L'yttrium est l'élément chimique de numéro atomique 39, de symbole Y. C'est un élément de transition dont le comportement chimique est proche de celui des lanthanides, et classé historiquement, avec le scandium et les lanthanides, parmi les terres rares. L'yttrium possède un seul isotope stable qui est également son seul isotope naturel, 89Y, faisant de lui à la fois un élément monoisotopique et un élément mononucléidique. Le corps simple a l'aspect d'un métal.
Dans la nature, on ne rencontre jamais l'yttrium à l'état natif, mais le plus souvent combiné avec des lanthanides dans des minerais de terres rares. L'yttrium a été découvert en 1794, sous forme d'oxyde, par Johan Gadolin 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.
L'utilisation la plus importante de l'yttrium est la fabrication de luminophores, tels ceux utilisés dans les téléviseurs à tube cathodique ou les LED. 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 à ce métal peut causer des maladies pulmonaires chez l'homme.
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). Pensant qu'il s'agit d'un minéral inconnu contenant du tungstène, élément qui vient d'être découvertEmsley 2001, ., 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 échantillons à plusieurs chimistes pour des analysesVan der Krogt 2005..
vignette|150px|gauche|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 1794Gadolin 1794.. Ces travaux sont confirmés en 1797 par Anders Gustaf Ekeberg qui baptise le nouvel oxyde yttria.. 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 signifie 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 et 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 là encore prêter à confusion).. En 1878, Jean Charles Galissard de Marignac isole un quatrième oxyde, l'oxyde d'ytterbium.. Les nouveaux éléments seront ensuite isolés à partir de chacun de leurs oxydes, et baptisés d'une manière qui rappelle le nom du village, Ytterby (yttrium, ytterbium, terbium, et erbium). Au cours des décennies suivantes, sept autres métaux seront découverts dans l'yttria de Gadolin. Comme finalement cet yttria n'était pas une terre mais un minéral, Martin Heinrich Klaproth le renomme gadolinite en hommage à Gadolin.
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 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 imposé dans les usages.
Caractéristiques vignette|gauche|Yttrium, sublimé dendritiques
Isotopes
L'yttrium possède 33 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 76 et 108, et 29 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, un seul est stable, 89Y, et constitue l'intégralité de l'yttrium naturellement présent, faisant de l'yttrium un élément monoisotopique et aussi un élément mononucléidique. Sa masse atomique standard est donc la masse isotopique de 89Y, soit .
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. C'est le premier élément du groupe d de la cinquième période de la classification.
L'yttrium pur est relativement 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 lorsqu'il est chauffé à en présence de vapeur d'eau. Réduit en poudre ou copeaux, l'yttrium n'est pas stable à l'air, et peut s'enflammer spontanément si la température dépasse . Lorsqu'il est chauffé à sous azote, il se forme du nitrure d'yttrium YN.
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. et se rencontre toujours dans des minerais de terres-rares dans la natureEmsley 2001, .
Chimiquement, l'yttrium ressemble plus aux lanthanides que son voisin dans la classification périodique le scandiumDaane 1968, . Si ces propriétés physiques étaient tracées en fonction du 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 classificationDaane 1968, .
Sa réactivité chimique ressemble à celle du terbium et du dysprosium. Son rayon atomique est si proche de ceux des terres-rares lourdes qu'en solution il se comporte comme l'une d'entre elles.. Bien que les lanthanides soient situés une ligne en dessous de l'yttrium dans la classification périodique, cette similitude de rayons ioniques s'explique par la contraction des lanthanides..
L'une des quelques différences notables entre la chimie des lanthanides et celle de l'yttrium c'est que ce dernier ne se rencontre quasiment qu'à l'état trivalent, alors qu'à peu près la moitié des terres rares peuvent posséder des états de valence différentsDaane 1968, .
Composés de l'yttrium et réactions le mettant en jeu En tant que métal de transition trivalent, l'yttrium forme de nombreux composés inorganiques, généralement à l'état d'oxydation +3, en mettant en jeu ses trois électrons de valence dans des liaisons.. C'est le cas par exemple de l'oxyde d'yttrium ().
L'yttrium se rencontre sous forme de fluorure, d'hydroxyde ou d'oxalate insolubles dans l'eau. En revanche, le bromure, le chlorure, l'iodure, le nitrate et le sulfate sont solubles dans l'eau. L'ion Y3+ en solution est incolore du fait de l'absence d'électrons électron d ou f dans sa structure électronique.
