Лютеций — химический элемент ; он имеет символ Lu и атомный номер 71. Это серебристо-белый металл , устойчивый к коррозии в сухом воздухе, но не во влажном воздухе. Лютеций — последний элемент в ряду лантаноидов , традиционно причисляемый к редкоземельным элементам ; его также можно классифицировать как первый элемент переходных металлов 6-го периода . [6]
Лютеций был независимо открыт в 1907 году французским учёным Жоржем Урбеном , австрийским минералогом бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом и американским химиком Чарльзом Джеймсом . [7] Все эти исследователи обнаружили лютеций в качестве примеси в минерале иттербий , который, как ранее считалось, полностью состоит из иттербия . Спор о приоритете открытия произошел вскоре после этого: Урбен и Вельсбах обвинили друг друга в публикации результатов под влиянием опубликованных исследований друг друга; Честь названия досталась Урбену, поскольку он опубликовал свои результаты ранее. Он выбрал для нового элемента название лютеций , но в 1949 году написание было изменено на лютеций . В 1909 году приоритет наконец был предоставлен Урбену и его имена были приняты в качестве официальных; однако название «кассиопей » (или позже «кассиопий ») для элемента 71, предложенное Вельсбахом, использовалось многими немецкими учеными до 1950-х годов. [8]
Лютеций не является особенно распространенным элементом, хотя в земной коре он встречается значительно чаще, чем серебро . У него мало конкретных применений. Лютеций-176 — относительно распространенный (2,5%) радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 38 миллиардов лет, используемый для определения возраста минералов и метеоритов . Лютеций обычно встречается в сочетании с элементом иттрием [9] и иногда используется в металлических сплавах и в качестве катализатора в различных химических реакциях. 177 Lu-DOTA-TATE используется для радионуклидной терапии (см. Ядерная медицина ) нейроэндокринных опухолей. Лютеций имеет самую высокую твердость по Бринеллю среди всех лантаноидов - 890–1300 МПа . [10]
Атом лютеция имеет 71 электрон, расположенный в конфигурации [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 . [11] Лютеций обычно встречается в степени окисления 3+, потеряв два крайних 6-го атома и один 5d-электрон. Атом лютеция является самым маленьким среди атомов лантаноидов из-за сжатия лантаноидов [12] , и в результате лютеций имеет самую высокую плотность, температуру плавления и твердость среди лантаноидов. [13] Поскольку 4f-орбитали лютеция высоко стабилизированы, только 5d- и 6s-орбитали участвуют в химических реакциях и связывании; [14] [15] таким образом, он характеризуется как элемент d-блока, а не элемента f-блока, [16] и на этом основании некоторые считают, что это вообще не лантанид, а переходный металл , как и его более легкие родственники скандий. и иттрий . [17] [18]
Соединения лютеция почти всегда содержат элемент в степени окисления 3+. [19] Водные растворы большинства солей лютеция бесцветны и при высыхании образуют белые кристаллические твердые вещества, за исключением йодида, который имеет коричневый цвет. Растворимые соли, такие как нитрат, сульфат и ацетат, при кристаллизации образуют гидраты. Оксид , гидроксид, фторид , карбонат, фосфат и оксалат нерастворимы в воде. [20]
Металлический лютеций немного нестабилен на воздухе при стандартных условиях, но легко горит при 150 °C с образованием оксида лютеция. Известно, что полученное соединение поглощает воду и углекислый газ и может быть использовано для удаления паров этих соединений из закрытых атмосфер. [21] Аналогичные наблюдения сделаны во время реакции между лютецием и водой (медленной в холодном состоянии и быстрой в горячем); В реакции образуется гидроксид лютеция. [22] Известно, что металлический лютеций реагирует с четырьмя легчайшими галогенами с образованием тригалогенидов ; за исключением фторида, они растворимы в воде.
Лютеций легко растворяется в слабых кислотах [21] и разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих бесцветные ионы лютеция, координированные между семью и девятью молекулами воды, в среднем [Lu(H 2 O) 8,2 ] 3+ . [23]
Лютеций обычно находится в степени окисления +3, как и большинство других лантаноидов. Однако он также может находиться в состояниях 0, +1 и +2.
