Els empèdocles moderns – Johan Gadolin (1794) i l’element 39 (Y) – itri (niltrienni, Nte)

En parlar de l’escandi, vèiem com Lars Fredrik Nilson identificava aquest material en l’iterbita o gadolinita. La primera denominació d’aquest material ha estat prolixa en la denominació d’elements de terres rares. En el 1794, de la iterbita s’identificà l’ítria, la terra rara corresponent a l’element que ara coneixem com a itri. En el 1842, en l’ítria Carl Gustaf Mosander identificà d’altres terres rares, i fa fer mans i mànigues per denominar-les a través de la segmentació del mot “iterbita”: “èrbia” i “tèrbia”. Encara en el 1878, hom utilitzà el nom d’“itèrbia” per referir-se a una quarta terra rara. També en la “iterbita” s’identificaren els elements que avui coneixement com a holmi (denominat així a partir d’Estocolm) i com a tuli (denominat així a partir de Tule, país mític identificat amb Escandinàvia). El mateix descobridor de l’iterbita, Gadolin, dóna nom a una altra element de terra rara, el gadolini. Comptat i debatut, en la història i en l’etimologia de les terres rares, el topònim Ytterby ha estat força fructífer. Ytterby és un topònim d’etimologia vulgar i transparent. Ytter- vol dir “exterior”. El sufix -by indica llogarret. I, efectivament, avui és, com a fa dos segles, un petit poble de Resarö. En aquesta illa de poc menys de 3000 habitants, els dos nuclis de població tenen topònims semànticament confrontats: Överby vs. Ytterby. Resarö és avui connectada per carretera amb les illes veïnes, d’una banda amb el continent, i de l’altra amb l’illa de Vaxholm, capital del terme municipal en la qual és inclosa Resarö. Tot plegat, dins de l’arxipèlag d’Estocolm, ara tan comunicat per carretera que fa que la comunicació per barca no tingui la rellevància d’antuvi. En el veïnat d’Ytterby, ara ja absorbit pel nucli urbà, era on es trobava la pedrera (gruva) en la qual es va descobrir el mineral conegut com a iterbita (en honor de l’indret) o gadolinita (en honor del descobridor). Ara la pedrera és lloc de pelegrinatge per al turisme científic. I com si s’hagués de tancar així el cicle, les descobertes químiques són ben presents en el nomenclàtor d’Ytterby: Yttriumvägen, Tantalvägen, Gadolinitvägen, etc. Nosaltres arribem així al nombre 39 de la nostra sèrie.

Pedrera d’Ytterby, a l’illa de Resarö. Resarö és el nom modern de l’illa de Risarna, que voldria dir alguna cosa com illa de grava i llenya, dos recursos, el de la pedra i de la fusta de la qual visqueren moltes famílies d’Ytterby

Johan Gadolin i la descoberta de l’itri

Johan Gadolin (*Åbo/Turku, Finlàndia, 5.6.1760) era fill del matrimoni format per Jakob Gadolin (*Strängnäs, Suècia, 24.10.1719) i Elisabeth Browallius. Els seus avis materns eren Johann Browallius (1707-1755) i Elisabeth (Kippius) Ehrenholm. El seu avi Browallius, que fou bisbe de Turku des del 1747 fins a la seva mort, havia estat també, a més de teòleg, home de ciència i en aquest sentit fou, des del 1740, membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències. Browallius és un exemple de forma llatina d’un renom germànic convertit en cognom. L’etimologia del cognom patern, Gadolin, és més curiosa. Si d’altres es procuraren un nom llatí com Magnus, l’avi patern del nostre Johan, adopta cognom Gadolin a partir del mot hebreu גדול (“gadol”), que vol dir justament això, “gran”. Amb aquest cognom, un dels fills del fundador de llinatge, Jakob Gadolin, ingressà en la Reial Acadèmia de Turku/Åbo en el 1736. Seguí la carrera eclesiàstica i es casà, com hem vist, amb la filla del bisbe de la ciutat. A tots els efectes, l’Església de Finlàndia era integrada en l’Església de Suècia, en el marc del concepte d’església nacional de la reforma luterana. A banda de les funcions eclesiàstiques, Jakob Gadolin fou, des del 1753, professor de física a la Reial Acadèmia de la ciutat i, des del 1762, professor de teologia. La política sueca de l’època encara girava al voltant dels dos partits oposats dels Hattarna i dels Mössarna. Gadolin s’arrenglerava amb els primers que, en política internacional, volien una Suècia que, mercès a l’aliança amb França, pogués plantar cara a l’expansionisme rus i prussià en el Bàltic. A partir del 1765, després de fallides recurrents del bel•licisme suec, els Mössarna reprengueren la política de realisme que, de fet, ha tingut continuïtat en la tradicional neutralitat que ha servat aquest regne.

En aquest context familiar, Johan Gadolin, des de la més tendra infantesa, fou iniciat en els estudis més exigents. Als cinc anys era ja sotmès a deu hores diàries d’estudi, a càrrec d’un instructor personal. L’esforç més gran era formar i exercir la capacitat memorística, tasca en la qual, com declararia molts anys més tard, no era pas entre els més ràpids. El pare posà èmfasi més tard en l’educació matemàtica, emprant com a llibres de texts els tractats d’Euclides i d’Arquimedes.