L'yttrium réagit vivement avec l'eau pour former de l'oxyde d'yttrium. Il n'est pas attaqué rapidement par l'acide nitrique concentré ou l'acide fluorhydrique, mais l'est par d'autres acides forts.
Avec les halogènes, il forme des trihalogénures à des températures de l'ordre de . Il forme également des composés binaires avec le carbone, le phosphore, le sélénium, le silicium et le soufre à températures élevées.
L'yttrium est également présent dans des composés organométalliques. Un petit nombre sont connus avec l'yttrium au degré d'oxydation 0 (le degré +2 a été observé dans des chlorures fondus et l'état +1 dans des clusters d'oxyde en phase gazeuse). Des réactions de trimérisation ont été observées mettant en jeu des organo-yttriens comme catalyseurs. Ces composés ont été obtenus à partir de chlorure d'yttrium, lui-même formé par réaction d'oxyde d'yttrium, d'acide chlorhydrique concentré et de chlorure d'ammonium.
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.
Occurrence Abondance, gisements L'yttrium est présent dans la plupart des minéraux contenant des terres-rares, ainsi que dans certains minerais d'uranium, mais ne se rencontre jamais à l'état natif dans la nature..
On trouve l'yttrium dans les sables de monazite et bastnäsite . Il est très difficile à séparer des autres métaux de la même famille auxquels il est toujours associé. L'yttrium apparaît dans un grand nombre de minéraux, toujours associé aux autres terres rares : l'allanite (sorosilicate), ou orthite, la bastnäsite ; la bétafite et la samarskite où il est associé à l'uranium ; et encore l'euxénite, la fergusonite, la gadolinite, le xénotime. Ces minerais sont plus ou moins radioactifs.
Les échantillons lunaires collectés au cours du programme Apollo contiennent une quantité notable d'yttriumStwertka 1998, ..
L'yttrium est présent dans la croute terrestre à hauteur de ., ce qui en fait le élément le plus abondant, avec une abondance plus élevée que celle de l'argent. On le trouve dans les sols à une concentration de (moyenne dans les masses à sec de ) et dans l'eau de mer à une concentration de .
L'yttrium ne joue aucun rôle biologique connu, mais on le rencontre dans la plupart (si ce n'est tous) des organismes, et il se concentre chez l'homme dans le foie, les reins, les poumons, la rate et les os.. Il n'y a normalement pas plus de d'yttrium dans le corps humain. On le trouve à hauteur de dans le lait maternel. Les plantes comestibles en contiennent à des concentrations comprises entre , les concentrations les plus élevées se rencontrant dans le chou. Les plantes ligneuses possèdent les concentrations d'yttrium les plus élevées connues avec .
Gisements En avril 2018, alors que la Chine et l'Australie sont les premiers producteurs de terres rares, dans la revue Nature des chercheurs japonais estiment que les gisements nouveaux détectés à l'Est du Japon représentent sur environ de tonnes de terres rares, situées dans le sédiment marin, à plus de de profondeur ; sur , le fond contiendrait là plus de de tonnes d'oxydes de terres rares, soit 780 ans d'approvisionnement mondial en yttrium (et aussi 730 ans de réserve de dysprosium, 620 ans pour l'europium, 420 ans pour le terbium, selon une publication d' dans Scientific Reports The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements, Nature, 10 avril 2018.Science (2018), Global trove of rare earth metals found in Japan’s deep-sea mud par Roni Dengler | 13 avril 2018 .
Formation Dans le système solaire, l'yttrium s'est formé par nucléosynthèse stellaire, majoritairement par processus s (≈72 %) et minoritairement par processus r (≈28 %).
Tous les éléments du groupe 3 possèdent un nombre impair de protons et ont donc peu d'isotopes stables.. L'yttrium n'en possède qu'un, 89Y, qui est également le seul qui se rencontre dans la nature. L'abondance de l'yttrium 89 est plus élevée que ce qu'elle devrait être au premier abord. Ceci s'explique par le fait que son processus de formation, lent, tend à favoriser les isotopes de nombre de masse voisin de 90, 138 ou 208, qui possède un noyau atomique inhabituellement stable avec 50, 82 et 126 neutrons respectivement... 89Y possède un nombre de masse de 89 et 50 neutrons dans son noyau.
Production Les similitudes de propriétés chimiques de l'yttrium et des lanthanides font qu'il est concentré dans la nature 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 famille) et les terres rares lourdes (fin de la famille), mais cette séparation n'est jamais complète. Bien qu'il possède une masse atomique plus faible, l'yttrium se concentre du côté des terres rares lourdes.