钇（拼音：yǐ，注音：丨ˇ，粤拼：jyut3；英语：Yttrium），是一种化学元素，其化学符号为Y，原子序数为39，原子量为88.90584 u。钇是银白色的过渡金属，化学性质与镧系元素相近，且常归为稀土金属。[2]钇在自然中并不单独出现，而是和镧系元素结合出现在稀土矿中。89Y是钇的唯一一种稳定同位素和自然同位素。
1787年，卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯在瑞典伊特比附近发现了一种新的矿石，即硅铍钇矿，并根据发现地村落的名称将它命名为“Ytterbite”。约翰·加多林在1789年于阿列纽斯的矿物样本中，发现了氧化钇。[3]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格把这一氧化物命名为“Yttria”。弗里德里希·维勒在1828年首次分离出钇的单质。[4]
钇是一种质软、带光泽的银白色金属晶体，在元素周期表中属于3族。根据周期表的趋势，它的电负性比前面的元素、钪和4族中的下一个元素锆都要低。由于镧系收缩现象，钇的电负性和镥相近。[7][8]钇也是第五周期中的首个d区块元素。
成块的纯钇在空气中会在表面形成保护性氧化层（Y2O3），这种“钝化”过程使它相对稳定。在水汽中加热至750 °C时，保护层的厚度可达10微米。[9]不过钇粉末在空气中很不稳定，其金属屑在400 °C以上的空气中即可燃烧。[4]钇金属在氮气中加热至1000 °C后会形成氮化钇（YN）。[9]
与镧系元素的相似性
钇的反应级数也一般在这个区间之内，[9]化学反应活性也与铽和镝相近。[5]它的大小与属于“钇族”的重镧系元素几乎相同，所以它们的离子在溶液中的属性十分接近。[9][13]虽然所有镧系元素在元素周期表中都位于钇以下的一行，但钇在多方面都却与其极为相似，这是由于镧系收缩现象。[14]
化合物及反应
钇的有机化合物中都含有碳﹣钇键，其中一些化合物中的钇呈0氧化态。[17][18]（科学家在氯化钇熔体中曾观测到+2态，[19]以及在钇氧原子簇中观测到+1态。[20]）有机钇化合物可以催化某些三聚反应。[18]这些化合物的合成过程都从YCl3开始，而YCl3则是经Y2O3与浓盐酸和氯化铵进行反应所得。[21][22]
哈普托数指中心原子对于周边配位体原子的配位数，符号为η。科学家首次在钇配合物中发现碳硼烷配位体能以η7哈普托数与d0金属中心原子进行配位。[18]石墨层间化合物石墨-Y和石墨-Y2O3在气化后会产生内嵌富勒烯，例如Y@C82。[5]电子自旋共振研究显示，这种富勒烯是由Y3+和(C82)3−离子对所组成的。[5]Y3C、Y2C和YC2等碳化物在水解后会形成烃。[9]
核合成及同位素
太阳系中的钇元素是在恒星核合成过程中产生的，大部分经S-过程（约72%），其余的经R-过程（约28%）。[23]在R-过程中，轻元素在超新星爆炸中进行快中子捕获；而在S-过程中，轻元素在红巨星脉动时，在星体内部进行慢中子捕获。[24]
在核爆炸和核反应堆中，钇同位素是铀裂变过程中的一大产物。在核废料的处理上，最重要的钇同位素为91Y和90Y，半衰期分别为58.51天和64小时。[25]虽然90Y的半衰期短，但它与其母同位素锶-90（90Sr）处于长期平衡状态（即产生率接近衰变率），实际半衰期为29年。[4]
所有3族元素的原子序都是奇数，所以稳定同位素很少。[7]钇只有一种稳定同位素89Y，这也是它唯一一种自然同位素。在S-过程当中，经其他途径产生的同位素有足够时间进行β衰变（中子转换为质子，并释放电子和反微中子）。[24]中子数为50、82和126的原子核（原子量分别为90、138和208）特别稳定[注 1]，所以这种慢速过程使这些同位素能够保持其较高的丰度。[4]89Y的质量数和中子数分别靠近90和50，所以其丰度也较高。
钇的人工合成同位素已知至少有32种，原子质量数在76和108之间。[25]其中最不稳定的同位素为106Y，半衰期只有>150纳秒（76Y的半衰期为>200纳秒）；最稳定的则为88Y，半衰期为106.626天。[25]91Y、87Y和90Y的半衰期分别为58.51天、79.8小时和64小时，而其余所有人造同位素的半衰期都在一天以下，大部分甚至不到一小时。[25]