Лютеций встречается на Земле в виде двух изотопов: лютеция-175 и лютеция-176. Из этих двух только первый стабилен, что делает элемент моноизотопным . Последний, лютеций-176, распадается путем бета-распада с периодом полураспада3,78 × 10 10 лет ; он составляет около 2,5% природного лютеция. [5] На сегодняшний день охарактеризовано 39 синтетических радиоизотопов этого элемента с массовым числом от 149 до 189; [5] [24] наиболее стабильными такими изотопами являются лютеций-174 с периодом полураспада 3,31 года и лютеций-173 с периодом полураспада 1,37 года. [5] Период полураспада всех остальных радиоактивных изотопов составляет менее 9 дней, а период полураспада большинства из них составляет менее получаса. [5] Изотопы более легкие, чем стабильный лютеций-175, распадаются посредством захвата электронов (с образованием изотопов иттербия ) с некоторой альфа- и позитронной эмиссией ; более тяжелые изотопы распадаются в основном за счет бета-распада с образованием изотопов гафния. [5]
У элемента также есть 43 известных ядерных изомера с массами 150, 151, 153–162 и 166–180 (не каждое массовое число соответствует только одному изомеру). Наиболее стабильными из них являются лютеций-177м с периодом полураспада 160,4 дня и лютеций-174м с периодом полураспада 142 дня; они больше, чем периоды полураспада основных состояний всех радиоактивных изотопов лютеция, кроме лютеция-173, 174 и 176. [5]
Лютеций, происходящий от латинского Lutetia ( Париж ), был независимо открыт в 1907 году французским учёным Жоржем Урбеном , австрийским минералогом бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом и американским химиком Чарльзом Джеймсом. [25] [26] Они обнаружили его как примесь в иттербии , который, по мнению швейцарского химика Жана Шарля Галиссара де Мариньяка, полностью состоял из иттербия . [27] Ученые предложили разные названия элементов: Урбен выбрал неойтербий и лютеций , [28] тогда как Вельсбах выбрал альдебаран и кассиопей (в честь Альдебарана и Кассиопеи ). [29] В обеих этих статьях другого человека обвиняли в публикации результатов, основанных на результатах автора. [30] [31] [32] [33] [34]
Международная комиссия по атомным весам , которая тогда отвечала за присвоение названий новых элементов, урегулировала спор в 1909 году, предоставив приоритет Урбену и приняв его имена в качестве официальных, основываясь на том факте, что отделение лютеция от иттербия Мариньяка было невозможным. впервые описан Урбеном; [27] после того, как имена Урбена были признаны, неойтербий снова превратился в иттербий. Очевидная проблема с этим решением заключается в том, что Урбен входил в Международную комиссию по атомным весам. [35] До 1950-х годов некоторые немецкоязычные химики называли лютеций по имени Вельсбаха кассиопеем ; в 1949 году написание 71-го элемента было изменено на лютеций. Причина этого заключалась в том, что образцы лютеция, взятые Вельсбахом в 1907 году, были чистыми, а образцы, полученные Урбеном в 1907 году, содержали лишь следы лютеция. [36] Позже это привело Урбена в заблуждение, заставив его думать, что он открыл элемент 72, который он назвал целтием, который на самом деле был очень чистым лютецием. Последующая дискредитация работы Урбена над 72-м элементом привела к переоценке работы Вельсбаха над 71-м элементом, так что в немецкоязычных странах этот элемент на некоторое время был переименован в Кассиопей . [36] Чарльз Джеймс, который остался в стороне от аргумента о приоритете, работал в гораздо большем масштабе и обладал крупнейшими запасами лютеция в то время. [37] Чистый металлический лютеций был впервые получен в 1953 году. [37]
Лютеций встречается почти со всеми другими редкоземельными металлами, но никогда сам по себе. Его очень трудно отделить от других элементов. Его основным коммерческим источником является побочный продукт переработки редкоземельного фосфатного минерала монацита ( Ce , La ,...) P O
4, имеющий концентрацию всего 0,0001% элемента, [21] ненамного превышающую содержание лютеция в земной коре около 0,5 мг/кг. Минералы с преобладанием лютеция в настоящее время неизвестны. [38] Основными районами добычи полезных ископаемых являются Китай, США, Бразилия, Индия, Шри-Ланка и Австралия. Мировое производство лютеция (в виде оксида) составляет около 10 тонн в год. [37] Чистый металлический лютеций получить очень сложно. Это один из самых редких и дорогих редкоземельных металлов, его цена составляет около 10 000 долларов США за килограмм, что составляет примерно четверть цены золота . [39] [40]
