Лютеций (Lu) Lutetium
Быстрый поиск по тексту
История Лютеция
Материал Лютеций был открыт в ходе долгого исследования земли иттербии. Содержание Лютеция в исследуемой земле иттербия было открыто французским химиком Жоржом Урбэном. Это открытие пришлось на начало 1905 года. История открытия элемента Лютеция достаточно запутана, поскольку в разные периоды времени данный материал переименовывался и открывался заново множество раз. Окончательное своё название данный элемент получил только в начале 1914 года, когда комиссия по исследованию атомных технологий вынесла своё решение по названию химического элемента под номером 71. Лютеций, в переводе с древнего латинского языка (Lutetia) – название Парижа.
На сегодняшний день, цена одного килограмма Лютеция составляет порядка 3,5 тыс. долларов США. В некоторые периоды времени цена доходила до 5,5 тыс. долларов США за 1 килограмм.
Химический свойства элемента
В природе, лютеций находится в двух своих изотопах Lu 176 и Lu 175. В большей степени (97,4%), природный лютеций находится в формате изотопа Lu 175. Данный материал достаточно радиоактивен и особо вреден для организма человека.
Данный материал плохо растворим в воде, поскольку в его состав входят такие элементы как: фторид, оксалат, фосфат и карбонат лютеция. Данные материал плохо растворимы в водных растворах, что приводит к полной нерастворимости Лютеция в воде.
При воздействии кислорода на активную поверхность данного материала, происходит мгновенный процесс окисления. Весь материал покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая не даёт ионам кислорода разрушить внутреннюю кристаллическую решётку Лютеция. Данной особенностью обладают практически все редкоземельные материалы, поскольку они залегают в малых количествах и достаточно глубоко под поверхностью земли.
Сам материал подвергается внутреннему окислению при температуре свыше 400 градусов по Цельсию. При определённом нагреве, Лютеций способен к химическим реакциям с серой, галогенами и другими неметаллами. При реакции с неорганическими кислотами, Лютеций выделяет определённое количество солей.
Физические свойства элемента
В природе Лютеций обладает ярким серебристо-белым цветом. Одной из основных особенностей данного материала, является предрасположенность к лёгкой механической обработке. Именно по этой причине лютеций является одним из самых дорогих редкоземельных материалов на земле. По своей плотности и атомному весу, Лютеций является самым тяжелым материалом не только среди редкоземельных металлов, но и других лантаноидов.
Лютеций является рекордсменом по физическим показателям среди редкоземельных элементов, например, он обладает самой высокой температурой плавления в 1663 градуса по Цельсию, что делает его самым тугоплавким редкоземельным элементом на земле. Плотность данного элемента составляет 9,849 г/см 3.
Сплавы лютеция обладают высокими магнитными свойствами, именно поэтому Лютеций часто используется в металлургии и огнеупорном производстве. Чаще всего Лютеций используется для заготовления прочной огнеупорной керамики, поскольку обладает большой плотностью и высокой температурой плавления. За счёт своих магнитных свойств, Лютеций не редко используется при изготовлении некоторых информационных накопителей и системных плат, что значительно расширяет область его применения. Также не обошлось и без участия атомной индустрии, в этой области Лютеций используется в качестве мощного поглотителя нейтронов атома.
Производство Лютеция
В отличие от остальных редкоземельных материалов, Лютеций добывается достаточно сложно. В чистом виде данного материала в природе не существует, его добывают из нескольких типов также редкоземельных пород. Основным добытчиком и производителем данного материала является Китай и Индия, причём Китай занимает практически 98% всего рынка по производству и реализации минералов Лютеция. В совершенно небольших долях, данный материал производится и в США, доля рынка этой страны не превышает 0,8 %, оставшийся процент рынка забрала на себя Индия.
Как уже упоминалось, данный материал добывается из других редкоземельных элементов двумя способами – обычная кристаллизация путём дробления и искусственная экстракция элемента. Что касаемо иона металлического Лютеция, здесь в ход вступает восстановление и обогащение кальцием такого элемента как Фторид.