1787年，同时为陆军中尉和兼职化学家的卡尔·阿克塞尔·阿列纽斯（Carl Axel Arrhenius）在瑞典伊特比村（现属于斯德哥尔摩群岛）附近的一处旧采石场发现了一块黑色大石。[3]他认为这是一种未知矿石，含有当时新发现的钨元素，[27]并将其命名为“Ytterbite”。[注 3]样本被送往多个化学家作进一步分析。[3]
奥布皇家学院的约翰·加多林于1789年在阿列纽斯的样本中发现了一种新的氧化物，并于1794发布完整的分析结果。[28][注 4]安德斯·古斯塔夫·埃克贝格（Anders Gustaf Ekeberg）在1797年证实了这项发现，并把氧化物命名为“Yttria”。[29]在安东万·拉瓦锡提出首个近代化学元素定义之后，人们认为氧化物都能够还原成元素，所以发现新氧化物就等同于发现新元素。对应于Yttria的元素因此被命名为“Yttrium”。[注 5]
1843年，卡尔·古斯塔夫·莫桑德（Carl Gustaf Mosander）发现，该样本中其实含有三种氧化物：白色的氧化钇（Yttria）、黄色的氧化铽（Erbia）以及玫红色的氧化铒（Terbia）。[30][注 6]1878年，让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marigna）分离出第四种氧化物氧化镱。[31]这四种氧化物所含的新元素都以伊特比命名，除钇以外还有镱（Ytterbium）、铽（Terbium）和铒（Erbium）。[32]在接下来的数十年间，科学家又在加多林的矿石样本中发现了7种新元素。[3]马丁·海因里希·克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）后将这种矿物命名为加多林矿（Gadolinite，即硅铍钇矿），以纪念加多林为发现这些新元素所做出的贡献。[3]
钇的化学符号最初是Yt，直到1920年代初才开始转为Y。[35]
丰度
钇元素出现在大部分稀土矿[8]和某些铀矿中，但从不以单质出现。[37]钇在地球地壳中的丰度约为百万分之31，[5]在所有元素中排第28位，是银丰度的400倍。[38]泥土中的钇含量介乎百万分之10至150间（去水后平均重量占百万分之23），在海水中含量为一兆（万亿）分之9。[38]美国阿波罗计划期间从月球采得的岩石样本中含有较高的钇含量。[32]
钇元素没有已知的生物用途，但几乎所有生物体内都存在少量的钇。进入人体后，钇主要积累在肝、肾、脾、肺和骨骼当中。[39]一个人体内一共只有约0.5毫克的钇，而人乳则含有百万分之4的钇。[40]在食用植物中，钇的含量在百万分之20至100之间（鲜重），其中以卷心菜为最高；[40]木本植物种子中的含量为百万分之700，是植物中已知最高的。[40]
生产
稀土元素共有四种来源：[43]
- 含碳酸盐和氟化物的矿石，如氟碳铈矿（[(Ce, La, …)(CO3)F]），平均钇含量为0.1%。[4][41]1960年代至1990年代间，氟碳铈矿的主要来源是美国加州山口（Mountain Pass）稀土矿场，因此美国是这段时期稀土元素的最大产国。[41][43]
- 独居石（即磷铈镧矿，[(Ce, La, …)PO4]）是一种漂沙沉积物，为花岗岩移动及重力分离之后的产物。独居石含2%[41]（或3%）[44]的钇。20世纪初的最大矿藏位于印度和巴西，两国当时是最大产国。[41][43]
- 磷钇矿是一种含有稀土元素的磷酸盐矿物，其中包括磷酸钇（YPO4），矿物的钇含量约为60%。[41]最大矿藏是位于中国内蒙古的白云鄂博铁矿。在1990年代山口稀土矿场关闭之后，中国继而成为目前稀土元素的最大产国。[41][43]
- 离子吸附型粘土是花岗岩的风化产物，含1%的稀土元素。[41]处理后的精矿的钇含量可以达到8%。离子吸附型粘土主要在中国南部开采生产。[41][43][45]钇也出现在铌钇矿和褐铌钇矿中。[38]
日用品
氧化钇（Y2O3）可以做掺Eu3+过程中所用的主体晶格，以及正钒酸钇YVO4:Eu3+或氧硫化钇Y2O2S:Eu3+磷光体的反应剂。这些磷光体在彩色电视机的显像管中能产生红光。[4][5]实际上红光是铕所产生的，钇只是把电子枪的能量传递到磷光体上。[47]钇化合物还可以为不同镧系元素阳离子做掺杂过程的主体晶格，除了Eu3+外，还有能发出绿光的掺Tb3+磷光体。氧化钇可以在多孔氮化硅的生产过程中作烧结添加剂。[48]它还是材料科学中的常用原料，许多钇化合物的合成也需要从氧化钇开始。
石榴石
钇可以用来生产各种合成石榴石。[51]钇铁石榴石（Y3Fe5O12，简称YIG）是十分有效的微波电子滤波器，生产就需用到氧化钇。[4]钇、铁、铝和钆石榴石（如Y3(Fe,Al)5O12和Y3(Fe,Ga)5O12）具有重要的磁性质。[4]钇铁石榴石是一种高效声能发射器和传感器。[52]钇铝石榴石（Y3Al5O12，简称YAG）的莫氏硬度为8.5，能当宝石作首饰之用（人造钻石）。[4]掺铈的钇铝石榴石（YAG:Ce）晶体可用在白色发光二极管的磷光体中。[53][54][55]
钇铝石榴石、氧化钇、氟化钇锂（LiYF4）和正钒酸钇（YVO4）可以用在近红外线激光器中，可用的掺杂剂包括钕、铒和镱。[56][57]钇铝石榴石激光器能够在大功率下运作，可应用在金属钻孔和切割上。[44]单个钇铝石榴石晶体一般是经由柴可拉斯基法生产出来的。[58]
材料增强
添加少量的钇（0.1%至0.2%）可以降低铬、钼、钛和锆的晶粒度。[59]它也可以增强铝合金和镁合金的材料强度。[4]在合金中加入钇，可以降低加工程序的难度，使材料能抵抗高温再结晶，并且大大提高对高温氧化的抵御能力。[47]
科学家正在研究钇的球化性质，这可能有助生产球墨铸铁。如此生产出来的铸铁具有较高的延展性（石墨形成小球，而非薄片）。[4]氧化钇熔点高，可抵抗冲击，且热膨胀系数也较低，因此能用来制造陶瓷和玻璃，[4]例如某些照相机镜头。[38]
医学
钇-90是一种放射性同位素，被用在依多曲肽及替伊莫单抗等抗癌药物中，可治疗淋巴癌、白血病、卵巢癌、大肠癌、胰腺癌和骨癌等等。[40]该药物会附在单克隆抗体上，与癌症细胞结合后以钇-90的强烈β辐射把癌细胞中的DNA产生变异，经过半衰期间内的放射曝露，之后经由生物克隆的特性，致使癌细胞DNA无法继续往下转录繁衍，一般被仍定为成功的治疗，约需经过3-6个月的观察周期而论。不过钇90仍旧属于局部放射疗法之一，仍旧可能带给治疗患者不可预期的伤害，例如：急性肝衰竭。[61]
超导体
1987年，阿拉巴马大学和休斯顿大学研发了钇钡铜氧（YBa2Cu3O7，又称YBCO或1-2-3）超导体。[36]它可以在93 K温度下运作，比液氮的沸点（77.1 K）要高。[36]其他超导体都必须使用价格更高的液氦降温，所以这项发现能降低成本。
实际超导材料的化学式为YBa2Cu3O7–d，其中d必须低于0.7才会使材料成为超导体。具体原因未知，但目前科学家知道在晶体内只有某些位置会出现空缺，即位于氧化铜平面和链上。这造成铜原子拥有奇特的氧化态，这再因某种原因引致了超导性质。
- ^ 参见：幻数。这些原子核的中子捕获截面很低，所以稳定性异常高。（Greenwood 1997，pp.12–13）这些同位素不易发生β衰变，所以拥有较高的丰度。
- ^ 同核异构体亦称亚稳态，其能量比处于基态的原子核更高。亚稳态在释放伽马射线或转换电子之后，才会回到基态。亚稳态以同位素质量数旁的“m”表示。
- ^ “Ytterbite”取自发现地村名“Ytterby”，而“-bite”则是矿物的通用后缀。
- ^ Stwertka 1998, p. 115称加多林在1789年发现该氧化物，但未指何时发布。Van der Krogt 2005引用原文献，并注明1794年加多林著。
- ^ 氧化物名称均以“-a”结尾，而新元素名则一般以“-ium”结尾。
- ^ 铽和铒的名称分别是Terbium和Erbium，但两者的氧化物却分别称为“Erbium”和“Terbium”，拼法相反。
- ^ 钇钡铜氧的超导临界温度（Tc）为93 K，而氮的沸点为77 K。
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