Lutet - Lutetium
Lutet | ||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Wymowa |
/ Lj ù t ı ʃ i ə m / |
|||||||||||||||||||||||||
Wygląd | srebrzystobiała | |||||||||||||||||||||||||
Średnia masa atomowa R STD (Lu) | 174,9668(1) | |||||||||||||||||||||||||
Lutet w układzie okresowym | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Liczba atomowa ( Z ) | 71 | |||||||||||||||||||||||||
Grupa | grupa 3 | |||||||||||||||||||||||||
Kropka | okres 6 | |||||||||||||||||||||||||
Blok | d-blok | |||||||||||||||||||||||||
Konfiguracja elektronów | [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 | |||||||||||||||||||||||||
Elektrony na powłokę | 2, 8, 18, 32, 9, 2 | |||||||||||||||||||||||||
Właściwości fizyczne | ||||||||||||||||||||||||||
Faza w STP | solidny | |||||||||||||||||||||||||
Temperatura topnienia | 1925 K (1652 °C, 3006 °F) | |||||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia | 3675 K (3402 ° C, 6156 ° F) | |||||||||||||||||||||||||
Gęstość (w pobliżu rt ) | 9,841 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||
w stanie ciekłym (przy mp ) | 9,3 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||
Ciepło stapiania | ok. 22 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
Ciepło parowania | 414 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
Molowa pojemność cieplna | 26,86 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| ||||||||||||||||||||||||||
Właściwości atomowe | ||||||||||||||||||||||||||
Stany utleniania | 0, +1, +2, +3 (słabo zasadowy tlenek) | |||||||||||||||||||||||||
Elektroujemność | Skala Paulinga: 1,27 | |||||||||||||||||||||||||
Energie jonizacji | ||||||||||||||||||||||||||
Promień atomowy | empiryczny: 174 pm | |||||||||||||||||||||||||
Promień kowalencyjny | 187±20:00 | |||||||||||||||||||||||||
Linie widmowe lutetu | ||||||||||||||||||||||||||
Inne właściwości | ||||||||||||||||||||||||||
Naturalne występowanie | pierwotny | |||||||||||||||||||||||||
Struktura krystaliczna | sześciokątne ciasno upakowane (hcp) | |||||||||||||||||||||||||
Rozszerzalność cieplna | poli: 9,9 µm/(m⋅K) (w temperaturze pokojowej ) | |||||||||||||||||||||||||
Przewodność cieplna | 16,4 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
Rezystancja | poli: 582 nΩ⋅m (w temperaturze pokojowej ) | |||||||||||||||||||||||||
Zamawianie magnetyczne | paramagnetyczny | |||||||||||||||||||||||||
Moduł Younga | 68,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Moduł ścinania | 27,2 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Moduł objętościowy | 47,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Współczynnik Poissona | 0,261 | |||||||||||||||||||||||||
Twardość Vickersa | 755–1160 MPa | |||||||||||||||||||||||||
Twardość Brinella | 890–1300 MPa | |||||||||||||||||||||||||
Numer CAS | 7439-94-3 | |||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||
Nazewnictwo | po Lutetia , łac.: Paryż, w epoce rzymskiej | |||||||||||||||||||||||||
Odkrycie | Carl Auer von Welsbach i Georges Urbain (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Pierwsza izolacja | Carl Auer von Welsbach (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Nazwany przez | Georges Urbain (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Główne izotopy lutetu | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
Lutet to pierwiastek chemiczny o symbolu Lu i liczbie atomowej 71. Jest to srebrzystobiały metal , który jest odporny na korozję w suchym powietrzu, ale nie w wilgotnym. Lutet jest ostatnim pierwiastkiem w serii lantanowców i tradycyjnie zaliczany jest do pierwiastków ziem rzadkich . Lutet jest powszechnie uważany przez tych, którzy badają tę sprawę, za pierwszy pierwiastek metali przejściowych szóstego okresu , chociaż istnieje pewien spór na ten temat.
Lutet został niezależnie odkryty w 1907 roku przez francuskiego naukowca Georgesa Urbaina , austriackiego mineraloga barona Carla Auera von Welsbacha i amerykańskiego chemika Charlesa Jamesa . Wszyscy ci badacze odkryli lutet jako zanieczyszczenie w iterbii mineralnej , o której wcześniej sądzono, że składa się wyłącznie z iterbu. Spór o pierwszeństwo odkrycia nastąpił wkrótce potem, gdy Urbain i Welsbach oskarżyli się nawzajem o publikowanie wyników, na które wpływ miały opublikowane badania drugiego; zaszczyt nazewnictwa przypadł Urbainowi, ponieważ wcześniej opublikował swoje wyniki. Dla nowego pierwiastka wybrał nazwę lutecium , ale w 1949 r. zmieniono pisownię na lutetium . W 1909 r. Urbain ostatecznie uzyskał pierwszeństwo, a jego nazwiska zostały przyjęte jako oficjalne; jednak nazwa cassiopeium (lub później cassiopium ) dla pierwiastka 71 zaproponowana przez Welsbacha była używana przez wielu niemieckich naukowców do lat pięćdziesiątych.
Lutet nie jest pierwiastkiem szczególnie bogatym, chociaż występuje znacznie częściej niż srebro w skorupie ziemskiej. Ma kilka konkretnych zastosowań. Lutet-176 jest stosunkowo obfitym (2,5%) izotopem radioaktywnym o okresie półtrwania około 38 miliardów lat, używanym do określania wieku minerałów i meteorytów . Lutet zwykle występuje w połączeniu z pierwiastkiem itrem i jest czasami stosowany w stopach metali oraz jako katalizator w różnych reakcjach chemicznych. 177 Lu -DOTA-TATE stosuje się w terapii radionuklidowej (patrz Medycyna nuklearna ) guzów neuroendokrynnych. Lutet ma najwyższą twardość Brinella spośród wszystkich lantanowców, przy 890-1300 MPa .
Charakterystyka
Właściwości fizyczne
Atom lutetu ma 71 elektronów, ułożonych w konfiguracji [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 . Wchodząc w reakcję chemiczną, atom traci dwa skrajne elektrony i pojedynczy elektron 5d. Atom lutetu jest najmniejszym spośród atomów lantanowców, ze względu na skurcz lantanowców, dzięki czemu lutet ma najwyższą gęstość, temperaturę topnienia i twardość spośród lantanowców.
Właściwości chemiczne i związki
Związki lutetu zawsze zawierają pierwiastek na stopniu utlenienia +3. Wodne roztwory większości soli lutetu są bezbarwne i po wysuszeniu tworzą białe krystaliczne ciała stałe, z powszechnym wyjątkiem jodku. Sole rozpuszczalne, takie jak azotan, siarczan i octan tworzą hydraty po krystalizacji. Tlenek , wodorotlenek, fluor, węglan, fosforan i szczawian, są nierozpuszczalne w wodzie.
Metaliczny lutet jest nieco niestabilny w powietrzu w standardowych warunkach, ale pali się łatwo w temperaturze 150°C, tworząc tlenek lutetu. Wiadomo, że powstały związek absorbuje wodę i dwutlenek węgla i może być stosowany do usuwania oparów tych związków z zamkniętych atmosfer. Podobne obserwacje poczyniono podczas reakcji między lutetem a wodą (wolna, gdy jest zimna i szybka, gdy jest gorąca); W reakcji powstaje wodorotlenek lutetu. Wiadomo, że metaliczny lutet reaguje z czterema najlżejszymi halogenami, tworząc trihalogenki ; wszystkie (oprócz fluoru) są rozpuszczalne w wodzie.
Lutet łatwo rozpuszcza się w słabych kwasach i rozcieńczonym kwasie siarkowym, tworząc roztwory zawierające bezbarwne jony lutetu, koordynowane przez od siedmiu do dziewięciu cząsteczek wody, przy czym średnia wynosi [Lu (H
2O)
8,2] 3+ .
- 2 l + 3 godz
2WIĘC
4→ 2 Lu 3+ + 3 SO2-
4 + 3 godz
2↑
Izotopy
Lutet występuje na Ziemi w postaci dwóch izotopów: lutetu-175 i lutetu-176. Z tych dwóch tylko ten pierwszy jest stabilny, dzięki czemu pierwiastek jest monoizotopowy . Ten ostatni, lutet-176, rozpada się poprzez rozpad beta z okresem półtrwania 3,78×10 10 lat; stanowi około 2,5% naturalnego lutetu. Dotychczas scharakteryzowano 32 syntetyczne radioizotopy tego pierwiastka o masie od 149,973 (lutet-150) do 183,961 (lutet-184); najbardziej stabilnymi takimi izotopami są lutet-174 z okresem półtrwania 3,31 roku i lutet-173 z okresem półtrwania 1,37 roku. Wszystkie pozostałe izotopy promieniotwórcze mają okres półtrwania krótszy niż 9 dni, a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż pół godziny. Izotopy lżejsze niż stabilny rozpad lutetu-175 poprzez wychwytywanie elektronów (w celu wytworzenia izotopów iterbu ) z pewną emisją alfa i pozytonów ; cięższe izotopy rozpadają się głównie poprzez rozpad beta, wytwarzając izotopy hafnu.
