Ítrio, mensageiro da tecnologia

O ítrio é um metal de transição existente em quase todos os minerais onde são encontradas as terras raras e também nos minerais do urânio, mas  não é encontrado na natureza como um elemento isolado. Ele tem símbolo Y e número atômico 39.

É um metal de coloração e brilho prateado considerado estável em contato com o ar, uma vez que uma fina camada de óxido se forma em sua superfície, impedindo o ataque da substância metálica. Contudo, essa camada acaba diminuindo o brilho do metal. Ele se parece muito com o escândio e quimicamente se assemelha aos lantanídeos. Lascas ou aparas do metal podem inflamar quando aquecidas a mais de 400°C. Quando o ítrio é finamente dividido, é muito instável no ar.

Sendo semelhante ao lantânio e aos demais lantanídeos, a química do ítrio é aquela em que este apresenta estado de oxidação +3, quando este elemento perde seus três elétrons de valência (4s² e 5d¹).

No entanto, também existem compostos de cluster (conjunto de átomos ligados de tamanho intermediário entre uma molécula e um sólido em massa) nos quais o ítrio pode assumir estados de oxidação menor que 3. O ítrio é muito reativo com ácidos, o cátion é incolor em solução aquosa e seus sais são brancos.

Há um total de 32 isótopos de ítrio, entre ⁷⁶Y e ¹⁰⁸Y, destes, apenas o ⁸⁹Y é estável. Os radioisótopos mais estáveis ​​são ⁸⁸Y com uma meia vida de aproximadamente 106 dias e ⁹¹Y com uma meia vida de 58 dias. Todos os outros isótopos têm uma meia vida inferior, o ⁸⁷Y, tem uma meia vida de 80 horas, e o ⁹⁰Y com 64 horas.

O ítrio é recuperado comercialmente da areia de monazita, um fosfato que pode conter, além do ítrio, diversos elementos de terras raras, como cério (Ce); lantânio (La); neodímio (Nd); praseodímio (Pr) e tório (Th), com teor de 3%. Também é recuperado da bastnasita, um fluorcarbonato de terras-raras, com teor de 0,2%. O mineral xenotima (ortofosfato de ítrio ), pode conter até 50% de fosfato de ítrio. O ítrio é produzido comercialmente pela redução do fluoreto de ítrio com cálcio metálico, mas também pode ser produzido usando outras técnicas. É difícil separá-lo de outras terras raras e, quando extraído, é um pó cinza escuro.

Amostras de rochas lunares obtidas durante as missões Apollo, da NASA, revelaram que algumas delas contêm ítrio. Em especial, a missão da Apollo 17, a última tripulada à lua, em dezembro de 1972, que pela primeira vez levou um geólogo. Dois astronautas da Apollo 17 passaram  três dias explorando o Vale Taurus-Littrow e coletaram mais de 100 quilos de rochas lunares para estudos. Entre outras coisas, encontraram cinzas vulcânicas alaranjadas de 3,6 bilhões de anos.

O ítrio não desempenha nenhuma função biológica. Seus sais solúveis são levemente tóxicos.

O quebra cabeça das terras raras

As terras raras, um grupo de 17 elementos químicos, constituíram um complicado quebra cabeça para os químicos durante séculos. Mas este quebra cabeça começou a ser montado com a descoberta do ítrio, no final do século 18.

A história começa em 1787, quando o mineralogista sueco Karl Arrhenius encontrou uma rocha preta bastante incomum numa antiga pedreira em Ytterby, na Suécia. Ele pensou ter encontrado um novo mineral de tungstênio, e entregou a amostra da rocha para que fosse analisada por Johan Gadolin, químico finlandês. Em 1794 Gadolin percebeu que a rocha preta, do mineral iterbita (posteriormente renomeada como gadolinita, em sua homenagem), continha um óxido de novos elementos de terras-raras e relatou que a rocha apresentava uma nova “terra” com 38 por cento de seu peso. A “nova terra” de Gadolin foi estudada por 1797 por Anders Gustav Ekeberg, professor da Universidade de Uppsala, que confirmou os dados de Gadolin e a chamou de “terra ítria” (óxido de ítria) em homenagem ao local onde o mineral fora descoberto.