En el 1775, a 15 anys, Johan Gadolin començà a la Reial Acadèmia d’Åbo estudis universitaris. Per l’orientació paterna, s’inclinà primerament per les matemàtiques. Però a mesura que avançava, notava la seva inseguretat, mentre que alhora se sentia cada vegada més atret per les ciències naturals. Les conferències de Pehr Adrian Gadd (1727-1797) sobre química l’atragueren a aquesta disciplina.

Quan, en el 1779, viatjà a Uppsala per continuar els estudis universitaris, la intenció era prosseguir en el camí de la química analítica. El professor que més l’influí en Uppsala fou Torbern Bergman (1735-1784). Bergman, com hem vist en moltes d’aquestes pàgines, era al bell mig d’una xarxa de notables homes de ciències dedicats a la química i a la mineralogia, implicats en qüestions teòriques i en l’aplicació d’aquesta teoria en l’extracció i processament de minerals. La mineria i, en particular, la siderúrgia eren la columna vertebral d’una Suècia que, de mica en mica, oblidava els vells somnis de potència imperial. Gadolin tingué, en especial, bones relacions amb Johan Gottlieb Gahn (1745-1818) i Carl Wilhelm Scheele (1742-1786).

Es va graduar en química en el 1781, amb el treball “De analysi ferri”. En el 1782, amb la dissertació “De problemato catenario”, completà el mestratge en química. Retornat a Åbo en el 1783, l’any següent publicà “De teoria caloris corporum specifici”, disputació que l’obrí les portes a accedir a una plaça de professor adjunt de la Facultat de Filosofia de la ciutat (1785).

En el 1786 inicià una gira per diverses ciutats europees (Göttingen, Amsterdam, Londres, Dublin), per aprendre i compartir experiències principalment en la teoria de la calor. La col•laboració més fecunda fou potser amb Adair Crawford (1748-1795), professor de química en la Reial Acadèmia Militar de Woolwich, a Londres, i autor de “Experiments and Observations on Animal Heat” (1779). L’enfocament de Crawford era més experimental que teòrica, la qual cosa el permetia combinar els vells paradigmes de la teoria del flogist amb aportacions pràctiques a la química moderna que representaven, entre d’altres, Antoine Lavoisier o Joseph Priestley. A Londres, Gadolin també col•laborà amb Richard Kirwan (1733-1812). Però Gadolin també tragué molt de profit de les visites que realitzà a mines de l’Europa Central i de les Illes Britàniques. Administrador de mines (Bergrat) era Lorenz von Crell (1744-1816), que alhora era també professor de filosogia i medicina a la Universitat de Helmstedt i editor de Crell’s Annalen, una publicació pionera en la comunicació de noves recerques químics. Crell, que també era partidari de la teoria del flogist (que no descartà fins el 1799), fou una altra de les persones més influents en la gira de Gadolin. En el 1788, en els Annalen aparegué, signat per Gadolin, el treball “Einige Bemer Rei über die Natur des flogist”, un intent, en la línia de Kirwan i de Crell, d’adaptar la teoria del flogist a les noves evidències experimentals.

En el 1788, el pare de Johan Gadolin esdevenia bisbe d’Åbo. Fou més o menys en aquella època, que caigué en les mans de Gadolin mostres d’una roca negra i pesada que, en el 1787, Carl Axel Arrhenius havia trobat en antiga pedrera de feldspats d’Ytterby, a l’illa de Resarö, en l’arxipèlag d’Estocolm.

Arrhenius, tinent d’artilleria estacionat en aquelles dates del 1787 a Vaxholm, tenia una sòlida formació en mineralogia i química. En certa manera, Arrhenius era a les antípodes teòriques de Gadolin. Mentre Gadolin encara s’esforçava en salvar el flogist, Arrhenius, que havia conegut personalment Lavoisier, era partidari d’oblidar per sempre un concepte teòric massa confús. Tot i amb tot, fou Arrhenius qui trameté mostres de la roca en qüestió a Gadolin. Bengt Reinhold Geijer (1758-1815) i Sven Rinman (1720-1792) també havien analitzat aquest material. La diferència és que Gadolin sospità que entre els seus components hi havia una terra que no encaixava en les ja descrites.

La iterbita o gadolinita és un silicat que, a banda de contindre ferro, conté tota una altra sèrie d’elements. Gadolin identificà en el 1794 un d’aquests altres elements, però durant el segle XIX, la llista es faria més llarga: ceri, lantà, neodimi, beril•li, tori, etc.

D’acord amb el paradigma de Lavoisier, les diferents espècies de terra consistien en la forma oxidada d’un element metàl•lic o calx. En el 1788, Gadolin ja havia descrit que la proporció d’oxigen i metall podia variar en el cas de l’estany (SnO o SnO2). En el decurs dels seus experiments termoquímics, per valorar la calor específica i la calor latent de diferents substàncies químiques, havia adquirit una bona experiència per a l’anàlisi química, que va aplicar en el problema de la roca d’Ytterby. En el 1794, a “Undersökning af en svart tung Stenart ifrån Ytterby Stenbott i Roslagen”, publicat per la Reial Acadèmia Sueca de Ciència (a la qual pertanyia des del 1790), postulava l’existència d’una nova terra en aquest material, de la qual donava les característiques bàsiques un colp purificada.

