Новости Нефтегазовая пром.
Выставки Наука и технология


Лютеций

Лютеций


Лютеций

Лютеций
Твёрдый, плотный, серебристо-белый металл
Лютеций
Название, символ, номерЛютеций / Lutetium (Lu), 71
Атомная масса
(молярная масса)
174,9668(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация[Xe] 4f14 5d1 6s2
Радиус атома175 пм
Ковалентный радиус156 пм
Радиус иона(+3e) 85 пм
Электроотрицательность1,27 (шкала Полинга)
Электродный потенциалLu←Lu3+ -2,30 В
Степени окисления3
Энергия ионизации
(первый электрон)
 513,0 (5,32) кДж/моль (эВ)
Плотность (при н. у.)9,8404 г/см³
Температура плавления1936 K
Температура кипения3668 K
Уд. теплота испарения414 кДж/моль
Молярная теплоёмкость26,5 Дж/(K·моль)
Молярный объём17,8 см³/моль
Структура решёткигексагональная
Параметры решёткиa=3,503 c=5,551
Отношение c/a1,585
Теплопроводность(300 K) (16,4) Вт/(м·К)
Номер CAS7439-94-3

71
Лютеций
Lu
174,9668
4f145d16s2

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

Основная статья: Изотопы лютеция

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).

Энергия возбуждения
Символ
нуклида
Z(p)N(n)Масса изотопа
(а. е. м.)
Период
полураспада
(T1/2)
Спин и чётность
ядра
150Lu7179149,9732343 мс2+
151Lu7180150,9675880,6 мс11/2-
152Lu7181151,96412650 мс5-
153Lu7182152,95877900 мс11/2-
154Lu7183153,957521 с2-
155Lu7184154,95431668,6 мс11/2-
156Lu7185155,95303494 мс2-
157Lu7186156,9500986,8 с1/2+
158Lu7187157,94931310,6 с2-
159Lu7188158,9466312,1 с1/2+
160Lu7189159,9460336,1 с2-
161Lu7190160,9435777 с1/2+
162Lu7191161,943281,37 мин1-
163Lu7192162,941183,97 мин1/2+
164Lu7193163,941343,14 мин1-
165Lu7194164,93940710,74 мин1/2+
166Lu7195165,939862,65 мин6-
167Lu7196166,9382751,5 мин7/2+
168Lu7197167,938745,5 мин6-
169Lu7198168,93765134,06 ч7/2+
170Lu7199169,9384752,012 сут0+
171Lu71100170,93791318,24 сут7/2+
172Lu71101171,9390866,70 сут4-
173Lu71102172,93893061,37 лет7/2+
174Lu71103173,94033753,31 лет1-
175Lu71104174,9407718стабилен7/2+
176Lu71105175,94268633,85⋅1010 лет7-
177Lu71106176,94375816,6475 дня7/2+
178Lu71107177,94595528,4 мин1+
179Lu71108178,9473274,59 ч7/2+
180Lu71109179,949885,7 мин5+
181Lu71110180,951973,5 мин7/2+
182Lu71111181,955042,0 мин1
183Lu71112182,9575758 с7/2+
184Lu71113183,9609120 с3+

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.