O metal em si foi isolado pela primeira vez em 1828 pelo químico alemão Friedrich Wöhler que fez passar gás cloro pelo mineral gadolinita, e assim formou cloreto de ítrio (YCl₃) anidro, o qual foi posteriormente reduzido a ítrio metálico utilizando potássio. No entanto, o ítrio ainda escondia outros elementos.Em 1843, o químico sueco Carl Mosander investigou o óxido de ítrio mais profundamente e descobriu que ele consistia em três óxidos: óxido de ítrio, branco; óxido de térbio, amarelo; e óxido de érbio, rosa.

No fim, descobriu-se que a rocha preta descoberta por Arrhenius continha óxidos de oito metais terras-raras: érbio; térbio; itérbio; escândio; túlio; hólmio; disprósio e lutécio.

Quanto à reatividade, o ítrio pode reagir com os halogênios, em temperatura ambiente; com gás oxigênio e com a maioria dos ametais, sob aquecimento. Além disso, o ítrio também reage lentamente com água e se dissolve em ácidos diluídos, liberando gás hidrogênio.

Usos do ítrio

O ítrio tem aplicações de grande importância no campo dos eletrônicos. Como muitos elementos de terras-raras, compostos de ítrio, como o Y₂O₃, têm propriedades luminescentes (emitem luz mediante um estímulo, como radiação ionizante), sendo também conhecidos como fósforos. Fósforos de ítrio eram aplicados nos tubos de televisores coloridos para a produção das cores primárias verde, azul e vermelho.

Esses compostos podem ser utilizados em outros materiais além dos televisores. É possível usá-los na fabricação de fibras ópticas, lâmpadas fluorescentes, LEDs, tintas, vernizes e telas de computadores.

 Também possui aplicações industriais relevantes, como na fabricação de catalisadores e supercondutores, que são materiais sem resistência elétrica.

Com alto ponto de fusão, alta resistência mecânica e baixas características de expansão do óxido de ítrio, este pode ser usado na composição de cerâmicas e vidros. As cerâmicas de ítrio são utilizadas como abrasivos e materiais refratários (resistentes a altas temperaturas) para a produção de sensores de oxigênio em carros; camadas protetoras de motores de jatos; instrumentos de corte com resistência à corrosão e ao desgaste.

Devido às propriedades luminescentes, o ítrio também pode ser utilizado na fabricação de lasers, como no caso do laser Nd:YAG, cuja sigla significa granada de ítrio e alumínio, de fórmula Y₃Al₅O₁₂, dopado com neodímio (Nd). No caso do Nd:YAG, o neodímio, estando na forma de íon Nd³⁺ é o responsável pela emissão da luz laser, enquanto os cristais de YAG são responsáveis por serem a matriz sólida.

Granada em mineralogia é o nome de um grupo de pedras preciosas. Geralmente aparecem na natureza na forma de belos cristais granulares. A granada de ítrio-alumínio, é usada em lasers que podem cortar metais. Esse laser, de grande potência, pode ser utilizado em procedimentos cirúrgicos na medicina e na odontologia; nas comunicações digitais; na medição de temperatura e de distância; em máquinas de corte industriais; e em experimentos no campo da fotoquímica.

Uma aplicação comum na medicina é no campo da oftalmologia, em que o laser é usado no tratamento para descolamento de retina e para correção de miopia. Na dermatologia, serve para esfoliação da pele.

Granadas de ítrio-ferro, alumínio e gadolínio, com fórmulas como Y₃Fe₅O₁₂ e Y₃Al₅O₁₂, têm interessantes propriedades magnéticas. A granada de ítrio-ferro também é excepcionalmente eficiente como transmissora e transdutora de energia acústica. A granada de ítrio-alumínio, com dureza de 8,5, é usada como pedra preciosa, em substituição ao diamante.

O ítrio também é utilizado em supercondutores. Isso porque em 1987, físicos norte-americanos descobriram propriedades supercondutoras de um composto de ítrio, YBa ₂Cu₃O₇, usualmente denominado YBCO. Os supercondutores são materiais capazes de conduzir eletricidade sem resistência, em uma temperatura muito baixa, conhecida como temperatura crítica.

Os supercondutores estão no centro do efeito da levitação magnética (ou quântica), em que um campo magnético (ímã) permite a levitação do supercondutor, explicado pelo efeito Meissner. Tal tecnologia foi explorada para a produção dos trens Maglev, os quais flutuam sobre os trilhos.

O ítrio também é utilizado como aditivo em ligas. Ele aumenta a resistência das ligas de alumínio e magnésio. O metal pode ser usado como um desoxidante para vanádio e outros metais não ferrosos.

O isótopo radioativo ítrio-90 tem usos médicos. Pode ser usado para tratar alguns tipos de câncer, como câncer de fígado.

Assista aos vídeos produzidos pela Universidade de Notthingham, no Reino Unido, sobre as características do ítrio:

Produção

O mineral xenotima, que pode conter até 50% de fosfato de ítrio, é extraído na China e na Malásia. O ítrio também ocorre em outros minerais, como a monazita e a bastnasita, onde são encontradas as demais terras raras.

Comercialmente, o ítrio é obtido da areia monazítica, que contém cerca de 3% de ítrio ou da bastnasita (fluorcarbonato de metais de terras-raras), que contém cerca de 0,2%.

De acordo com o Departamento Geológico dos Estados Unidos, a bastnasita foi extraída em 2023 como um produto primário na Mina de Mountain Pass, na Califórnia, que teve a produção reativada depois de cinco anos de paralisação. O ítrio foi estimado em cerca de 0,12% dos elementos de terras raras obtidos no minério de bastnasita de Mountain Pass.

O Departamento Geológico dos Estados Unidos informou também que a China produziu a maior parte do suprimento mundial de ítrio em 2023 a partir de seus depósitos de minérios nas províncias do sul, principalmente Fujian, Guangdong e Jiangxi, e de alguns depósitos em Guangxi e Hunan. O ítrio também foi produzido a partir de depósitos de argila semelhantes na Birmânia.

A produção mundial de ítrio contido em concentrados de minerais de terras raras foi estimada entre 10 mil e 15 mil toneladas em 2023. A maior parte dessa produção ocorreu na China e na Birmânia. As reservas globais de óxido de ítrio (Y₂O₃) não foram quantificadas; no entanto, os países que possuem as maiores reservas de óxidos de terras raras incluem o Brasil e também Austrália, China, Rússia e Vietnã, segundo dados do Departamento Geológico dos Estados Unidos, que mapeia a produção, o comércio e as reservas mundiais de minerais.

No Brasil, a Agência Nacional de Mineração informa que as principais reservas de terras raras estão associadas a rochas alcalinas-carbonatíticas em Araxá, Poços de Caldas e Tapira, no estado de Minas Gerais; em Catalão, Goiás; Jacupiranga e Itapirapuã no estado de São Paulo; associados a granitos em Pitinga, no Amazonas, e a argilas iônicas (minérios de aluminossilicato que contêm elementos de terras raras) em Minaçu, Goiás. Também há depósitos de paleoplaceres (depósitos naturais de minerais), uma associação de monazita e ilmenita, em São Francisco do Itabapoana, no estado do Rio de Janeiro, e São Gonçalo do Sapucaí, em Minas Gerais, além de placers continentais em associação com cassiterita em Bom Futuro, Rondônia.

Apesar do Brasil possuir reservas de terras raras em várias regiões de seu território, não houve produção bruta desses elementos em 2021, último ano em que foram disponibilizados os dados do setor. A Agência Nacional de Mineração informa que apenas houve uma produção beneficiada de 903 toneladas de concentrado de monazita destinado ao mercado externo proveniente de estoques das Indústrias Nucleares do Brasil.

Referências

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Texto produzido pela jornalista Mari Elizabeth Menda da Gerência de Relações Institucionais do CRQ-SP
e  revisado pela Profa. Márcia Guekezian, Coordenadora do curso de Engenharia Química
da Faculdade de São Bernardo do Campo – FASB