Anders Gustaf Ekeberg

Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813), estudiant el mateix mineral, arriba a les mateixes conclusions de Gadolin en el 1797. Ekeberg denominà la nova terra com a “yttria”, a partir de la tres primeres lletres del topònim “Ytterby”. Martin Heinrich Klaproth (1743-1817), en un intent d’aclarir la nomenclatura, denominà gadolinita al mineral, i retingué el mot ítria per a la terra característica de la gadolinita, que suposa vora un terç de la massa del mineral.

Hom interpretà la ítria com una “substància simple terrosa”, com les que ja havia esmentat Lavoisier en el seu llistat de substàncies simples: calç, magnèsia, barita, alúmina i sílice. El llistat d’aquestes substàncies terroses anava en augment, i hom tendia a assignar-les el nom de “terres rares”, ja que eren presents tan sols en alguns minerals rars.

Foren els experiments electroquímics de Humphry Davy (1778-1829) els que conduirien finalment a contemplar les terres com a compostos, i a cercar els veritables elements que hi havia al darrera. Del calç, el calci; de la magnèsia, el magnesi; de la potassa, el potassi; etc. Això va fer que hom postulés que la ítria era l’òxid d’itri, i que l’itri (yttrium) en llatí era una substància simple metàl•lica.

Símbols químics emprats per John Dalton. El nombre 34, amb una creu, designa l’itri

Quan, en el 1813, Jöns Jacob Berzelius proposa un sistema de símbols químics basat en les inicials, l’itri, d’acord amb el nom llatí, Yttrium, es representat amb el símbol Y. Alternativament hom ha utilitzat Yt, però el símbol Y és el que quedà fixat definitivament a partir dels anys 1920. Amb les adaptacions fonètiques o ortogràfiques que correspongui, el nom de l’element parteix de la forma “yttrium”.

La definitiva inclusió de l’itri en les llistes d’elements químics i el reconeixement de la descoberta a Johan Gadolin contribuí al seu prestigi. En el 1794, l’any de la publicació de la descoberta, s’havia casat amb Hedwig Magdalena Thielmann, amb la qual tindria nou fills, el més conegut dels quals, Jakob Algot Gadolin (1797-1848) seria un notable teòleg i professor d’estudis bíblics. D’altra banda, el germà de Johan Gadolin, Gustaf Gadolin (1769-1843), havia esdevingut en el 1795 professor d’hebreu i de grec, i participà en la introducció del moviment neohumanista alemany en la Universitat d’Åbo. En el 1802, es moria el pare de Johan Gadolin, el bisbe Jakob Gadolin. Johan Gadolin mai no arribà a tindre la implicació política del seu pare, però sí va ser un impulsor de la Societat Agrícola Finlandesa i un dels fundadors de la Societat Econòmica de Finlàndia.

En el 1809, Finlàndia fou separada de Suècia i annexionada a l’Imperi Rus com a Gran Ducat. Gadolin, que ens ha deixat escrits en llatí, alemany, rus, anglès, francès i suec, s’adaptà a la nova situació que, teòricament, havia de respectar el caràcter luterà de l’Església de Finlàndia, que esdevenia així església nacional en ella mateixa. Gadolin era celebrat per les seves innovacions en la docència química, centrades en l’experimentació en el laboratori. Vidu de la primera dona, en el 1820 es casà amb Ebba Catalina Palanderin. En el 1822 va abandonar la càtedra universitària. En el 1827, el Gran Incendi que arrasà Åbo també destruí la casa i el laboratori de Gadolin. Es traslladà a Mynämäki, on es moriria el 15 d’agost del 1852, a l’edat de 92 anys.

Friedrich Wöhler

En el 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) aïllà per primera vegada la calx metàl•lica de l’ítria, és a dir l’itri elemental. Per fer-ho va obtindre prèviament de l’ítria, clorur d’itri anhidre, que va fer reaccionar amb potassi metàl•lic: YtCl3 + 3 K → 3 KCl + Yt

Carl Gustav Mosander

En el 1843, Carl Gustav Mosander (1797-1858), professor de química i farmàcia de l’Institut Karolinska, estudià diferents mostres d’ítria. Aplicant-hi tècniques de purificació, comprovà la presència de, si més no, dues substàncies. Recuperant el nom d’Ytterby, proposà deixar a la substància majoritària i blanca el nom d’yttria, amb les tres primeres lletres del topònim, deixant a la substància minoritària el nom d’erbia, amb les tres lletres següents del topònim. Però poc més tard comprovà que eren tres les substàncies presents en l’ítria original, de manera que proposà tres noms diferents:
– ítria (yttria) per a la substància blanca.
– èrbia (erbia) per a la substància de color groc.
– tèrbia (terbia) per a la substància de color rosat.

Mosander pensava que cadascuna d’aquestes substàncies era l’òxid d’un element químic, respectivament l’itri (Yt), l’erbi (Er) i el terbi (Tb), i així ho va publicar a Annalen der Physik en l’article titulat “Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lanthanium und Didymium, so wie über die mit der Yttererde vorkommenden neuen Metalle Erbium und Terbium”. La realitat d’aquesta separació tripartida fou contestada. Altres investigadors eren capaços de veure l’òxid rosat i de distingir-lo de l’ítria pròpiament dita, però no reconeixien l’òxid groc o bru. A partir del 1860, hom tendí a considerar que en realitat només hi havia dues substàncies, i descartat el terme “tèrbia”, s’emprà el d’èrbia per designar l’òxid de color rosat.

