Yttrium

L'yttrium est un élément chimique, de symbole Y et de numéro atomique 39. L'yttrium est un élément de transition d'apparence métallique, qui possède un comportement chimique proche de celui des lanthanide,...


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Yttrium
StrontiumYttriumZirconium
Sc
  Structure cristalline hexagonale

39
Y
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Y
Lu
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Yttrium, Y, 39
Série chimique Métal de transition
Groupe, Période, Bloc 3, 5, d
Masse volumique 4, 469 g·cm-3 (25 °C) [1]
Couleur Blanc argenté
N° CAS 7440-65-5 [2]
N° EINECS 231-174-8
Propriétés atomiques
Masse atomique 88, 90585 ± 0, 00002 u[1]
Rayon atomique (calc) 180 pm (212 pm)
Rayon de covalence 1, 90 ± 0, 07 Å [3]
Configuration électronique [Kr] 4d1 5s2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 18, 9, 2
État (s) d'oxydation 3
Oxyde Base faible
Structure cristalline Hexagonale
Propriétés physiques
État ordinaire Solide
Point de fusion 1 522 °C [1]
Point d'ébullition 3 345 °C [1]
Énergie de fusion 11, 4 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 363 kJ·mol-1
Volume molaire 19, 88×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 5, 31 Pa
à 1 525, 85 °C
Vitesse du son 3 300 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 22
Chaleur massique 300 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 1, 66×106 S·m-1
Conductivité thermique 17, 2 W·m-1·K-1
Énergies d'ionisation
1re : 6, 2173 eV [1] 2e : 12, 224 eV [1]
3e : 20, 52 eV [1] 4e : 60, 597 eV [1]
5e : 77, 0 eV [1] 6e : 93, 0 eV [1]
7e : 116 eV [1] 8e : 129 eV [1]
9e : 146, 2 eV [1] 10e : 191 eV [1]
11e : 206 eV [1] 12e : 374, 0 eV [1]
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
89Y 100 % stable avec 50 neutrons
Précautions
SIMDUT[4]
B6 : Matière réactive inflammable
B6,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L'yttrium est un élément chimique, de symbole Y et de numéro atomique 39. L'yttrium est un élément de transition d'apparence métallique, qui possède un comportement chimique proche de celui des lanthanide, et classé historiquement parmi les terres rares, avec le scandium et les lanthanides [5]. Dans la nature, il ne se rencontre jamais à l'état natif et se retrouve le plus fréquemment combiné avec des lanthanides dans des minerais de terres-rares. Son seul isotope stable est 89Y. C'est aussi l'unique isotope naturel.

L'yttrium a été découvert en 1789, sous forme d'oxyde, par Johan Gadolin[6] dans un échantillon de gadolinite découvert par Carl Axel Arrhenius. Anders Gustaf Ekeberg baptisa ce nouvel oxyde yttria. Il a été isolé pour la première fois en 1828 par Friedrich Wöhler[7].

L'utilisation principale de l'yttrium est la fabrication de luminophores, tels ceux utilisés dans les téléviseurs à tube cathodiques ou les LEDs[8]. Ses autres applications incluent la production d'électrodes, d'électrolytes, de filtres électroniques, de lasers et de matériaux supraconducteurs, et des applications médicales variées. L'yttrium ne joue aucun rôle biologique connu, mais une exposition peut occasionner des maladies pulmonaires chez l'homme[9].


Histoire

En 1787, Carl Axel Arrhenius, un lieutenant de l'armée et chimiste amateur, découvre une roche noire lourde dans une ancienne carrière proche du village suédois d'Ytterby (aujourd'hui dans l'archipel de Stockholm[6]. Pensant qu'il s'agit d'un minéral inconnu contenant du tungstène, élément qui vient d'être découvert[10], il le baptise ytterbite (d'après le nom du village où il l'a découvert, plus le suffixe -ite pour indiquer qu'il s'agit d'un minéral) et envoie des échantillon à plusieurs chimistes pour des analyses[6].

Johan Gadolin, découvreur de l'oxyde d'yttrium.

Johan Gadolin, de l'université d'Åbo, identifie un nouvel oxyde ou "terre" dans l'échantillon d'Arrhenius en 1789 et publie son analyse complète en 1794 [11]. Ces travaux sont confirmés en 1797 par Anders Gustaf Ekeberg qui baptise le nouvel oxyde yttria[12]. Dans les décennies qui suivent les travaux de Lavoisier, qui a développé la première définition moderne des éléments chimiques, on pense que les terres peuvent être réduites pour obtenir les éléments purs, ce qui veut dire que la découverte d'une nouvelle terre était équivalente à la découverte d'un nouvel élément, qui aurait alors été dans ce cas l'yttrium (on donnait aux oxydes une terminaison en -a ainsi qu'aux éléments en -ium).

En 1843, Carl Gustav Mosander découvre que les échantillons d'yttria de Gadolin contiennent trois oxydes différents : de l'oxyde d'yttrium blanc (yttria), de l'oxyde de terbium jaune (baptisé à l'époque "erbia" ce qui peut prêter à confusion), et de l'oxyde d'erbium rose (baptisé à l'époque "terbia" ce qui peut ici encore prêter à confusion) [13]. En 1878, Jean Charles Galissard de Marignac isole un quatrième oxyde, l'oxyde d'ytterbium [14]. Les nouveaux éléments seront ensuite isolés à partir de chacun de leurs oxydes, et baptisé d'une manière qui rappelle le nom du village "Ytterby" (yttrium, ytterbium, terbium, et erbium) [15]. Au cours des décennies suivantes, sept autres métaux seront découverts dans lyttria de Gadolin[6]. Comme finalement cet yttria n'était pas une terre mais un minéral, Martin Heinrich Klaproth le renomme gadolinite en hommage à Gadolin[6].

L'yttrium métal a été isolé pour la première fois en 1828 par Friedrich Wöhler en chauffant du chlorure d'yttrium anhydre avec du potassium[16], [17] selon la réaction :

YCl3 + 3 K → 3 KCl + Y

Jusqu'aux années 1920, le symbole chimique utilisé pour l'yttrium était Yt, puis le Y s'est vu consacré dans les usages[18].

Caractéristiques

Yttrium, sublimé dendritiques

Propriétés

L'yttrium est un métal mou, d'apparence métallique, appartenant aux éléments du groupe 3 de la classification périodique. Comme attendu de par la périodicité des propriétés, il est moins électronégatif que le scandium et le zirconium, mais plus électronégatif que le lanthane[19], [20]. C'est le premier élément du groupe d de la cinquième période de la classification.

L'yttrium pur est assez stable à l'air sous forme massive du fait de la formation d'une couche de passivation d'oxyde d'yttrium à sa surface. Ce film peut atteindre une épaisseur de 10 micromètres quand il est chauffé à 750°C en présence de vapeur d'eau[21]. Réduit en poudre ou copeaux, l'yttrium n'est pas stable à l'air, et peut s'enflammer spontanément si la température dépasse 400°C[7]. Quand il est chauffé à 1000°C sous azote, il se forme du nitrure d'yttrium YN[21].

Points communs avec les lanthanides

L'yttrium partage tellement de points communs avec les lanthanides qu'historiquement il a été regroupé avec ces éléments parmi les terres-rares[5] et se rencontre toujours dans des minerais de terres-rares dans la nature[22].

Chimiquement, l'yttrium ressemble plus aux lanthanides que son voisin dans la classification périodique le scandium[23]. Si ces propriétés physiques étaient tracées selon le numéro atomique, il aurait alors un numéro apparent entre 64, 5 et 67, 5, qui le placerait entre le gadolinium et l'erbium dans la classification[24].

