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39. Yttrium (Y): Das Leuchtstoff-Metall · Das Periodensystem der Elemente

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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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produzieren. Kennst du schon unsere anderen
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Podcast reihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde Thema heute.
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Yttrium Yx das Leuchtstoffmetall es gibt Orte auf der Welt, die
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so unscheinbar sind, dass man sie leicht übersieht und die
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dennoch die Geschichte der Wissenschaft für immer verändert
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haben. Ueterbü ist so ein Ort, ein
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kleines Dorf auf der schwedischen Schäreninsel Resarö
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nördlich von Stockholm, umgeben von Kiefernwäldern und grauem
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Granit. Wer heute dorthin fährt, findet
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kaum mehr als eine stillgelegte Mine.
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Ein paar Häuser und das ruhige Meeresrauschen.
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Und doch trägt dieser unscheinbare Flecken Erde eine
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einzigartige Auszeichnung in der Geschichte der Chemie.
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Kein anderer Ort auf der Welt hat so viele Elemente seinen
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Namen gegeben. 4 Elemente, ötrium, öterbium, Erbium und
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Terbium. Wurden nachytter ü.
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Benannt, alle entdeckt in einem einzigen Mineral, das dort aus
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dem Fels gebrochen wurde. Heute reisen wir in die Welt
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eines dieser Elemente, yttrium, Symbol Yps, Ordnungszahl, 39,
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ein Metall, das in unserem Alltag allgegenwärtig ist.
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In leuchtenden Bildschirmen in medizinischen Lasern, in
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Hochtemperatur, Supraleitern und in den schärfsten Messerklingen
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der Welt. Und doch kennt es kaum jemand
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beim Namen. Beginnen wir mit dem Beginn, das
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Jahr ist 1787 ein finnisch schwedischer Offizier und
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Hobbygeologe namens Carl Axel Arenius entdeckt in der Nähe der
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Ueterby Mine. Einen ungewöhnlichen, schweren
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schwarzen Stein. Er hält ihn zunächst für ein
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neues Wolfram Mineral und benennt ihn ütterbiete nach dem
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nahe des gelegenen Dorf. Das Mineral landet schließlich
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bei dem finnischen Chemiker Johann Gadolin, der es 1794
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eingehend analysiert und dabei feststellt, dass es eine bisher
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unbekannte Erde enthält. Also ein Metalloxid, das keinem
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der damals bekannten Elemente entspricht.
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Gadolin nennt sie Üttererde, zu seinen Ehren wird das Mineral
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später in Gadolinid umbenannt und auch das Element Gadolinium
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trägt seinen Namen, aber die Üttererde selbst, die enthält,
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wie sich über die folgenden Jahrzehnte herausstellt, nicht
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ein einziges Element, sondern gleich mehrere.
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Ein chemisches Puzzle, das Generationen von
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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern beschäftigen
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sollte. Die eigentliche Isolation von
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reinem Yttriummetall gelang erst 1828 dem deutschen Chemiker
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Friedrich Wöhler, der auch als Erster die Organische Chemie
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revolutionierte, indem er Harnstoff synthetisierte und
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damit die Vorstellung von der Unüberwindbarkeit der Grenze.
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Zwischen belebter und unbelebter Materie erschütterte Wöhler
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reduzierte Ytriumchlorid mit Kalium und erhielt dabei ein
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Unreines, aber erkennbares Ytriummetall.
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Hochreines Ytrium ist erst im 20.
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Jahrhundert durch moderne Trennverfahren zugänglich
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geworden. Denn die Trennung von Ytrium und
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den eng verwandten Lantaniden, denen es im Periodensystem
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benachbart ist, ist außerordentlich schwierig und
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erfordert aufwändige Ionenaustausch, Chromatographie
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oder Lösungsmittel. Extraktion was ist Ytrium
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eigentlich? Es ist ein silbrig weißes
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Übergangsmetall, das formal zur Gruppe 3 des Periodensystems
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gehört. Aber in seinen chemischen
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Eigenschaften, den Lantaniden, also den Seltenen Erden, so
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ähnlich ist, dass es in der Praxis oft gemeinsam mit ihnen
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behandelt und als eines von ihnen bezeichnet wird.
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Tatsächlich findet man Ytrium in der Natur stets in Begleitung
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der Lantaniden, und es wird auch unter denselben geologischen
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Bedingungen abgebaut, die Atommasse von Ytrium beträgt
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88,906 Atommasseneinheiten, die. Es hat nur ein einziges stabiles
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Isotop y 89. Das ist ungewöhnlich.
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Die meisten Elemente haben mehrere stabile Isotope.
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Diese Eigenart macht die Isotopenanalyse von Ytrium in
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geologischen Proben besonders einfach.
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Die Dichte von Ytrium beträgt 4,47 Gramm pro Kubikzentimeter,
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sein Schmelzpunkt liegt bei 1526 Grad Celsius.
