最終更新日: 2025年12月18日

イットリウム (39): 革新的な技術応用を持つ希土類元素

イットリウムの発見の歴史

イットリウムは、4つの化学元素に名前を与えたスウェーデンの小さな村に関連する魅力的な歴史を持っています。 1787年、スウェーデンの陸軍中尉でアマチュア化学者のCarl Axel Arrhenius (1757-1824) は、ストックホルムの群島にあるレサロー島のイッテルビー村近くで、通常とは異なる黒い鉱物を発見し、それをytterbite（現在のガドリナイト）と名付けました。

1794年、フィンランドの化学者Johan Gadolin (1760-1852) はこの鉱物を分析し、新しい希土類酸化物であると信じてyttria（酸化イットリウム、Y₂O₃）と名付けました。しかし、この酸化物には実際には複数の希土類元素が混在しており、それらを全て分離するのに1世紀以上かかりました。

純粋なイットリウム金属は1828年、ドイツの化学者Friedrich Wöhler (1800-1882) が塩化イットリウム (YCl₃) をカリウムで還元することに成功して初めて単離されました。しかし、得られた金属にはまだ不純物が含まれていました。20世紀初頭に、より高度な分離技術が開発されて初めて、本当に純粋なイットリウムが得られました。

イットリウムという名前はイッテルビー村に由来し、この村は同じ鉱石から発見された他の3つの元素、イッテルビウム (Yb)、テルビウム (Tb)、エルビウム (Er) の名前の由来でもあります。世界中でこれほど多くの化学元素に名前を与えた場所は他にありません。

構造と基本的な性質

イットリウム（記号 Y、原子番号 39）は周期表の3族に属する遷移金属です。化学的にはランタノイド（希土類元素）に非常に似ていますが、4f軌道に電子を持たないため、厳密にはランタノイドには分類されません。その原子は39個の陽子、50個の中性子（安定同位体 \(\,^{89}\mathrm{Y}\) の場合）、および39個の電子を持ち、電子配置は [Kr] 4d¹ 5s² です。

室温では、イットリウムは銀白色の光沢を持つ固体金属で、遷移金属としては比較的軽い（密度 ≈ 4.47 g/cm³）です。室温では六方最密充填構造を持ち、1,478 °C 以上では体心立方構造に変化します。

イットリウムは比較的柔らかく展性に富む金属で、容易に機械加工、圧延、引き伸ばしが可能です。電気および熱伝導性に優れ、遷移金属に典型的な性質を示します。ほとんどの希土類元素と同様に、イットリウムは室温で常磁性を示します。

イットリウムの顕著な特性の一つは、酸素との強い親和性です。室温では、表面が酸化イットリウム (Y₂O₃) の薄い層で覆われ、その後の酸化から部分的に保護されます。しかし、湿度のある環境や高温では酸化が速く進行します。微粉末のイットリウムは空気中で自然発火することもあります（発火性）。

イットリウムの融点（液体状態）は 1,799 K（1,526 °C）です。
イットリウムの沸点（気体状態）は 3,609 K（3,336 °C）です。

イットリウムの同位体表

イットリウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
イットリウム-89 — \(\,^{89}\mathrm{Y}\,\)	39	50	88.905848 u	100 %	安定	イットリウムの唯一の安定かつ天然の同位体。単核種元素。
イットリウム-90 — \(\,^{90}\mathrm{Y}\,\)	39	51	89.907152 u	合成	≈ 64.0 時間	放射性 (β⁻)。純粋なベータ放出体で、放射線療法や核医学で特定の癌（放射性マイクロスフェア）の治療に使用されます。
イットリウム-88 — \(\,^{88}\mathrm{Y}\,\)	39	49	87.909501 u	合成	≈ 106.6 日	放射性 (電子捕獲、β⁺)。陽電子放出体で、PET画像診断（陽電子放出断層撮影）に使用されます。
イットリウム-91 — \(\,^{91}\mathrm{Y}\,\)	39	52	90.907305 u	合成	≈ 58.5 日	放射性 (β⁻)。原子炉での核分裂生成物。放射性降下物の寄与要因。
イットリウム-87 — \(\,^{87}\mathrm{Y}\,\)	39	48	86.910876 u	合成	≈ 79.8 時間	放射性 (電子捕獲、β⁺)。医学研究に使用されます。