John Newlands, en la seva proposta de la llei de l’octet, no considera ni l’erbi ni el terbi. Com a símbol química de l’itri empra, senzillament, la Y, i li assigna un nombre elemental de 25. Això la situava amb el grup d’elements encapçalats pel bor (Bo), l’alumini (Al) i el crom (Cr). Fet i fet, tots compartien la propietat de formar òxids en fórmula X2O3, en el cas de l’itri, Y2O3 o ítria.

Dmitri Mendeleev, en la seva taula periòdica del 1869, indica la posició de l’itri amb un interrogant (“?Yt”), assignant-li un pes atòmic de 60 equivalent d’hidrogen. El col•loca en el tercer període, amb un grup propi, únicament compartit, en el quart període, pel didimi (Di).

En la taula de Mendeleev del 1871, més compacta, l’itri manté encara l’interrogant, i ara se li assigna un pes atòmic de 88. Se’l col•loca en el sisè període, en el grup del bor (B) i de l’alumini (Al), és a dir el grup 3 (els que formen òxids R2O3).

En qualsevol cas, la qüestió dels elements de les terres rares era controvertida. L’aplicació de les tècniques espectroscòpiques multiplicà la quantitat d’elements presents en la terra ítria sensu latu. En el 1877, hom donava a la raó a Mosander quant al caràcter tripartit de la terra ítria, recuperant el mot “tèrbia”, però assignant-lo ara per a l’òxid groc. En el 1878, Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) distingia en l’erbi (l’element de la terra rosada) dos elements, el neoerbi (que quedaria amb el nom d’erbi), i un segon element, al qual donà el nom del topònim complet d’Ytterby, és a dir ytterbium (iterbi, Yb). Per Teodor Cleve (1840-1905) diferenciava dins del mateix erbi, dos elements addicionals, que denominà tuli (en honor de Thule) i holmi (en honor d’Estocolm). Lars Nilson (1840-1899), en el mateix any, com vam veure en el seu dia, diferencià en l’iterbi, un altre element, al qual denominà, seguint els criteris toponímics, escandi (en honor d’Escàndia o Escandinàvia). En el 1886, Marignac distingia en el terbi un segon element, al que denominà gadolini, en memòria de Gadolin. El mateix any, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) distingia en l’holmi, un altre element, al que denominà disprosi. La proliferació d’elements de terres rares fou limitada en comprovar-se la identitat dels elements proposats. En el 1886, per exemple, William Crookes, en estudiar la samarskita, designà un nou element, simbolitzat com a Sδ, que seria després identificat espectroscòpicament com a itri.

Manta d’incandescència. La tela, impregnada amb nitrats metàl•lics, emet llum quan és escalfada. La primera manta d’incandescència moderna fou patentada per Carl Auer von Welsbach en el 1885 amb el nom d’Actinophor (literalment, portador de raigs). L’Actinophor es feia a partir d’una barreja del 60% d’òxid de magnesi, 20% d’òxid de lantà i 20% d’òxid d’itri. Fou una de les primeres aplicacions dels metalls de terres rares. No obstant, el disseny no reeixí fins que aquests òxids foren substituïts pel diòxid de tori

En separar-se els metalls de transició en la taula periòdica, l’itri fou instal•lat definitivament en el cinquè període dins del grup 3, és a dir el grup de l’escandi, i en el qual de vegades hom inclou directament lantànids i actínids.

En el 1987, Wu et al., emprant un òxid de coure, bari i itri (YBCO), aconseguiren el primer material superconductor (resistència elèctrica de 0) a una temperatura superior a 93 K. La superconductivitat ja havia estat descrita en el 1911 per Kamerling Onnes en mercuri metàl•lic a 4 K. El desenvolupament de superconductors YBCO ha girat sobretot al voltant de l’Y123, amb fórmula YBa2Cu3O7-x.

Pastilles del superconductor YBCO (a dalt) i disposició dels àtoms de coure i oxigen, que determina la presència dels àtoms de bari i itri (a sota)

