Лютеций

Лютеций (химический символ — Lu; лат. Lutetium) — химический элемент, относящийся к группе лантаноидов.

История открытия

Элемент в виде оксида в 1907 году независимо друг от друга открыли французский химик Жорж Урбэн, австрийский минералог Карл Ауэр фон Вельсбах и американский химик Чарльз Джеймс. Все они обнаружили лютеций в виде примеси к оксиду иттербия, который, в свою очередь, был открыт в 1878 г. как примесь к оксиду эрбия, выделенному в 1843 г. из оксида иттрия, обнаруженного в 1797 г. в минерале гадолините. Все эти редкоземельные элементы имеют очень близкие химические свойства. Приоритет открытия принадлежит Ж. Урбэну.

Происхождение названия

Название элемента его первооткрыватель Жорж Урбен произвёл от латинского названия Парижа — Lutetia Parisorum. Для иттербия, от которого был отделён лютеций, было предложено название неоиттербий. Оспаривавший приоритет открытия элемента Фон Вельсбах предложил для лютеция название кассиопий (cassiopium), а для иттербия — альдебараний (aldebaranium) в честь созвездия Северного полушария и самой яркой звезды созвездия Тельца, соответственно. Учитывая приоритет Урбена в разделении лютеция и иттербия, в 1914 году Международная комиссия по атомным весам приняла название Lutecium, которое в 1949 г. было изменено на Lutetium (русское название не менялось). Тем не менее, до начала 1960-х годов в работах немецких учёных употреблялось название кассиопий.

Получение

Для получения лютеция производится его выделение из минералов вместе с другими тяжёлыми редкоземельными элементами. Отделение лютеция от других лантаноидов ведут методами экстракции, ионного обмена или дробной кристаллизацией, а металлический лютеций получается при восстановлении кальцием из фторида LuF₃.

Цены

Цена металлического лютеция чистотой >99,9 % составляет 3,5—5,5 тыс. долларов за 1 кг. Лютеций является самым дорогим из редкоземельных металлов, что обусловлено трудностью его выделения из смеси редкоземельных элементов и ограниченностью использования.

Свойства

Физические свойства

Лютеций — металл серебристо-белого цвета, легко поддаётся механической обработке. Он является самым тяжёлым элементом среди лантаноидов как по атомному весу, так и по плотности (9,8404 г/см³). Температура плавления лютеция (1663 °C) максимальна среди всех редкоземельных элементов. Благодаря эффекту лантаноидного сжатия среди всех лантаноидов лютеций имеет наименьшие атомный и ионный радиусы.

Химические свойства

При комнатной температуре на воздухе лютеций покрывается плотной оксидной плёнкой, при температуре 400 °C окисляется. При нагреве взаимодействует с галогенами, серой и другими неметаллами.

Лютеций реагирует с неорганическими кислотами с образованием солей. При упаривании водорастворимых солей лютеция (хлоридов, сульфатов, ацетатов, нитратов) образуются кристаллогидраты.

При взаимодействии водных растворов солей лютеция с фтороводородной кислотой образуется очень малорастворимый осадок фторида лютеция LuF₃. Это же соединение можно получить при реакции оксида лютеция Lu₂O₃ с газообразным фтороводородом или фтором.

Гидроксид лютеция образуется при гидролизе его водорастворимых солей.

Аналитическое определение

Как и другие редкоземельные элементы, может быть определён фотометрически с реагентом ализариновый красный С.

Применение

Носители информации

Феррогранаты, допированные лютецием (например, гадолиний-галлиевый гранат, GGG), используются для производства носителей информации на ЦМД (цилиндрических магнитных доменах).

Лазерные материалы

Используется для генерации лазерного излучения на ионах лютеция. Скандат лютеция, галлат лютеция, алюминат лютеция, легированные гольмием и тулием, генерируют излучение с длиной волны 2,69 мкм, а ионами неодима — 1,06 мкм, и являются превосходными материалами для производства мощных лазеров военного назначения и для медицины.

Магнитные материалы

Сплавы для очень мощных постоянных магнитов систем лютеций-железо-алюминий и лютеций-железо-кремний обладают очень высокой магнитной энергией, стабильностью свойств и высокой точкой Кюри, но очень высокая стоимость лютеция ограничивает их применение только наиболее ответственными областями использования (специальные исследования, космос и др.).

Жаропрочная проводящая керамика

Некоторое применение находит хромит лютеция.

Ядерная физика и энергетика

Оксид лютеция находит небольшое по объему применение в атомной технике как поглотитель нейтронов, а также в качестве активационного детектора. Монокристаллический силикат лютеция (LSO), допированный церием, является очень хорошим сцинтиллятором и в этом качестве используется для детектирования частиц в ядерной физике, физике элементарных частиц, ядерной медицине (в частности, в позитрон-эмиссионной томографии).

Высокотемпературная сверхпроводимость

Оксид лютеция применяется для регулирования свойств сверхпроводящих металлооксидных керамик.

Металлургия

Добавление лютеция к хрому и его сплавам придает лучшие механические характеристики и улучшает технологичность.

В последние годы значительный интерес к лютецию обусловлен, например, тем, что при легировании лютецием ряда жаростойких материалов и сплавов на хромоникелевой основе резко возрастает их срок службы.

Изотопы

Природный лютеций состоит из двух изотопов: стабильного ¹⁷⁵Lu (изотопная распространённость 97,41 %) и долгоживущего бета-радиоактивного ¹⁷⁶Lu (изотопная распространённость 2,59 %, период полураспада 3,78⋅10¹⁰ лет), который распадается в стабильный гафний-176. Радиоактивный ¹⁷⁶Lu используется в одной из методик ядерной гео- и космохронологии (лютеций-гафниевое датирование). Известны также 32 искусственных радиоизотопа лютеция (от ¹⁵⁰Lu до ¹⁸⁴Lu), у некоторых из них обнаружены метастабильные состояния (общим числом 18).

Распространённость в природе

Содержание в земной коре — 0,00008 % по массе. Содержание в морской воде — 0,0000012 мг/л. Основные промышленные минералы — ксенотим, эвксенит, бастнезит.

Биологическая роль

Растворимые соли малотоксичны.