/cu in）に制限しています。国立労働安全衛生研究所（NIOSH ）の推奨曝露限界（REL）は、 8時間の労働日で1 mg/m 3 （5.8 × 10 −10 oz/cu in）です。500 mg/m 3 (2.9 × 10 −7 oz/cu in)の濃度では、イットリウムは生命と健康に直ちに危険を及ぼします。[ 99 ]イットリウム粉塵は非常に燃えやすいです。[ 11 ]
イットリウム。
塩化イットリウム。