L’itri: isòtops i abundància

L’itri és un element monoisotòpic i, així, la seva massa atòmica estàndard, 88,90584 uma, coincideix amb la del seu únic isòtop estable, 89Y. Un llistat complet dels isòtops coneguts fa:
– itri-76 (76Y; 75,95845 uma). Nucli format per 39 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 5•10-7 s.
– itri-77 (77Y; 76,94965 uma). Nucli format per 39 protons i 38 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,063 s. Decau normalment (>99,9%) a estronci-76 (amb emissió d’un protó) o, alternativament (<0,1%), a estronci-77 (amb emissió d’un positró).
– itri-78 (78Y; 77,94361 uma). Nucli format per 39 protons i 39 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,054 s. Decau a estronci-78, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (78mY), que té una semivida de 5,8 s.
– itri-79 (79Y; 78,93735 uma). Nucli format per 39 protons i 40 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 14,8 s. Decau normalment (>99,9%) a estronci-79 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a rubidi-78 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– itri-80 (80Y; 79,93428 uma). Nucli format per 39 protons i 41 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 30,1 s. Decau a estronci-80, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 228,5 keV (80m1Y; amb una semivida de 4,8 s) i un altre a 312,6 keV (80m2Y; amb una semivida de 4,7•10-6 s).
– itri-81 (81Y; 80,92913 uma). Nucli format per 39 protons i 42 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 70,4 s. Decau a estronci-81, amb emissió d’un positró.
– itri-82 (82Y; 81,92679 uma). Nucli format per 39 protons i 43 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,30 s. Decau a estronci-82, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastable, un a 402,63 keV (82m1Y; amb una semivida de 2,68•10-7 s) i un altre a 507,50 keV (82m2Y; amb una semivida de 1,47•10-7 s).
– itri-83 (83Y; 82,92235 uma). Nucli format per 39 protons i 44 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 425 s (7 minuts). Decau a estronci-83, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (83mY) a 61,98 keV, que té una semivida de 171 s, i que decau bé a l’estat basal (40%) o directament a estronci-83 (60%).
– itri-84 (84Y; 83,92039 uma). Nucli format per 39 protons i 45 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,6 s. Decau a estronci-84, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (84mY), que té una semivida de 2370 s, i que decau directament a estronci-84.
– itri-85 (85Y; 84,916433 uma). Nucli format per 39 protons i 46 neutrons. ÉS un isòtop inestable, amb una semivida de 9650 s (3 hores). Decau a estronci-85, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 19,8 keV (85m1Y; amb una semivida de 1,75•104 s, i que o bé decau a l’estat basal (0,002%) o directament (99,998%) a estronci-85) i un altre a 266,30 keV (85m2Y; amb una semivida de 1,78•10-7 s).
– itri-86 (86Y; 85,914886 uma). Nucli format per 39 protons i 47 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,306•104 s (15 hores). Decau a estronci-86, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 218,30 keV (86m1Y; amb una semivida de 2900 s; i que decau bé a l’estat basal (99,31%) o, directament (0,69%), a estronci-86) i un altre a 302,2 keV (86m2Y; amb una semivida de 1,25•10-7 s).
– itri-87 (87Y; 86,9108757 uma). Nucli format per 39 protons i 48 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,87•105 s (80 hores). Decau a estronci-87, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (87mY) a 380,82 keV, que té una semivida de 4,813•104 s, i que decau bé a l’estat (98,43%) o directament a estronci-87 (1,56%).
– itri-88 (88Y; 87,9095011 uma). Nucli format per 39 protons i 49 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,21162•106 s (107 dies). Decau a estronci-88, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables, un a 392,86 keV (88m2Y; amb una semivida de 3•10-4 s) i un altre a 674,55 keV (88m1Y; amb una semivida de 0,0139 s, i que decau a l’estat basal).
– itri-89 (89Y; 88,9058483 uma). Nucli format per 39 protons i 50 neutrons. És l’únic isòtop estable de l’itri, i pràcticament el 100% dels àtoms d’aquest element hi pertanyen. Part de la dotació de 89Y prové de la fissió d’isòtops radioactius pesants. Posseeix un estat metastable (89mY) a 908,97 keV, que té una semivida de 15,663 s, i que decau a l’estat basal.
– itri-90 (90Y; 89,9071519 uma). Nucli format per 39 protons i 51 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,3059•105 s (64 hores). Decau a zirconi-90, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió d’isòtops radioactius pesants, a través del seu isòtop parental 90Sr, amb el qual es troba en equilibri. Posseeix un estat metastable (90mY) a 681,67 keV, que té una semivida de 1,15•104 s, i que decau bé a l’estat basal (99,99%) o, directament, a zirconi-90 (0,0018%). L’90Y té nombroses aplicacions mèdiques, com ara en la confecció d’agulles per a reseccions d’alta precisió, o com a component de fàrmacs anticancerosos. En aquest sentit, 90Y és associat a anticossos monoclonals (com en Y 90 ibritumomab tiuxetan), fornint la radiació beta intensa, que afectarà diferencialment (gràcies a l’anticós) a les cèl•lules tumorals.
– itri-91 (91Y; 90,907305 uma). Nucli format per 39 protons i 52 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,055•106 s (59 dies). Decau a zirconi-91, amb emissió d’un electró. És producte de la fissió d’isòtops radioactius pesants. Posseeix un estat metastable (91mY) a 555,58 keV, que té una semivida de 2983 s (50 minuts), i que decau a l’estat basal (98,5%) o bé directament a zirconi-91 (1,5%).
– itri-92 (92Y; 91,908949 uma). Nucli format per 39 protons i 53 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,27•104 s (4 hores). Decau a zirconi-92, amb emissió d’un electró.
– itri-93 (93Y; 92,909583 uma). Nucli format per 39 protons i 54 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,665•104 s (10 hores). Decau a zirconi-93, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (93mY) a 758,719 keV, que té una semivida de 0,820 s, i que decau a l’estat basal.
– itri-94 (94Y; 93,911595 uma). Nucli format per 39 protons i 55 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1120 s (19 minuts). Decau a zirconi-94, amb emissió d’un electró.
– itri-95 (95Y; 94,912821 uma). Nucli format per 39 protons i 56 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 618 s (10 minuts). Decau a zirconi-95, amb emissió d’un electró.
– itri-96 (96Y; 95,915891 uma). Nucli format per 39 protons i 57 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,34 s. Decau a zirconi-96, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (96mY) a 1140 keV, que té una semivida de 9,6 s, i que decau directament a zirconi-96.
– itri-97 (97Y; 96,918134 uma). Nucli format per 39 protons i 58 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,75 s. Decau normalment (99,942%) a zirconi-97 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,058%) a zirconi-96 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix dos estats metastable, un a 667,51 keV (97m1Y; amb una semivida de 1,17 s; i que decau bé a l’estat basal (0,7%) o directament a zirconi-97 (99,3%) o a zirconi-96 (0,08%)) i un altre a 3523,3 keV (97m2Y; amb una semivida de 0,142 s).
– itri-98 (98Y; 97,922203 uma). Nucli format per 39 protons i 59 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,548 s. Decau normalment (99,669%) a zirconi-98 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,331%) a zirconi-97 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix quatre estats metastables, el primer a 170,74 keV (98m1Y; amb una semivida de 6,20•10-7 s), el segon a 410 keV (98m2Y; amb una semivida de 2,0 s; decau bé a l’estat basal (10%) o directament a zirconi-98 (86,6%) o a zirconi-97 (3,4%)), el tercer a 496,19 keV (98m3Y; amb una semivida de 7,6•10-6 s); el quart a 1181,1 keV (98m4Y; amb una semivida de 8,3•10-7 s).
– itri-99 (99Y; 98,924636 uma). Nucli format per 39 protons i 60 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,470 s. Decau majoritàriament (98,1%) a zirconi-99 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,9%), a zirconi-98 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (99mY) a 2141,65 keV, que té una semivida de 8,6•10-6 s.
– itri-100 (100Y; 99,92776 uma). Nucli format per 39 protons i 61 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,735 s. Decau normalment (98,98%) a zirconi-100 o, alternativament (1,02%), a zirconi-99 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (100mY) a 200 keV, que té una semivida de 0,940 s, i que decau directament a zirconi-100.
– itri-101 (101Y; 100,93031 uma). Nucli format per 39 protons i 62 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,426 s. Decau majoritàriament (98,06%) a zirconi-101 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,94%), a zirconi-100 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– itri-102 (102Y; 101,93356 uma). Nucli format per 39 protons i 63 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,30 s. Decau majoritàriament (95,1%) a zirconi-102 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (4,9%), a zirconi-101 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (102mY) a 200 keV, que té una semivida de 0,36 s, i que decau bé a zirconi-102 (94%) o a zirconi-101 (6%).
– itri-103 (103Y; 102,93673 uma). Nucli format per 39 protons i 64 electrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,224 s. Decau majoritàriament (91,7%) a zirconi-103 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (8,3%), a zirconi-102 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– itri-104 (104Y; 103,94105 uma). Nucli format per 39 protons i 65 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,18 s. Decau a zirconi-104, amb emissió d’un electró.
– itri-105 (105Y; 104,94487 uma). Nucli format per 39 protons i 66 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,06 s. Decau a zirconi-105, amb emissió d’un electró.
– itri-106 (106Y; 105,94979 uma). Nucli format per 39 protons i 67 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,05 s. Decau a zirconi-106, amb emissió d’un electró.
– itri-107 (107Y; 106,95414 uma). Nucli format per 39 protons i 68 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,03 s.
– itri-108 (108Y; 107,95948 uma). Nucli format per 39 protons i 69 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,02 s.