イットリウムの電子配置と電子殻

注記:
電子殻: 電子が原子核の周りにどのように配置されているか

イットリウムは39個の電子を持ち、それらは5つの電子殻に分布しています。その完全な電子配置は 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹ 5s² で、簡略化すると [Kr] 4d¹ 5s² となります。この配置は K(2) L(8) M(18) N(8) O(3) と書くこともできます。

電子殻の詳細な構造

K殻 (n=1): 1s 軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶ に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ に18個の電子が分布しています。この殻は3d軌道が完全に満たされています。
N殻 (n=4): 4s² 4p⁶ に8個の電子が分布しています。この殻は貴ガス（クリプトン）の配置を持ち、簡略化された電子配置が [Kr] で始まる理由を説明します。
O殻 (n=5): 4d¹ 5s² に3個の電子が分布しています。これらの3個の電子はイットリウムの価電子です。

価電子と酸化状態

最外殻の3個の電子（4d¹ 5s²）はイットリウムの価電子です。この配置はその化学的性質を説明します：

イットリウムのほぼ唯一の酸化状態は+3で、3個の価電子を失って Y³⁺ イオンを形成し、安定な [Kr] 配置（クリプトンと等電子）となります。この貴ガス配置は非常に安定であるため、イットリウムはほぼ排他的に酸化状態 +3 の化合物を形成します。

酸化状態 +2 と +1 は非常に希な有機金属化合物や極端な実験条件下で観察されていますが、非常に不安定で迅速に再酸化します。酸化状態 +3 がイットリウムの化学を完全に支配しています。

化学的反応性

イットリウムは比較的反応性の高い金属で、特に酸素や水に対して反応性が高いです。室温では、表面が酸化イットリウム (Y₂O₃) の薄い層で覆われ、その後の酸化から部分的に保護されます。しかし、この保護は不完全で、特に湿度がある場合は酸化が速く進行します。

イットリウムは室温では酸素とゆっくり反応しますが、高温 (> 400 °C) では激しく反応し、酸化イットリウム(III) を形成します：4Y + 3O₂ → 2Y₂O₃。微粉末のイットリウムは空気中で自然発火することがあり（発火性）、強い光を放ちます。

水との反応では、室温ではゆっくりと反応しますが、加熱すると水酸化イットリウムを形成し、水素ガスを放出します：2Y + 6H₂O → 2Y(OH)₃ + 3H₂。この反応は温度の上昇とともに著しく加速します。

イットリウムの産業および技術的応用

液体窒素温度（77 K）以上で動作する高温超伝導体 YBCO（YBa₂Cu₃O₇）;
外科、産業、研究で使用される YAG レーザー（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット、Y₃Al₅O₁₂）;
テレビ画面、モニター、LED の蛍光体（特に Y₂O₃:Eu³⁺ が赤色、YAG:Ce³⁺ が白色 LED）;
高い熱的および機械的耐性を持つ技術セラミックス（イットリア安定化ジルコニア、YSZ）の製造;
高温固体酸化物形燃料電池（SOFC）用の固体電解質;
アルミニウムおよびマグネシウム合金の添加剤として、機械的強度と酸化抵抗性を向上;
鉄およびステンレス鋼合金の添加剤として、延性と耐食性を向上;
極端な温度に耐えるるつぼや耐火材料;
核医学（⁹⁰Y）での肝臓腫瘍や特定のリンパ腫の標的放射線療法;
熱衝撃や放射線に耐性のある特殊光学ガラスの製造;
放射線検出器（YAP、YSO）用のシンチレータ結晶のドーパント;
ディーゼル微粒子フィルター（DPF）で熱安定性を向上;
石油のクラッキングや自動車の触媒変換用の触媒;
希土類-コバルト合金の一部の永久磁石;
ガスタービンや航空機の反応器を保護する熱障壁コーティング;
TIG 溶接電極（タングステン不活性ガス）で電気アークを改善.