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Sein Siedepunkt bei 3336 Grad Celsius.
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Es ist also ein echtes Hochtemperaturmetall an der Luft
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bildet Ytrium eine stabile Oxidschicht aus Ytriumoxid übt 2
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o 3, die das Metall darunter vor weiterer Korrosion schützt.
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Dieses Verhalten ähnelt dem von Aluminium und macht Ytrium
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verhältnismäßig beständig gegenüber Luft und Feuchtigkeit
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bei Raumtemperatur. Bei höheren Temperaturen
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hingegen reagiert es lebhafter und kann mit Stickstoff,
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Kohlenstoff, Halogenen und vielen anderen Elementen
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Verbindungen eingehen. In der Erdkruste kommt Ytrium in
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einer Konzentration von etwa 33 Milligramm pro Kilogramm vor.
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Das ist mehr als etwa Blei, Zinn oder Kobalt.
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Ytrium ist also keineswegs wirklich selten.
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Der Begriff Seltene Erden ist in dieser Hinsicht irreführend, die
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Schwierigkeit liegt nicht in der Menge, sondern in der Verteilung
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Ytrium kommt nie konzentriert in abbauwürdigen Lagerstätten vor.
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Sondern ist gleichmäßig in der Erdkruste verstreut oder tritt
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zusammen mit anderen Lantaniden in gemischten Erzmineralien auf,
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aus denen es aufwendig getrennt werden muss.
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Die wichtigsten Ytrium führenden Minerale sind Monazit, Xenotim
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und Bastnesit, die bedeutendsten Förderländer sind China, das mit
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weitem Abstand die globale Produktion dominiert, sowie
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Australien, Indien, Brasilien und Kanada, die.
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Kommen wir zu den Anwendungen und hier beginnt die Geschichte
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von Ytrium wirklich faszinant zu werden.
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Die vielleicht älteste und bis heute bedeutendste Verwendung
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von Ytrium liegt im Bereich der Leuchtstoffe, wer sich an
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Fernsehgeräte mit Bildröhre erinnert, kennt das Phänomen,
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ein leuchtend rotes Bild auf dem Schirm, lebhaft und klar, dieses
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Rot wurde durch Europium Dotiertes.
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Hytriumoxysulfid oder Ökiges Hytriumoxid erzeugt
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Hytriumverbindungen, in die geringe Mengen des seltene Erde
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Elements Europium eingebettet waren.
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Das Europium ist dabei der eigentliche Licht Emitter, aber
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es braucht das Ytrium als Wirtsgitter, als
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Kristallstruktur, in der es eingebettet ist und in der es
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optimal Licht emittieren kann. Ohne das Ytrium Wirtsgitter
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würde das Europium nicht annähernd so effizient leuchten.
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Ytrium, Oxid, Europium Leuchtstoffe sind bis heute die
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Basis des Roten Phosphors in Leuchtstofflampen und in
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bestimmten LED Anwendungen, aber Ytrium leuchtet auch selbst oder
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genauer gesagt Ytrium Aluminiumgranat, bekannt unter
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dem Kürzel Hypercon von Englisch.
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Hytrium Aluminium Garnet ist eines der bedeutendsten
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Lasermaterialien der Welt. Der NDAG Laser, ein neodym
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dotierter Hytrium Aluminium Granat Laser, ist seit den
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1960er Jahren einer der vielseitigsten und
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meistgenutzten Festkörperlaser überhaupt.
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Er emittiert Licht bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometern
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im nahen Infrarot und kann durch Frequenzverdopplung auf 532
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Nanometer sichtbares Grün oder durch weitere Konversion auf
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andere Wellenlängen umgewandelt werden.
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N DD AG Laser werden in der Medizin eingesetzt.
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Für die Behandlung von Augenerkrankungen wie dem
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Nachstar nach einer Kataraktoperation für die
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Entfernung von Tumoren, für Zahnbehandlungen und in der
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Dermatologie zur Behandlung von Gefäßveränderungen und
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Tätowierungen in der Industrie schneiden, Schweißen und
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markieren sie Metalle, Kunststoffe und Keramiken mit
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hoher Präzision. In der Forschung dienen sie als
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Pumpquellen für andere Laser. Der ja g Kristall ist dabei
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nicht nur ein technisches Detail, er ist der Herzschlag
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dieser Technologie. Das Material, das alles erst
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möglich macht. Ein weiterer, medizinisch noch
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spezifischerer Laser ist der Air Jag Laser, in dem Erbium das
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Dotierungsatom ist. Er emittiert bei 2940 Nanometern
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einer Wellenlänge, die von Wasser extrem stark absorbiert
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wird. Da biologisches Gewebe zu einem
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großen Teil aus Wasser besteht, eignet sich dieser Laser
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hervorragend für präzise Gewebeschnitte mit minimaler
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thermischer Schädigung des umliegenden Gewebes.