L’àtom neutre d’itri conté 39 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2. Això el situa com a element del cinquè període del grup 3 (el grup de l’escandi), dins del bloc d (metalls de transició). No obstant, com l’escandi, és considerat també un element de terra rara (bloc f) i col•locat al costat, en aquest sentit, dels lantànids. Al voltant de l’itri també es defineix el grup dels ítrids, en el qual es compten els elements descoberts en l’ítria (itri, terbi, gadolini, erbi, tuli, holmi, disprosi, escandi, iterbi i luteci). L’estat d’oxidació gairebé exclusiu de l’itri és +3 (Y3+, corresponent a la ionització dels electrons de 4d i 5s), però també podem trobar-lo ocasionalment amb +2 (en algunes preparacions de clorur d’itri), +1 (p.ex. en òxid d’itri en fase gasosa) o 0. El radi atòmic és de 1,80•10-10 m.

Itri metàl•lic dendrític, obtingut per sublimació, amb un grau de puresa del 99,99% (a l’esquerra) i un cub d’itri refós en arc d’argó de 99,9%

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, l’itri elemental es presenta com un sòlid metàl•lic, d’aspecte argentí, tou, llustrós i altament cristal•lí (estructura hexagonal altament empacada). A una temperatura de 273,16 K i a una pressió de 101325 Pa, la densitat és de 4472 kg•m-3. L’itri sòlid pot formar diferents al•lòtrops.

En condicions estàndards de pressió, l’itri elemental fon a 1799 K. La densitat de l’itri líquid en el punt de fusió és de 4240 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, l’itri elemental bull a 3203 K.