天体物理学と宇宙論における役割

イットリウムは、星の中で複数の核合成プロセスによって合成されます。主に、II型超新星爆発中のシリコンの爆発的燃焼によって、質量数 A ≈ 90 の領域の核が生成されます。AGB星（漸近巨星分枝）での s プロセス（遅い中性子捕獲）もイットリウムの生成に寄与します。

安定同位体 \(\,^{89}\mathrm{Y}\) はイットリウムの唯一の天然同位体（単核種元素）であり、宇宙での存在量の研究を簡素化します。この同位体の一意性は、39個の陽子と50個の中性子を持つ核の特別な安定性を反映しており、これは中性子の魔法数 N = 50 に近いです。

宇宙におけるイットリウムの存在量は、希土類元素としては比較的高く、水素の原子数に対して約 5 × 10⁻¹⁰ 倍です。この存在量は、ネオジムやサマリウムと同じレベルにありますが、イットリウム自体はランタノイドではありません。

金属に乏しい古い星で測定されたイットリウム/鉄 ([Y/Fe]) 比は、原始的な核合成に関する重要な情報を提供します。銀河ハローの非常に古い星は比較的一定の [Y/Fe] 比を示し、イットリウムと鉄の両方が主にII型超新星によって生成されることを示唆していますが、異なるプロセスによって生成されます。

イットリウムのイオン化スペクトル線 (Y II) は星のスペクトルで容易に観測でき、星の化学組成の重要な指標となります。Y II の 3982.6 Å の線は特に星の分光法で使用されます。若い星、古い星、金属に乏しい星など、異なる集団の星におけるこれらの線の研究は、銀河の化学的進化の歴史をたどるのに役立ちます。

原始的な隕石におけるイットリウムおよび他の難揮発性元素の存在量の分析は、原始太陽系星雲における凝縮と化学的分別のプロセスを理解するのに役立ちます。イットリウムは難揮発性元素（高温で凝縮する）であるため、最も古い隕石の特定の鉱物タイプに優先的に濃縮されます。

イットリウムの放射性同位体、特に ⁸⁸Y と ⁹⁰Y は超新星爆発で生成され、これらのイベントの残光（数か月から数年）に短期間寄与します。これらの同位体の研究は、恒星爆発の詳細なメカニズムを理解するのに役立ちます。

注記:
イットリウムは地殻中に約0.0033%の質量濃度（33 ppm）で存在し、鉛、スズ、モリブデンよりも豊富です。「希土類」という名前にもかかわらず、イットリウムは特に希少ではありません。この歴史的な名称は、その抽出と精製の難しさを反映しており、絶対的な希少性を意味するものではありません。

イットリウムは独自の鉱石を形成せず、常に希土類鉱物中のランタノイドと共存します。主なイットリウム含有鉱物は、ゼノタイム（YPO₄、重希土類に富むイットリウムリン酸塩、最大60%のY₂O₃を含む）、バストネサイト（(Ce,La,Y)CO₃F、軽希土類のフッ化炭酸塩、0.1〜10%のY₂O₃を含む）、モナザイト（(Ce,La,Nd,Th)PO₄、2〜3%のY₂O₃を含む希土類リン酸塩）、および中国南部のイオン吸着粘土（中・重希土類に富み、イットリウムを含む）です。

イットリウムの抽出は複雑で高価です。鉱石はまず濃縮酸で処理され、希土類を溶解します。その後、溶媒抽出（有機キレート剤を使用）、イオン交換樹脂によるイオン交換、または分別沈殿などの高度な分離技術が用いられます。これらのプロセスは、希土類の化学的性質が非常に類似しているため、何度も繰り返す必要があります。 Y₂O₃の最終的な還元は、真空または不活性ガス雰囲気下でカルシウムによる金属熱還元によって行われ、その後、過剰なカルシウムを除去するために蒸留が行われます。

イットリウム含有希土類酸化物の世界生産は、中国（世界生産の約60%）が主導し、次いで米国、オーストラリア、ミャンマー、インドが続きます。主要な鉱床には、内モンゴルのバイユンオボ（中国）、カリフォルニアのマウンテンパス（米国）、オーストラリアのマウントウェルド、および江西省のイオン吸着粘土（中国）があります。イットリウムの年間生産量は約8,900トン（Y₂O₃換算）です。

イットリウムのリサイクルは、需要の急速な増加（年間約8%、特に永久磁石、使用済みディスプレイの蛍光体、触媒向け）により戦略的に重要になっています。しかし、現在のリサイクル率は技術的な複雑さと回収プロセスの高コストのため、依然として低い（< 1%）です。欧州連合と米国は、イットリウムを先端技術（再生可能エネルギー、防衛、電子機器）への重要性と生産の地理的集中のため、重要な戦略物資に分類しています。