Измельченные минералы обрабатывают горячей концентрированной серной кислотой с получением водорастворимых сульфатов редкоземельных элементов. Торий выпадает в осадок из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалатом аммония для перевода редкоземельных элементов в их нерастворимые оксалаты. Оксалаты превращаются в оксиды при отжиге. Оксиды растворяются в азотной кислоте , что исключает один из основных компонентов — церий , оксид которого нерастворим в HNO 3 . Некоторые редкоземельные металлы, в том числе лютеций, выделяют кристаллизацией в виде двойной соли с нитратом аммония . Лютеций отделяется ионным обменом . В этом процессе ионы редкоземельных элементов сорбируются подходящей ионообменной смолой путем обмена с ионами водорода, аммония или меди, присутствующими в смоле. Соли лютеция затем избирательно вымываются подходящим комплексообразователем. Металлический лютеций затем получают восстановлением безводного Lu Cl 3 или Lu F 3 щелочным или щелочноземельным металлом . [20]
Из-за сложности производства и высокой цены лютеций имеет очень мало коммерческого применения, тем более что он встречается реже, чем большинство других лантаноидов, но по химическому составу не сильно отличается от него. Однако стабильный лютеций можно использовать в качестве катализаторов при крекинге нефти на нефтеперерабатывающих заводах , а также в процессах алкилирования, гидрирования и полимеризации . [41] Гидрид лютеция, легированный азотом, может сыграть роль в создании сверхпроводников при комнатной температуре при давлении 10 кбар. [42] [43]
Лютеций-алюминиевый гранат ( Al 5 Lu 3 O 12 ) предложен для использования в качестве материала линз в иммерсионной литографии с высоким показателем преломления . [44] Кроме того, небольшое количество лютеция добавляется в качестве легирующей добавки к гадолиниево-галлиевому гранату , который используется в устройствах магнитно-пузырьковой памяти . [45] Оксиортосиликат лютеция, легированный церием, в настоящее время является предпочтительным соединением для детекторов позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). [46] [47] Лютеций-алюминиевый гранат (LuAG) используется в качестве люминофора в светодиодных лампочках. [48] [49]
Помимо стабильного лютеция, его радиоактивные изотопы имеют несколько конкретных применений. Подходящий период полураспада и режим распада позволили лютецию-176 использовать в качестве чистого бета-излучателя, используя лютеций, подвергшийся воздействию нейтронной активации , а также в лютеций-гафнии, датирующем метеориты . [50] Синтетический изотоп лютеций-177, связанный с октреотатом ( аналогом соматостатина ), используется экспериментально в таргетной радионуклидной терапии нейроэндокринных опухолей . [51] Действительно, лютеций-177 все чаще используется в качестве радионуклида в терапии нейроэндокринных опухолей и для облегчения болей в костях. [52] [53] Исследования показывают, что атомные часы на ионах лютеция могут обеспечить большую точность, чем любые существующие атомные часы. [54]
Танталат лютеция (LuTaO 4 ) является самым плотным из известных стабильных белых материалов (плотность 9,81 г/см 3 ) [55] и поэтому является идеальным хозяином для рентгеновских люминофоров. [56] [57] Единственным более плотным белым материалом является диоксид тория с плотностью 10 г/см 3 , но содержащийся в нем торий радиоактивен.
Лютеций также представляет собой соединение нескольких сцинтилляционных материалов , которые преобразуют рентгеновские лучи в видимый свет. Входит в состав сцинтилляторов LYSO , LuAg и йодида лютеция .
Лютеций (177Lu) випивотид тетраксетан — препарат для лечения рака простаты , одобренный FDA в 2022 году. [58]
Как и другие редкоземельные металлы, лютеций считается малотоксичным, но, тем не менее, с его соединениями следует обращаться осторожно: например, вдыхание фторида лютеция опасно, и это соединение раздражает кожу. [21] Нитрат лютеция может быть опасен, поскольку при нагревании он может взорваться и загореться. Порошок оксида лютеция также токсичен при вдыхании или проглатывании. [21]
Как и другие редкоземельные металлы, лютеций не имеет известной биологической роли, но он обнаружен даже у человека, концентрируясь в костях и, в меньшей степени, в печени и почках. [37] Известно, что соли лютеция встречаются в природе вместе с другими солями лантаноидов; этот элемент наименее распространен в организме человека из всех лантаноидов. [37] Рацион человека не контролировался на предмет содержания лютеция, поэтому неизвестно, сколько его потребляет средний человек, но оценки показывают, что это количество составляет всего лишь несколько микрограммов в год, и все это происходит из крошечных количеств, поглощаемых растениями. Растворимые соли лютеция слаботоксичны, а нерастворимые — нет. [37]
{{cite book}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )