Лютеций — редкоземельный металл серебристо-белого цвета . Это последний элемент ряда лантаноидов. Лютеций был независимо обнаружен тремя учеными (Жоржем Урбеном, бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом и Чарльзом Джеймсом) как примесь в минерале иттербия, который, как ранее считалось, состоит только из иттербия. Он имеет атомный номер 71 и обозначается символом Lu.
Лютеций в природе не особенно распространен, но в земной коре он встречается чаще, чем серебро. Этот редкоземельный элемент чаще всего встречается в сочетании с иттрием. Он имеет радиоизотоп лютеций-176, который является относительно распространенным (2,5%) радиоактивным изотопом с периодом полураспада примерно 38 миллиардов лет. Этот изотоп используется для определения возраста минералов и метеоритов. Лютеций иногда используется в металлических сплавах и в качестве катализатора в некоторых химических реакциях.
Свойства редкоземельного лютеция
Физические свойства
В чистом виде металлический лютеций представляет собой серебристо-белый материал, устойчивый на воздухе. Лютеций легко растворяется в разбавленных кислотах, за исключением плавиковой кислоты (HF). При этом на поверхности материала образуется защитный слой LuF3, препятствующий дальнейшему растворению металла. Металл обладает парамагнитными свойствами, начиная от -273 °C до температуры плавления, которая составляет 1663 °C. Он также имеет независимую от температуры магнитную восприимчивость. что составляет примерно 27 °C.
Природный лютеций имеет два изотопа: стабильный лютеций-175 (составляет 97,4%) и радиоактивный лютеций-176 (2,6%) с периодом полураспада 3,76×10^10 лет. Помимо изотопа лютеция-176 и ядерных изомеров, существует еще 33 известных радиоактивных изотопа лютеция с массой от 150 до 184. Из них наименее стабильный, лютеций-150, имеет период полураспада 45 миллисекунд, а наиболее стабильным изотопом является лютеций-176.
Элемент лютеций ведет себя как типичный редкоземельный металл и образует ряд соединений со степенью окисления +3, включая сесквиоксид, сульфат и хлорид лютеция. В химической реакции атом теряет два крайних электрона и один 5d-электрон. Каждый атом лютеция состоит из 71 элемента и является самым маленьким среди всех атомов лантаноидов. Из-за сжатия лантаноидов он имеет самую высокую плотность, температуру плавления и твердость среди всех элементов-лантанидов.
Химические свойства
Также было показано, что лютеций участвует в химических реакциях. В соединениях лютеция элемент всегда находится в степени окисления +3. Он также присутствует в степенях окисления 0, +1 и +2. Лютеций образует водные растворы солей, обычно бесцветные, и при высыхании превращается в белые кристаллические твердые вещества. Йодиды в данном случае являются исключением. Другие растворимые соли лютеция, включая нитраты, сульфаты и ацетат, при кристаллизации образуют гидраты. Оксиды, гидроксиды, фториды, карбонаты, фосфаты и оксалаты лютеция нерастворимы в воде.
Чистый металлический лютеций немного нестабилен в атмосфере при стандартной температуре и давлении. Однако он легко горит при температуре 150 ° C с образованием оксида лютеция. Образовавшееся соединение может поглощать воду и углекислый газ и может использоваться для удаления паров этих соединений из закрытой атмосферы. Когда лютеций реагирует с водой при низких температурах, прогресс идет медленно, но быстро при низких температурах. В результате реакции образуется гидроксид лютеция.
Металлический лютеций реагирует с четырьмя легчайшими галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом) с образованием тригалогенидов, все растворимые в воде, за исключением фторида. Лютеций легко растворяется в слабых кислотах и разбавляет серную кислоту с образованием растворов, содержащих бесцветные ионы лютеция.
Появление редкоземельного лютеция
В настоящее время в природе не существует известного минерала с преобладанием лютеция, а чистый металлический лютеций получить довольно сложно. В большинстве случаев элемент встречается практически со всеми другими редкоземельными металлами.
Его основным коммерческим источником является побочный продукт, полученный при переработке редкоземельного фосфатного минерала монацита PO4. Лютеций обнаружен также в земной коре (около 0,5 мг/кг). В основном его добывают в Китае, США, Бразилии, Индии, Шри-Ланке и Австралии.
Применение редкоземельного лютеция
Лютеций встречается реже, чем большинство других лантаноидов, хотя по химическому составу он во многом схож. Кроме того, его производство сложно и затратно. Это неизбежно приводит к очень небольшому количеству коммерческого использования. Вот некоторые из типично известных применений редкоземельного металла лютеция:
- Лютеций используется в качестве катализатора при крекинге углеводородов на нефтеперерабатывающих заводах и полезен в процессах алкилирования, гидрирования и полимеризации.
- Мишени для распыления лютеция и материалы для испарения лютеция используются в процессах осаждения, включая осаждение полупроводников, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и физическое осаждение из паровой фазы (PVD).
- Синтетический изотоп лютеция (лютеций-177), связанный с октреотатом, может быть использован в таргетной радионуклидной терапии нейроэндокринных опухолей.
- Радиоактивный изотоп металла используется для определения возраста метеоритов относительно возраста Земли.
- Танталат лютеция (LuTaO4) является идеальным хозяином для рентгеновских люминофоров, что обусловлено его плотностью.
- Лютеций используется в детекторах позитронно-эмиссионной томографии, что помогает обнаружить клеточную активность организма.
- Лютеций использовался при лечении рака.
Заключение
Элемент лютеций является одним из важнейших элементов в природе. Это редкоземельный металл, который в основном встречается в земной коре и в природе встречается в виде серебристо-белого вещества, устойчивого к коррозии в сухом воздухе. Он имеет несколько изотопов, один из которых используется для определения возраста минералов и метеоритов. Сам лютеций также можно использовать в металлических сплавах и в качестве катализатора в некоторых важных химических реакциях.