Искусственный синтез Лютеция
Поскольку данного материала в чистом виде в природе не существует, многие производители синтезируют его искусственно. Всё производство США и Индии на все 100% связаны с искусственным обогащением Фторида кальцием, после чего и получаются ионы Лютеция. В угоду своей редкости и сложности в добыче и изготовлении, всего в мире производится порядка 250 тысяч тонн Лютеция в чистом виде. Абсолютным лидером по объёму производства является Китай, поскольку только на его территории производится порядка 225 тысяч тонн Лютеция в год.
Для реализации искусственного синтеза данного материала используют сразу несколько технологий. Каждая из этих технологий связана с искусственным обогащением того или иного материала, для получения кристаллических элементов Лютеция. Самым эффективным синтезом является люминесценция LnL3 соединения, однако этот процесс затрачивает множество финансовых и энергетических ресурсов.
Лютеций
Лютеций (химический символ — Lu; лат. Lutetium ) — химический элемент, относящийся к группе лантаноидов.
Содержание
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.
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 175 Lu (изотопная распространённость 97,41 %) и долгоживущего бета-радиоактивного 176 Lu (изотопная распространённость 2,59 %, период полураспада 3,78⋅10 10 лет), который распадается в стабильный гафний-176. Радиоактивный 176 Lu используется в одной из методик ядерной гео- и космохронологии (лютеций-гафниевое датирование). Известны также 32 искусственных радиоизотопа лютеция (от 150 Lu до 184 Lu), 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 |
| 150 Lu | 71 | 79 | 149,97323 | 43 мс | 2+ |
| 151 Lu | 71 | 80 | 150,96758 | 80,6 мс | 11/2- |
| 152 Lu | 71 | 81 | 151,96412 | 650 мс | 5- |
| 153 Lu | 71 | 82 | 152,95877 | 900 мс | 11/2- |
| 154 Lu | 71 | 83 | 153,95752 | 1 с | 2- |
| 155 Lu | 71 | 84 | 154,954316 | 68,6 мс | 11/2- |
| 156 Lu | 71 | 85 | 155,95303 | 494 мс | 2- |
| 157 Lu | 71 | 86 | 156,950098 | 6,8 с | 1/2+ |
| 158 Lu | 71 | 87 | 157,949313 | 10,6 с | 2- |
| 159 Lu | 71 | 88 | 158,94663 | 12,1 с | 1/2+ |
| 160 Lu | 71 | 89 | 159,94603 | 36,1 с | 2- |
| 161 Lu | 71 | 90 | 160,94357 | 77 с | 1/2+ |
| 162 Lu | 71 | 91 | 161,94328 | 1,37 мин | 1- |
| 163 Lu | 71 | 92 | 162,94118 | 3,97 мин | 1/2+ |
| 164 Lu | 71 | 93 | 163,94134 | 3,14 мин | 1- |
| 165 Lu | 71 | 94 | 164,939407 | 10,74 мин | 1/2+ |
| 166 Lu | 71 | 95 | 165,93986 | 2,65 мин | 6- |
| 167 Lu | 71 | 96 | 166,93827 | 51,5 мин | 7/2+ |
| 168 Lu | 71 | 97 | 167,93874 | 5,5 мин | 6- |
| 169 Lu | 71 | 98 | 168,937651 | 34,06 ч | 7/2+ |
| 170 Lu | 71 | 99 | 169,938475 | 2,012 сут | 0+ |
| 171 Lu | 71 | 100 | 170,9379131 | 8,24 сут | 7/2+ |
| 172 Lu | 71 | 101 | 171,939086 | 6,70 сут | 4- |
| 173 Lu | 71 | 102 | 172,9389306 | 1,37 лет | 7/2+ |
| 174 Lu | 71 | 103 | 173,9403375 | 3,31 лет | 1- |
| 175 Lu | 71 | 104 | 174,9407718 | стабилен | 7/2+ |
| 176 Lu | 71 | 105 | 175,9426863 | 3,85⋅10 10 лет | 7- |
| 177 Lu | 71 | 106 | 176,9437581 | 6,6475 дня | 7/2+ |
| 178 Lu | 71 | 107 | 177,945955 | 28,4 мин | 1+ |
| 179 Lu | 71 | 108 | 178,947327 | 4,59 ч | 7/2+ |
| 180 Lu | 71 | 109 | 179,94988 | 5,7 мин | 5+ |
| 181 Lu | 71 | 110 | 180,95197 | 3,5 мин | 7/2+ |
| 182 Lu | 71 | 111 | 181,95504 | 2,0 мин | 1 |
| 183 Lu | 71 | 112 | 182,95757 | 58 с | 7/2+ |
| 184 Lu | 71 | 113 | 183,96091 | 20 с | 3+ |
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.
Лютеций
Люте́ций / Lutetium (Lu), 71
[Xe] 4f 14 5d 1 6s 2
Лютеций — химический элемент, относящийся к группе лантаноидов.
Содержание
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.
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 мало растворимый 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 175 Lu (изотопная распространённость 97,41 %) и долгоживущего бета-радиоактивного 176 Lu (изотопная распространённость 2,59 %, период полураспада 3,78·10 10 лет), который распадается в стабильный гафний-176. Радиоактивный 176 Lu используется в одной из методик ядерной гео- и космохронологии (лютеций-гафниевое датирование). Известны также 32 искусственных радиоизотопа лютеция (от 150 Lu до 184 Lu), у некоторых из них обнаружены метастабильные состояния (общим числом 18).
| Нуклид | Период полураспада | Форма распада | Спин и чётность ядра |
|---|---|---|---|
| 150 Lu Лютеций-150 | 43(5) мс | p : 68.00 % ε : 32.00 % | |
| 151 Lu Лютеций-151 | 80.6(19) мс | p : 63.40 % ε : 36.60 % | |
| 152 Lu Лютеций-152 | 650(70) мс | ε : 100.00 % εp : 15.00 | |
| 153 Lu Лютеций-153 | 0.9(2) с | α ≈ 70.00 % | |
| 154 Lu Лютеций-154 | ≈ 2 с | (9+) | |
| 155 Lu Лютеций-155 | 68(1) мс | 1/2+ | |
| 156 Lu Лютеций-156 | 494(12) мс | 9+ | |
| 157 Lu Лютеций-157 | 6.8(18) с | (11/2-) | |
| 158 Lu Лютеций-158 | 10.6(3) с | ε : 99.09 % α : 0.91 % | |
| 159 Lu Лютеций-159 | 12.1(10) с | ε : 100.00 % α : 0.10 % | |
| 160 Lu Лютеций-160 | 36.1(3) с | ||
| 161 Lu Лютеций-161 | 77(2) с | (9/2-) | |
| 162 Lu Лютеций-162 | 1.37(2) мин | ||
| 163 Lu Лютеций-163 | 3.97(13) мин | ε : 100.00 % | |
| 164 Lu Лютеций-164 | 3.14(3) мин | ε : 100.00 % | |
| 165 Lu Лютеций-165 | 10.74(10) мин | ε : 100.00 % | |
| 166 Lu Лютеций-166 | 2.65(10) мин | (3-) | |
| 167 Lu Лютеций-167 | 51.5(10) мин | 1/2+ | |
| 168 Lu Лютеций-168 | 5.5(1) мин | 3+ | |
| 169 Lu Лютеций-169 | 34.06(5) ч | 1/2- | |
| 170 Lu Лютеций-170 | 2.012(20) д | (4)- | |
| 171 Lu Лютеций-171 | 8.24(3) д | 1/2- | |
| 172 Lu Лютеций-172 | 6.70(3) д | 1- | |
| 173 Lu Лютеций-173 | 1.37(1) лет | ε : 100.00 % | |
| 174 Lu Лютеций-174 | 3.31(5) лет | (6)- | |
| 175 Lu Лютеций-175 | Стабильный | ||
| 176 Lu Лютеций-176 | 3.76(7)·10 10 лет | β − : 100.00 % | |
| 177 Lu Лютеций-177 | 6.6475(20) д | 23/2- | |
| 178 Lu Лютеций-178 | 28.4(2) мин | (9-) | |
| 179 Lu Лютеций-179 | 4.59(6) ч | β − : 100.00 % | |
| 180 Lu Лютеций-180 | 5.7(1) мин | β − : 100.00 % | |
| 181 Lu Лютеций-181 | 3.5(3) мин | β − : 100.00 % | |
| 182 Lu Лютеций-182 | 2.0(2) мин | β − : 100.00 % | |
| 183 Lu Лютеций-183 | 58(4) с | β − : 100.00 % | |
| 184 Lu Лютеций-184 | 20(3) с | β − : 100.00 % |
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.