Sa réactivité chimique est comparable à celle du terbium et du dysprosium[8]. Son rayon atomique est si proche de ceux des terres-rares lourdes qu'en solution il se comporte comme l'une d'entre elles[21], [25]. Quoique les lanthanides soient localisés une ligne en dessous de l'yttrium dans la classification périodique, cette similarité de rayons ioniques s'explique par la contraction lanthanidique [26].

L'une des quelques différences notables entre la chimie des lanthanides et celle de l'yttrium c'est que ce dernier ne se rencontre presque qu'à l'état trivalent, tandis qu'à peu près la moitié des terres-rares peuvent posséder des états de valence différents[21].

Composés de l'yttrium et réactions le mettant en jeu

Comme métal de transition trivalent, l'yttrium forme de nombreux composés inorganiques, le plus souvent à l'état d'oxydation +3, en mettant en jeu ses trois électrons de valence dans des liaisons [27]. C'est le cas par exemple de l'oxyde d'yttium (Y2O3).

L'yttrium se rencontre sous forme de fluorure, d'hydroxyde ou d'oxalate insolubles dans l'eau. Par contre, le bromure, le chlorure, l'iodure, le nitrate et le sulfate sont solubles dans l'eau[21]. L'ion Y3+ en solution est incolore du fait de l'absence d'électrons électron d ou f dans sa structure électronique[21].

L'yttrium réagit vivement avec l'eau pour former de l'oxyde d'yttrium[22]. Il n'est pas attaqué rapidement par l'acide nitrique concentré ou l'acide fluorhydrique, mais l'est par d'autres acides forts[21].

Avec les halogènes, il forme des trihalogénures à des températures de l'ordre de 200°C[9]. Il forme aussi des composés binaires avec le carbone, le phosphore, le sélénium, le silicium et le soufre à températures élevées.

L'yttrium est aussi présent dans des composés organo-métalliques. Un petit nombre sont connus avec l'yttrium au degré d'oxydation 0[28], [29] (le degré +2 a été observé dans des chlorures fondus[30] et l'état +1 dans des clusters d'oxyde en phase gazeuse[31]). Des réactions de trimérisation ont été observées mettant en jeu des organo-yttriens comme catalyseurs[29]. Ces composés ont été obtenus à partir de chlorure d'yttrium, lui même constitué par réaction d'oxyde d'yttrium, d'acide chlorhydrique concentré et de chlorure d'ammonium[32], [33].

Les complexes d'yttrium furent le premier exemple de complexes où des ligands carboranyl sont liés à un ion central en d0 avec une hapticité η7[29].

Occurence

abondance

L'yttrium est présent dans la majorité des minéraux contenant des terres-rares[20], mais aussi dans certains minerais d'uranium, mais ne se rencontre jamais à l'état natif dans la nature[34].

On trouve l'yttrium dans les sables de monazite ( (Ce, La, Th, Nd, Y) PO4) et bastnosite ( (Ce, La, Th, Nd, Y) (CO3) F) . Il est particulièrement complexe à séparer des autres métaux de la même famille auxquels il y est toujours associé. L'yttrium apparaît dans la plupart de minéraux, toujours associé aux autres terres rares :

Ces minerais sont plus ou moins radioactifs.

Les échantillons lunaires collectés au cours du programme Apollo contiennent une quantité notable d'yttrium[15].

L'yttrium est présent dans la croute terrestre à hauteur de 31 ppm[8], ce qui en fait le 28e élément le plus abondant, avec une abondance 400 fois plus élevée que celle de l'argent[35]. On le trouve dans les sols à une concentration de 10 à 150 ppm (moyenne dans les masse à sec de 23 ppm) et dans l'eau de mer à une concentration de 9 ppt[35].

L'yttrium ne joue aucun rôle biologique connu, mais on le rencontre dans la majorité (si ce n'est tous) les organismes, et il se concentre chez l'homme dans le foie, les reins, les poumons, la rate et les os[36]. Il n'y a normalement pas plus de 0, 5 mg d'yttrium dans le corps humain. On le trouve à hauteur de 4 ppm dans le lait maternel[37]. Les plantes comestibles en contienne à des concentrations comprises entre 20 et 100 ppm, les concentrations les plus élevées se rencontrant dans le chou[37]. Les plantes ligneuses possèdent les concentrations d'yttrium les plus élevées connues avec 700 ppm[37].

formation et isotopes

Dans le système solaire, l'yttrium s'est constitué par nucléosynthèse stellaire, surtout par processus S (≈72%) et minoritairement par processus R (≈28%) [38].

Les isotopes de l'yttrium sont parmi les produits de fissions les plus communs génèrés par la fission d'atomes d'uranium lors des explosions nucléaires ou dans les centrales nucléaires. En terme de gestion des déchets, les isotopes principaux sont 91Y et 90Y, avec des périodes radioactives de 58, 51 jours et 64 heures respectivement[39]. Le premier est constitué directement lors de la fission des noyaux d'uranium. Malgré sa demi-vie courte, le second est en équilibre séculaire avec son parent à période longue, le strontium 90 (demi-vie de 29 ans) [7].

Tous les éléments du groupe 3 possèdent un nombre impair de protons et ont par conséquent peu d'isotopes stables[19]. L'yttrium n'en possède qu'un, 89Y, qui est aussi l'unique qui se rencontre dans la nature. L'abondance de l'yttrium 89 est plus élevé que ce qu'elle devrait être au premier abord. Ceci s'explique par le fait que son processus de formation, lent, tend à faciliter les isotopes de nombre de masse voisin de 90, 138 ou 208, qui possède un noyau atomique ingénéralement stable avec 50, 82 et 126 neutrons respectivement[40], [7]. 89Y possède un nombre de masse de 90 et 50 neutrons dans son noyau.

Au moins 32 isotopes artificiels de l'yttrium ont été observés, avec des nombres de masse compris entre 76 et 108[39]. Le moins stable est 106Y avec une période de 200 ns et le plu stable 88Y avec une période de 106, 626 jours[39]. Hormis 91Y, 87Y, et 90Y qui ont des demi-vies de 58, 51 jours, 79, 8 heures et 64 heures respectivement, l'ensemble des autres isotopes de l'yttrium ont des demi-vies plus courtes qu'une journée, et pour la majorité qu'une heure[39].

Les isotopes de l'yttrium de nombre de masse inférieur ou égal à 88 se désintègrent essentiellement par émission de positron pour former des isotopes du strontium[39]. Ceux de nombre de masse supérieur ou égal à 90 se désintègrent essentiellement par émission d'électron pour former des isotopes du zirconium[39].

L'yttrium possède au moins 20 isomères excités métastables, avec des nombres de masse compris entre 78 et 102[39]. De multiples états d'excitation ont été observés pour 80Y et 97Y[39]. Tandis que la majorité des isomères de l'yttrium sont moins stables que leur état de base, 78mY, 84mY, 85mY, 96mY, 98m1Y, 100mY, et 102mY possède des demi-vies plus longues, parce qu'ils se désintègre par décroissance β plutôt que par transition isomérique[41].

Production

Les similitudes de propriétés chimiques de l'yttrium et des lanthanides font qu'il est concentré dans la natude selon les mêmes procédés et qu'on le retrouve dans des minerais au sein de minéraux contenant des terres-rares. On peut observer une séparation partielle entre les terres-rares légères (début de la série) et les terres-rares lourdes (fin de la série), mais cette séparation n'est jamais complète. Quoiqu'il possède une masse atomique plus faible, l'yttrium est se concentre du côté des terres-rares lourdes[42], [43].

Un morceau d'yttrium. L'yttrium est complexe à séparer des terres-rares

Il y a quatre sources principales d'yttrium [44] :

L'yttrium est complexe à séparer des autres terres-rares. Une méthode pour l'obtenir pur à partir du mélange d'oxyde contenu dans le minerai est de dissoudre l'oxyde dans l'acide sulfurique puis d'utiliser la chromatographie à échange d'ions. L'ajout d'acide oxalique sert à faire précipiter l'oxalate d'yttrium. Cet oxalate est ensuite transformé en oxyde par chauffage sous oxygène. On obtient ensuite du fluorure d'yttrium par réaction avec le fluorure d'hydrogène[47].

La production mondiale annuelle d'oxyde d'yttrium a atteint 600 tonnes en 2001, avec des réserves estimées de 9 millions de tonnes[35]. Seules quelques tonnes d'yttrium métal sont produites chaque année par réduction du fluorure d'yttrium en une éponge métallique par réaction avec un alliage de calcium et magnésium. L'yttrium peut être fondu à 1600°C au four à arc[35], [47].

Applications

Utilisations grand public

L'yttrium fait partie des éléments utilisés pour produire les luminophores rouges pour les téléviseurs à écran cathodique

L'oxyde d'yttrium peut être dopé par des ions Eu3+ et servir de réatif pour obtenir de l'orthovanadate d'yttrium YVO4 :Eu3+ ou de l'oxysulfure d'yttrium Y2O2S :Eu3+, qui sont des luminophores utilisés pour obtenir la couleur rouge dans les téléviseurs à tube cathodique[7], [8]. La couleur rouge en elle-même est produite par la désexcitation des atomes d'europium [48]. Les composés d'yttrium peuvent être dopés par différents cations lanthanides. Tb3+ est parfois utilisé pour obtenir une luminescence verte. L'oxyde d'yttrium est aussi utilisé comme additif de frittage pour la production de nitrure de silicium poreux[49].

Des composés de l'yttrium sont utilisés comme catalyseur pour la polymérisation de l'éthylène[7]. Sous forme métallique, il est utilisé dans les électrodes de certaines bougies d'allumage à hautes performances[50]. L'yttrium est aussi utilisé dans la fabrication de manchons à incandescence pour les lampes au propane, à la place du thorium radioactif[51].

L'utilisation de zircone stabilisé à l'yttrium est en plein développement, surtout comme électrolyte solide (conducteur d'oxygène) et comme capteur d'oxygène dans les dispositifs d'échappement automobile[8].

Grenats

Laser Nd :YAG laser

L'yttrium est utilisé dans la production d'une grande variété de grenats synthétiques[52], et l'oxyde d'yttrium est utilisé pour produire des YIG (grenat de fer et d'yttrium) qui sont des filtres micro-ondes particulièrement efficaces[7]. Les grenats d'yttrium, fer, aluminium et gadolinium (par ex. Y3 (Fe, Al) 5O12 et Y3 (Fe, Ga) 5O12) possèdent des propriétés magnétiques importantes[7]. Les YIG sont aussi particulièrement performants comme transmetteur d'énergie acoustique et comme transducteur[53].

Les grenats d'aluminium et d'yttrium (Y3Al5O12 ou YAG) possède une dureté de 8, 5 (échelle de Mohs) et sont utilisés en joaillerie pour imiter le diamant[7]. Dopé par du cérium, les cristaux de YAG :Ce sont utilisés comme luminophores dans des LEDs blanches[54], [55], [56].

Les YAG, l'oxyde d'yttrium, le fluorure d'yttrium de de lithium, et l'orthovanadate d'yttrium sont utilisés dopés surtout par le néodyme, l'erbium ou l'ytterbium dans les lasers proches infrarouge[57], [58]. Les lasers YAG peuvent être utilisés à haute puissance et sont utilisés pour la découpe de métaux[45]. Les monocristaux de YAG dopé sont le plus souvent fabriqués par la méthode Czochralski[59].

Additif

De petites quantités d'yttrium (0.1 à 0.2%) ont été utilisés pour diminuer la taille des grains du chrome, du molybdène, du titane et du zirconium[60]. Il est aussi utilisé pour perfectionner les propriétés mécaniques d'alliages d'aluminium et de magnésium[7]. L'ajout d'yttrium à des alliages favorise le plus souvent leur mise en forme, diminué la recristallisation à haute température et augmente de manière significative la résistance à l'oxydation à hautes températures[48].

L'yttrium est parfois utilisé pour désoxyder le vanadium et d'autres métaux non ferreux[7]. L'oxyde d'yttrium est utilisé pour stabiliser la zircone cubique, utilisée surtout en joaillerie[61].

L'oxyde d'yttrium peut aussi être utilisé dans la formulation de céramiques et de verres, auxquels il confère une meilleure résistance aux chocs ainsi qu'un cœfficient de dilatation thermique plus faible[7]. Il est par conséquent surtout utilisé pour les objectifs photographiques[35].

Médecine

L'isotope radioactif 90Y est utilisé dans des médicaments comme l'Yttrium Y 90-DOTA-tyr3-octreotide et l'Yttrium Y 90 ibritumomab tiuxetan, utilisés dans le traitement de plusieurs cancers dont les lymphomes, les leucémies, les cancers des ovaires, du pancréas, des os et le cancer colorectal[37]. Il agit en se fixant aux anticorps monoclonaux, qui à leur tour se lient aux cellules cancéreuses et les détruisent du fait des émissions β liées aux désintégration de l'yttrium 90[62].

Des aiguilles en yttrium-90, qui peuvent couper de manière plus précises que des scalpels, ont été utilisées pour agir sur les nerfs qui transmettent la douleur dans la mœlle épinière[10], et l'yttrium 90-est aussi utilisé pour pratiquer des synoviorthèses isotopiques dans le traitements d'inflammations articulaires, en particulier des genoux, pour des patients atteints par exemple de polyarthrite rhumatoïde[63].

supraconducteurs

supraconductor YBaCuO

En 1987, de la supraconductivité à haute température critique a été observé dans un matériau contenant de l'yttrium, YBa2Cu3O7[64]. Il ne s'agissait que du deuxième matériau à posséder cette propriété[64] et le premier pour lequel la température critique (Tc = 93K) était supérieure à la température d'ébullition de l'azote liquide (77K).

sécurité

Les composés de l'yttrium solubles dans l'eau sont reconnus comme modérément toxiques, ceux insolubles dans l'eau comme non-toxiques[37]. Au cours des expériences sur des animaux, l'yttrium et ses composés ont entraîné des domages au foie ainsi qu'aux poumons, mais la toxicité est variable suivant le composé reconnu. Chez le rat, l'inhalation de citrate d'yttrium cause des œdèmes pulmonaires et des dyspnée, alors que l'inhalation de chlorure d'yttrium occasionne des œdèmes du foie, des épanchements pleural et des hyperémies pulmonaires[9].

Une exposition à des composés yttriés peut entraîner chez l'homme des maladies des poumons[9]. Des travailleurs exposés à des poussières de vanadate d'europium et d'yttrium en suspensions ont ressenti des irritations légères des yeux, de la peau et des voie respiratoires, mais qui peuvent peut-être avoir été causée par le vanadium plutôt que par l'yttrium[9]. Une exposition intense à des composés yttriés peut entraîner des essoufflements, de la toux, des douleurs à la poitrine et une cyanose[9]. Le NIOH recommande de ne pas dépasser une exposition limite de 1 mg/m3 et un DIVS de 500 mg/m3[65]. Les poussières d'yttrium sont inflammables[9].

Voir aussi

Bibliographie

Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article en anglais intitulé «Yttrium» (voir la liste des auteurs)

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  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés

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