Peça d’itri metàl•lic

Els blocs d’itri elemental són relativament estable en presència d’aire atmosfèric, gràcies a la formació d’una capa passiva superficial de Y2O3. Aquesta pel•lícula d’òxid pot arribar a un gruix de 0,01 mm quan l’itri metàl•lic és escalfat a 1000 K en vapor d’aigua. L’itri elemental en virolles, però, és molt més reactiu amb l’aire, i pot entrar en ignició a temperatures de més de 650 K. En una atmosfera de nitrogen, l’itri elemental dóna lloc al nitrur (YN) a temperatures de més de 1300 K.

L’oxidació de l’itri elemental és ràpida en aigua. Els cations Y3+, desprovistos d’electrons en l’orbital 4d, són incolors en solució aquosa.

En línies generals, la reactivitat de l’itri i, en particular, dels ions Y3+, és la típica dels lantànids. Entre els compostos d’itri podem citar:
– òxid d’itri (III), Y2O3, corresponent a l’ítria en sentit estricte. En condicions estàndards es presenta com un sòlid blanc, estable en aire atmosfèric, amb una densitat de 5010 kg•m-3.
– sals solubles en aigua de l’itri són el bromur (YBr3), el clorur (YCl3), el iodur (YI3), el nitrat (Y(NO3)3) i el sulfat (Y2(SO4)3). En general els halurs d’itri es formen fàcilment a temperatures de més de 470 K. Els compostos binaris amb calcògens i pnictògens requereixen temperatures superiors.
– compostos insolubles en aigua de l’itri són el fluorur (YF3) i l’hidròxid (Y(OH)3).
– compostos organoitriats. En alguns casos, l’itri presenta un estat d’oxidació de 0, però el més habiutal és el de +3. El material per a la síntesi d’aquests compostos sol ser YCl3.
– carburs (Y3C, Y2C, YC2)

L’abundància de l’itri és condicionada pels processos de nucleosíntesi d’estels massius, pel fet que tan sols presenta un únic isòtop estable (89Y) i per les rutes de desintegració d’isòtops radioactius pesants, com ara l’urani. El 72% de la nucleosíntesi d’itri té lloc a través del procés s (captura lenta de neutrons per part d’elements més lleugers, especialment en estels gegants pulsàtils) i un 28% a través del procés r (captura ràpida de neutrons per part d’elements més lleugers durant explosions de supernova). La rellevància del procés s, que s’explica pel fet que 89Y s’apropa a una massa de 90 uma i que té un nombre de neutrons de 50, contribueix positivament a l’abundància d’aquest element. No obstant, com correspon a un element de Z senar i, a més, monoisotòpic, l’itri és menys abundant que els elements que el flanquegen en la taula periòdica, l’estronci i el zirconi. Fet i fet, dels elements de Z, únicament el beril•li és menys abundant (en termes atòmics) que l’itri. Ara bé, dels elements de Z superior, a banda del zirconi, cap no el supera en abundor.

En la Terra, l’itri té una abundància atòmica de 2,90 ppm (0,89 ppm en termes de massa). Es tracta d’un element litòfil, que assoleix en l’escorça terrestre una abundància superior, de 32 ppm (en termes de massa, que el fa el 30è element en abundància litosfèrica). El trobem gairebé sempre en minerals de terres rares, en forma de Y2O3 o d’altres compostos (com l’YPO4, l’YAsO4), però també en alguns minerals d’urani. D’acord amb les mostres de roques lunars recollida per l’Apol•lo, l’escorça lunar té un contingut d’itri superior a la terrestre.

Xenotimi, un mineral de fosfats de terres rares. El seu principal component és l’ortofosfat d’itri (YPO4).

La concentració d’itri en típica sòls és de 23 ppm (en termes de massa, expressada en pes sec de sòl), amb valors que van de 10-150 ppm.

La distribució en la hidrosfera depèn del context geològic i dels nivells d’ions que puguin afectar la solubilitat de Y3+. La concentració típica a l’oceà és de 13 μg•m-3.

La presència a l’atmosfera és en forma de traces. En ambients laborals, es considera que el límit d’exposició permissible continuada no hauria de depassar 1 mg•m-3, i que cal considerar com a immediatament perillós qualsevol pic més enllà de 500 mg•m-3.

Es desconeix si l’itri té cap funció biològica. La quantitat d’itri pot ser variable en diferents organismes. Per exemple, la concentració en vegetals comestibles pot variar normalment entre 20-100 ppm (en termes de massa expressats sobre pes fresc), amb les carbasses en la banda alta de la variació. En llavors de plantes llenyoses podem trobar concentracions de fins a 700 ppm, la més elevades en teixits biològics.

En un cos humà típic de 70 kg, hi hauria un contingut d’itri de 0,6 mg. MacDonald et al. (1952) descrigueren l’acumulació relativa d’Y3+ en el teixit ossi. També trobem concentracions més elevades d’itri en el fetge, en el ronyó, la melsa i els pulmons. En la llet l’itri pot assolir concentracions típiques de 4 ppm.

L’itri metàl•lic és considerat altament tòxic i, en forma de pols, és altament inflamable. Els compostos d’itri solubles en aigua són considerats moderadament tòxic. Els compostos insolubles, en canvi, són considerats menys tòxics. Els efectes tòxics varien segons el compost, la dosi o la via d’administració.