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In der Dermatologie und Zahnmedizin ist der RÖ AG Laser
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deshalb weit verbreitet, wieder ist es das Yttrium, das im
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Hintergrund die Bühne bereitet, auf der andere Elemente ihren
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Auftritt haben. Die vielleicht wissenschaftlich
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aufregendste Anwendung von Ytrium liegt im Bereich der
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Supraleitung. Im Jahr 1987 gelang es
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Forschenden um Paul Tu und Marvukuen vu, eine
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Keramikverbindung zu synthetisieren, die bei einer
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bis dahin unvorstellbar hohen Temperatur supraleitend wurde.
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Hytrium Barium Kupferoxid mit der chemischen Formel Ypsda 2,
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Co 3 o 7, kurz im Bco oder auch 123 Supraleiter genannt.
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Diese Verbindung wird Supraleitend bei einer
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Temperatur unterhalb von etwa 93 Kelvin, also -180 Grad Celsius.
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Das klingt IP immer noch extrem kalt ist es auch.
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Aber es bedeutet, dass man zum kühlen, flüssigen Stickstoff
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verwenden kann, der bei 77 Kelvin siedet und äußerst
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günstig und leicht verfügbar ist.
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Alle zuvor bekannten Supraleiter mussten mit dem viel teureren
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und knapperen flüssigen Helium gekühlt werden.
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Diese Entdeckung löste weltweit eine Welle der Begeisterung aus
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und wurde als Durchbruch des Jahrzehnts gefeiert.
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Die Entdecker wurden noch im selben Jahr mit dem Nobelpreis
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für Physik ausgezeichnet. Eine der schnellsten
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Nobelpreisverleihungen der Geschichte Supraleitende Ib CO
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Materialien haben das Potential, die Energieübertragung zu
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revolutionieren, supraleitende Kabel übertragen elektrischen
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Strom ohne jeden Widerstand und damit ohne Energieverlust.
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In einer Welt, in der die Effizienz der Energieübertragung
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über Stromnetze eine immer größere Rolle spielt, sind
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supraleitende Leitungen aus Ypsd Alp CO.
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Ein aktives Forschungs und entwicklungsfeld.
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Darüber hinaus werden Hyper CO Materialien in Hochfeld Magneten
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für Kernspintomographen der nächsten Generation.
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In Schwebemagnetbahnen, in Stromtransformatoren und in
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wissenschaftlichen Großgeräten wie Teilchenbeschleunigern
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eingesetzt. Ytrium steht damit buchstäblich
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im Kern einiger der ambitioniertesten
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Technologieprojekte der Gegenwart.
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In der Materialwissenschaft spielt Ytrium eine wichtige
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Stabilisierungsrolle, bei Zirkoniumdioxid z Ro 2.
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Einer Keramik mit herausragenden mechanischen Eigenschaften.
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Reines Zirkoniumdioxid ist bei verschiedenen Temperaturen in
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unterschiedlichen Kristallstrukturen stabil und
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die Übergänge zwischen diesen Strukturen gehen mit
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Volumenänderungen einher. Die Keramikteile springen
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lassen. Durch Zugabe von einigen Prozent
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Yttriumoxid lässt sich die kubische oder tetragonale
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Hochtemperaturphase des Zirkoniumdioxids bei
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Raumtemperatur einfrieren. Man erhält Yttriumstabilisiertes
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Zirkoniumdioxid, kurz Ypsmes z. Dieses Material ist
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außerordentlich hart, zäh, chemisch beständig und thermisch
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isolierend. Es wird als Wärmedämmschicht für
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Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken und
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Industrieturbinen eingesetzt, wo es die Grundmetalle vor den
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extremen Temperaturen der Verbrennungsgase schützt und
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damit höhere Betriebstemperaturen und bessere
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Wirkungsgrade erlaubt. Ypsilon SZ ist auch das
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Standardmaterial für die Elektrolytschicht in Festoxid
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Brennstoffzellen. Die Wasserstoff oder andere
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Brenngase direkt in elektrische Energie umwandeln.
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In der Zahntechnik hat sich YPSTER SZ als Werkstoff für
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Zahnkronen und Brücken etabliert.
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Es ist weiß, Zahnfarbenähnlich, Biokompatibel und so hart und
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cicis zäh, dass es den Kaukräften problemlos standhält.
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Schneidwerkzeuge aus Ytriumstabilisiertem
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Zirkoniumdioxid sind so scharf und hart, dass sie in bestimmten
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medizinischen Anwendungen sogar stahlskalpellen überlegen sind.
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Keramikmesser für den Küchenbereich, die als besonders
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scharf und langlebig gelten, sind oft aus Yps, z Keramik
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gefertigt, die Ytriumkeramik steckt also auch in manchem
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Küchenmesser still, unsichtbar, aber entscheidend.
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Im Bereich der nuklearen Technologie hat Hytrium
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ebenfalls eine Nische. Aufgrund seiner geringen
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Neutronenabsorption und seiner thermischen Stabilität wird es
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als Strukturmaterial in bestimmten Kernreaktorkonzepten
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und als Matrixmaterial für Kernbrennstoffverbindungen
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untersucht. Hydriumhydrid wird zudem als
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Moderatormaterial für kompakte Hochtemperaturreaktoren in
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Betracht gezogen. Insbesondere für sogenannte
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Raumfahrtreaktoren, die Raumschiffe mit Energie
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versorgen, sollen radioaktives Ytrium 90 ein Isotop mit einer
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Halbwertszeit von 64 Stunden, das Betastrahlung emittiert hat
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bedeutende medizinische Anwendungen gefunden.
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Es wird in der sogenannten selektiven internen
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Radiotherapie eingesetzt, die. Bei der winzige Hydriumoxid
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Mikrosphären, kaum größer als ein roter Blutkörper, in die
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Arterie eingespritzt werden, die einen Lebertumor versorgt.
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Die Kugeln setzen sich direkt im Tumor fest und bestrahlen ihn
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von innen mit ihrer energiereichen Betastrahlung,
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während das umliegende Gewebe weitgehend geschont wird.
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Diese Methode wird bei Inoperablem Leberzellkarzinom
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und bei Lebermetastasen eingesetzt und kann das Leben
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von Patientinnen und Patienten erheblich verlängern.
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Üb 90 wird dabei als Abkömmling des Mutterisotops zirkonium 90
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oder direkt aus Neutronenbestrahlung in
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Reaktoren gewonnen. Hytrium findet sich auch in
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Permanentmagneten auf Basis von samarium Kobalt, wo kleine
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Mengen hytrium die magnetischen Eigenschaften und die
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Korrosionsbeständigkeit verbessern.
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In der Katalyse wird Hytriumoxid als Promotor verwendet, der
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andere Katalysatoren stabilisiert und ihre
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Selektivität verbessert. In der Glasindustrie verhindert
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die Zugabe von Etriumoxid die Entglasung bei hohen
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Temperaturen und erhöht die Temperaturbeständigkeit.
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Von Spezialgläsern. Kommen wir noch einmal zurück zu
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dem kleinen Steinbruch in Ueterbue, von dem diese ganze
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Geschichte ihren Ausgang nahm, das Mineral Gadolinit, das Carl
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Axel Arenius dort fand, hat sich als eine der ergiebigsten
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Fundgruben der Elementgeschichte erwiesen.
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Die Entschlüsselung seiner Bestandteile hat über mehr als
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ein Jahrhundert gedauert und Generationen von Chemikerinnen
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und Chemikern beschäftigt. Sie haben dabei nicht nur neue
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Elemente entdeckt, sondern auch neue Trennmethoden entwickelt,
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neue Theorien der Elektronenstruktur entwickelt
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und unser Verständnis der chemischen Bindung vertieft.
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Oeterby ist damit ein Symbol für etwas Grundlegendes.
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Dass die größten wissenschaftlichen Schätze oft
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an unscheinbaren Orten liegen und gründlicher, geduldiger
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Forschung bedürfen, um ans Licht zu kommen.
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Ötrium selbst ist das Sinnbild dieser Eigenschaft, unbekannt im
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Hintergrund wirkend, selten beim Namen genannt und doch in
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Bildschirmen, Lasern, Turbinen, Brennstoffzellen, Keramikmessern
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und Krebstherapien gleichermaßen präsent.
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Es ist das stille Fundament vieler glänzender
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Errungenschaften, diese Stille, diese verborgene Bedeutung
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erinnert uns an etwas, das leicht vergessen wird, viele der
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Grund, Grundlagen unseres modernen Lebens, sind
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unsichtbar, die saubere Luft, das trinkbare Wasser, das
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stabile Klima, die freie Gesellschaft, sie sind immer da,
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bis sie es nicht mehr sind. So wie Yttrium erst bemerkt
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wird, wenn es fehlt, so werden auch unsere natürlichen und
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demokratischen Fundamente erst vermisst, wenn sie beschädigt
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sind. Die Erde mit ihren Ressourcen,
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ihren Ökosystemen und ihrer einzigartigen Atmosphäre ist
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kein selbstverständliches Geschenk.
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Sie zu bewahren ist eine aktive Aufgabe, eine Aufgabe, die
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offene Gesellschaften braucht, in denen Wissenschaft gehört
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wird, in denen langfristiges Denken Vorrang hat vor
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kurzfristigen Interessen und in denen alle eine Stimme haben
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beim Schutz dessen, was allen gehört.
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