Pierwiastek posiada również 42 izomery jądrowe o masach 150, 151, 153-162, 166-180 (nie każda liczba masowa odpowiada tylko jednemu izomerowi). Najbardziej stabilne z nich to lutet-177m z okresem półtrwania 160,4 dnia i lutet-174m z okresem półtrwania 142 dni; są one dłuższe niż okresy półtrwania stanów podstawowych wszystkich radioaktywnych izotopów lutetu z wyjątkiem lutetu-173, 174 i 176.
Historia
Lutet, pochodzący z łacińskiej Lutetia ( Paryż ), został niezależnie odkryty w 1907 roku przez francuskiego naukowca Georgesa Urbaina , austriackiego mineraloga barona Carla Auera von Welsbacha i amerykańskiego chemika Charlesa Jamesa. Odkryli go jako zanieczyszczenie w iterbii , która według szwajcarskiego chemika Jeana Charlesa Galissarda de Marignac składała się wyłącznie z iterbu . Naukowcy zaproponowali różne nazwy pierwiastków: Urbain wybrał neoytterbium i lutecium , natomiast Welsbach wybrał aldebaranium i cassiopeium (po Aldebaranie i Cassiopeia ). Oba te artykuły oskarżyły drugiego mężczyznę o publikowanie wyników opartych na wynikach autora.
Międzynarodowa Komisja mas atomowych , który był wtedy odpowiedzialny za przypisanie nowych nazw elementów, rozstrzygnął spór w 1909 roku, przyznając pierwszeństwo Urbain i przyjęcie jego nazwiska jak oficjalnych, w oparciu o fakt, że oddzielenie lutet z iterbu Marignac był po raz pierwszy opisany przez Urbaina; po rozpoznaniu imion Urbaina, neoyterb został przywrócony do iterbu. Do lat pięćdziesiątych niektórzy niemieckojęzyczni chemicy nazywali lutet imieniem Welsbacha, cassiopeium ; w 1949 r. zmieniono pisownię pierwiastka 71 na lutet. Powodem tego było to, że próbki lutetu Welsbacha z 1907 roku były czyste, podczas gdy próbki Urbaina z 1907 roku zawierały tylko śladowe ilości lutetu. To później zmyliło Urbaina do myślenia, że odkrył pierwiastek 72, który nazwał celt, który w rzeczywistości był bardzo czystym lutetem. Późniejsze zdyskredytowanie pracy Urbaina nad pierwiastkiem 72 doprowadziło do ponownej oceny pracy Welsbacha nad pierwiastkiem 71, tak że przez pewien czas pierwiastek został przemianowany na cassiopeium w krajach niemieckojęzycznych. Charles James, który trzymał się z dala od argumentu o pierwszeństwie, pracował na znacznie większą skalę i posiadał wówczas największy zapas lutetu. Czysty lutet metaliczny został po raz pierwszy wyprodukowany w 1953 roku.
Występowanie i produkcja
Znaleziony w prawie wszystkich innych metalach ziem rzadkich, ale nigdy samodzielnie, lutet jest bardzo trudny do oddzielenia od innych pierwiastków. Ich głównym źródłem jest handlowy produkt uboczny z przetwarzania ziem rzadkich fosforanu mineralnej monacytu ( Ce , La , ...) P O
4, który ma koncentrację zaledwie 0,0001% tego pierwiastka, niewiele większą niż obfitość lutetu w skorupie ziemskiej wynosząca około 0,5 mg/kg. Obecnie nie są znane żadne minerały z przewagą lutetu. Główne obszary wydobywcze to Chiny, Stany Zjednoczone, Brazylia, Indie, Sri Lanka i Australia. Światowa produkcja lutetu (w postaci tlenku) wynosi około 10 ton rocznie. Czysty lutet metaliczny jest bardzo trudny do przygotowania. Jest to jeden z najrzadszych i najdroższych metali ziem rzadkich, którego cena wynosi około 10 000 USD za kilogram, czyli około jednej czwartej ceny złota .
Pokruszone minerały są traktowane gorącym stężonym kwasem siarkowym w celu wytworzenia rozpuszczalnych w wodzie siarczanów pierwiastków ziem rzadkich. Tor wytrąca się z roztworu jako wodorotlenek i jest usuwany. Następnie roztwór traktuje się szczawianem amonu w celu przekształcenia pierwiastków ziem rzadkich w ich nierozpuszczalne szczawiany. Szczawiany są przekształcane w tlenki przez wyżarzanie. Tlenki są rozpuszczane w kwasie azotowym, co wyklucza jeden z głównych składników, cer , którego tlenek jest nierozpuszczalny w HNO 3 . Kilka metali ziem rzadkich, w tym lutet, oddziela się w postaci soli podwójnej z azotanem amonu przez krystalizację. Lutet jest oddzielany przez wymianę jonową . W tym procesie jony metali ziem rzadkich są sorbowane na odpowiedniej żywicy jonowymiennej przez wymianę z jonami wodorowymi, amonowymi lub miedziowymi obecnymi w żywicy. Sole lutetu są następnie selektywnie wypłukiwane przez odpowiedni środek kompleksujący. Lutetium metalu otrzymuje się następnie przez redukcję bezwodnego Lu Cl 3 i Lu F 3 albo przez metalu alkalicznego lub metalu ziem alkalicznych .
- 2 LuCl
3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl
2
Aplikacje
Ze względu na trudności produkcyjne i wysoką cenę, lutet ma bardzo niewiele zastosowań komercyjnych, zwłaszcza, że jest rzadszy niż większość innych lantanowców, ale chemicznie nie różni się zbytnio. Jednak stabilny lutet może być stosowany jako katalizator w krakingu ropy naftowej w rafineriach, a także może być stosowany w zastosowaniach alkilowania, uwodorniania i polimeryzacji .
Granat lutetowo-aluminiowy ( Al
5Lu
3O
12) zaproponowano do stosowania jako materiał na soczewki w litografii immersyjnej o wysokim współczynniku załamania światła . Dodatkowo niewielka ilość lutetu jest dodawana jako domieszka do granatu gadolinu gal , który jest używany w magnetycznych urządzeniach z pamięcią bąbelkową . Tlenokrzemian lutetu domieszkowany cerem jest obecnie preferowanym związkiem do stosowania w detektorach w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Granat lutetowo-aluminiowy (LuAG) jest używany jako luminofor w żarówkach z diodami elektroluminescencyjnymi.
Oprócz stabilnego lutetu jego radioaktywne izotopy mają kilka specyficznych zastosowań. Tryb półtrwania i rozkład nadaje się lutet-176 stosowany w czystym emiterem beta, przy użyciu lutet, który został wystawiony na działanie aktywacji neutronów i w lutet-hafnu pochodzącym aktualne meteorytów . Syntetyczny izotop lutetu-177 związany z oktreotanem ( analogiem somatostatyny ) jest doświadczalnie stosowany w celowanej terapii radionuklidowej guzów neuroendokrynnych . Rzeczywiście, lutet-177 jest coraz częściej stosowany jako radionuklid w terapii nowotworów neuroendocynowych i łagodzeniu bólu kości. Badania wskazują, że zegary atomowe z jonem lutetu mogą zapewnić większą dokładność niż jakikolwiek istniejący zegar atomowy.
Tantalian lutetu (LuTaO 4 ) jest najgęstszym znanym stabilnym białym materiałem (gęstość 9,81 g/cm 3 ) i dlatego jest idealnym gospodarzem dla luminoforów rentgenowskich. Jedynym gęstszym białym materiałem jest dwutlenek toru o gęstości 10 g/cm 3 , ale zawarty w nim tor jest radioaktywny.
Środki ostrożności
Podobnie jak inne metale ziem rzadkich, lutet jest uważany za posiadający niski stopień toksyczności, ale mimo to z jego związkami należy obchodzić się ostrożnie: na przykład wdychanie fluorku lutetu jest niebezpieczne i związek ten podrażnia skórę. Azotan lutetu może być niebezpieczny, ponieważ może eksplodować i palić się po podgrzaniu. Sproszkowany tlenek lutetu jest toksyczny również w przypadku wdychania lub spożycia.
Podobnie jak inne metale ziem rzadkich, lutet nie odgrywa żadnej znanej roli biologicznej, ale występuje nawet u ludzi, koncentrując się w kościach oraz w mniejszym stopniu w wątrobie i nerkach. Wiadomo, że sole lutetu występują razem z innymi naturalnymi solami lantanowców; pierwiastek ten jest najmniej licznie obecny w ludzkim ciele ze wszystkich lantanowców. Dieta ludzi nie była monitorowana pod kątem zawartości lutetu, więc nie wiadomo, ile przyjmuje przeciętny człowiek, ale szacunki pokazują, że ilość ta wynosi tylko około kilku mikrogramów rocznie, a wszystkie pochodzą z niewielkich ilości pobieranych przez rośliny. Rozpuszczalne sole lutetu są umiarkowanie toksyczne, ale nierozpuszczalne nie.
Zobacz też
Uwagi
Bibliografia