Hom ha descrit que l’exposició a compostos d’itri pot provocar malaltia pulmonar. Especialment treballadors exposats a vanadat d’itri i europi (YVO4:Eu3+) han mostrat irritacions (oculars, cutànies, respiratòries), per bé que probablement sigui més per culpa del V que de l’Y. La intoxicació aguda per via aèria pot provocar ofec.

Aplicacions de l’itri

La producció mundial anual d’òxid d’itri és de 8900 tones, valor que ha anat en creixement continu en els darrers anys (600 tones en el 2001). Les fonts d’itri són les típiques dels elements de terres rares, particularment dels lantànids. Pel radi iònic de l’Y3+, el trobem particularment amb els elements pesants de terres rares, malgrat el seu modest pes atòmic. Així, l’itri és poc abundant en la bastnäsita (amb una concentració del 0,1%) i tan sols una mica més en la monazita (2%-3%). En canvi, és molt més abundant en el xenotimi, on el contingut de fosfat d’itri pot suposar fins a un 60% de la massa. El dipòsit de Bayan Obo és una de les fonts més destacables d’itri

Els dipòsits de Bayan Obo, a la Mongòlia Interior, foren explotats originàriament, des del 1927, com una font de ferro. En el 1936, hom descobrí grans quantitats de minerals de terres rares

Argiles d’absorció iònica que resulten de la meteorització de granit constitueixen una altra font de terres rares. Després del processament, hom arriba a una concentració d’itri del 8%. El total de reserves explotables, comptades les diferents fonts, és de 9 milions de tones.

Sigui quina sigui la font, la consecució de Y2O3 requereix de complexes tècniques de separació. Per exemple, el mineral de terra rara pot ser dissolt en àcid sulfúric i fraccionat en cromatografia de bescanvi iònic: l’addició d’àcid oxàlic precipita selectivament l’itri, en forma d’oxalat d’itri, que és després convertir a òxid d’itri escalfant-lo en presència d’oxigen.

Una part de la producció d’òxid d’itri es destina a l’obtenció de sals d’itri. Per fer-ne, es fa reaccionar Y2O3 amb HF, obtenint YF3. Per a obtenir sals d’itri de fins a 99,999%, hom pot emprar com a extractants sals quaternàries d’amoni, amb nitrat com a contra-ió.

A partir d’YF3 s’obté, per reducció amb un aliatge de calci-magnesi, itri metàl•lic en forma d’esponja. La producció anual d’itri metàl•lic es d’unes poques tones. Si el preu de l’itri metàl•lic (99,9%) és de l’ordre de 60 $/kg, el preu de l’òxid d’itri (99,999%) és de 15 $/kg

Quantitativament, l’aplicació més rellevant de l’itri és com a component de fòsfors. Així el trobem en els fòsfors que fan el color vermell en pantalles de tub de raigs catòdics però també en LEDs. Hom pot utilitzar l’Y2O3 com a base per a la constitució del fòsfor Y2O2S:Eu3+. O bé com a constituent del fòsfor YVO4:Eu3+. En tots dos casos, el color vermell és emès pels cations Eu3+, mentre que l’itri serveix com a suport estructural i en la transmissió de l’energia cap a l’europi. En menor grau, l’itri és emprat en fòsfors verds basats en el catió Tb3+. En l’elaboració de LEDs blancs hom empra Y3Al5O12:Ce com a fòsfor.

Una altra aplicació destacada és la de component de granats sintètics:
– el granat d’itri i ferro (YIG, Y3Fe5O12) és utilitzat com a filtre de microones, i com a transmissor i transductor d’energia acústica.
– Y3(Fe,Al)5O12 o Y3(Fe,Ga)5O12 són d’interès per les seves propietats magnètiques.
– la duresa del granat d’itri i alumini (YAG, Y3Al5O12), de 8,5 en l’escala de Mohs, fa que sigui emprat en joieria com a imitació de diamant.

L’itri és afegit en petites quantitats (típicament de 0,1%-0,2%) en diversos aliatges. Ajuda a augmentar la força d’aliatges d’alumini i de magnesi, i a reduir la mida de gran en aliatges de crom, molibdè, titani i zirconi.

Altres usos que podem esmentar són:
– compostos d’itri com a catalitzadors en la polimerització d’etilè.
– compostos d’itri (YAG, Y2O3, LiYF4, YVO4) són, dopats amb Nd, Er o Yb, són utilitzats en làsers d’infraroig proper. Els làsers de YAG permeten operar a alta potència, i així tenen aplicacions en perforació i tall de metalls.
– ús d’itri metàl•lic en elèctrodes en bugies d’encesa d’alta capacitat.
– ús d’itri en mantes d’incandescència. Per bé que històricament, per a aquest ús, hom ha preferit l’òxid de tori, el fet que el tori sigui radioactiu fa que hom hagi recuperat l’ús d’òxid d’itri en la confecció de mantes d’incandescència i de llanternes de propà.
– en el tub d’escapament de vehicles, el zirconi estabilitzat amb itri troba aplicacions com a sensor d’oxigen.
– l’itri és emprat com a additiu que han de suportar altes temperatures, com lents de càmeres.

Bastó de Nd:YAG, emprat en la generació de làser d’infraroig proper. El granat YAG és produït per aquesta i altres aplicacions mitjançant el procés de Czochralski, que permet l’obtenció de cristalls individuals de mida gran.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: