Лютеций химический элемент

Лютеций это неорганический химический элемент с атомным номером 71, считается редкоземельным металлом и относящийся к семейству лантаноидов.

И является последним (самым тяжёлым) элементом в этой группе.

В чистом виде это плотный, серебристо-белый металл, который хорошо поддаётся механической обработке (ковкий и пластичный).

Природный лютеций содержит небольшое количество слабо радиоактивного изотопа Лютеций-176 (¹⁷⁶Lu).

Что такое лютеций

[Lutetium; от лат. Lutetia — Лютеция (древнее назв. Парижа)], Lu — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева,.

Атомный номер  71, атомная масса 174,97 ; относится к редкоземельным элементам.

Металл лютеций светло-серого цвета; свежеприготовленный — с блестящей поверхностью. В соединениях проявляет степень окисления +3.

Лютеций открыл (1907) франц. химик Ж. Уроен. Содержание  лютеций в земной коре менее 1 • 10^-4%. Промышленные минералами для получения металла служат ксенотим и эвксенит.

Физические свойства

Лютеций полиморфен, т-ра полиморфного превращения прибл. 1470° С.

Кристаллическая решетка низкотемпературной модификации гексагональная плотноупакованная типа магния, с периодами а = 3.5051А, с = 5,5497А.

Плотность 9,840 г/см³; t_пл 1660° С; t_кип 3315° С; коэфф. термического расширения (8—10) 10^-6 град-1; теплоемкость (при комнатной т-ре) 6,336 кал/г , атом — град.

Электрическое сопротивление     (т-ра 25° С) 68 мком • см; работа выхода электронов 3,14 эв.  Твердость (HV) отожженного лютеций составляет 77.

Модуль норм, упругости 0,86 • 10 6 кгс / см² ; модуль  сдвига   0,345 • 10⁶ кгс / см² ; сжимаемость 23,85 • 10^-7 см² / кг ; коэффицентПуассона 0,233.

Лютеций легко поддается мех. обработке.

Интересный факт: это самый плотный, самый твёрдый и имеет самую высокую температуру плавления среди всех лантаноидов.

Это объясняется эффектом лантаноидного сжатия, который достигает своего максимума именно к лютецию.

Химические свойства

Химически активен. При высокой т-ре взаимодействует с кислородом, галогенами, серой и др. неметаллами. На воздухе окисляется.

Сплавляется со мн. металлами, плавят его в инертной среде или в вакууме.

➡️ Реакция с кислородом (на воздухе):

При комнатной температуре лютеций покрывается плотной оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего быстрого окисления.

При нагревании на воздухе он активно реагирует с кислородом, образуя оксид лютеция(III):

4Lu(тв) + 3O₂(г) нагрев → 2Lu₂O₃(тв)

(Lu₂O₃— белый порошок)

➡️ Реакция с водой:

Лютеций реагирует с водой, образуя гидроксид лютеция(III) и выделяя водород.

Реакция протекает медленнее, чем у более активных щелочноземельных металлов, но происходит:

2Lu(тв) + 6H₂O(ж) → 2Lu(OH)₃(водн) + 3H₂(г)

➡️ Реакция с галогенами (фтор, хлор, бром, йод):

Лютеций активно реагирует со всеми галогенами при нагревании, образуя соответствующие тригалогениды:

2Lu(тв) + 3F₂(г) нагрев → 2LuF₃(тв)

(фторид лютеция(III) — белый)

2Lu(тв) + 3Cl₂(г)нагрев → 2LuCl₃(тв)

(хлорид лютеция(III) — белый)

➡️ Реакция с кислотами:

Лютеций легко растворяется в разбавленных неорганических кислотах (кроме плавиковой кислоты, с которой образует нерастворимый фторид, пассивируя поверхность), образуя соли лютеция(III) и выделяя водород:

С соляной кислотой:

2Lu(тв) + 6HCl(разб. водн) → 2LuCl₃(водн) + 3H₂(г)

С серной кислотой:

2Lu(тв) + 3H₂SO₄(разб. водн) → Lu₂(SO₄)₃(водн) + 3H₂(г)

С плавиковой кислотой (образует нерастворимый фторид):

2Lu(тв) + 6HF(водн) → 2LuF₃(тв)↓ + 3H₂(г)

➡️ Реакция с серой:

При нагревании лютеций реагирует с серой, образуя сульфид лютеция(III):

2Lu(тв)+3S(тв)нагрев  →  Lu₂S₃(тв)

➡️ Образование гидридов:

Лютеций может реагировать с водородом при нагревании, образуя гидриды:

2Lu(тв) + 3H₂(г)нагрев  →  2LuH₃(тв) (тригидрид лютеция)

Также возможно образование дигидрида LuH₂.

Изотопы

Известны изотопы с массовыми числами от 170 до 179, из них стабилен изотоп с массовым числом 175.

Получение

Лютеций получают металлотермическим восстановлением.

Фторид LuF₃ восстанавливают кальцием в танталовых тиглях, а затем-дистиллируют (для удаления примесей).

Получение лютеция — это многоступенчатый и технологически сложный процесс, типичный для всех редкоземельных металлов.

✅ Добыча и переработка руды: Лютеций, как и другие лантаноиды, содержится в таких редкоземельных минералах, как монацит, бастнезит и ксенотим.

Руду добывают, измельчают и обогащают для получения концентрата, который затем химически обрабатывают для перевода редкоземельных элементов в раствор и получения их смешанных оксидов или солей.

✅Разделение элементов: Это самый сложный и дорогостоящий этап. Из-за чрезвычайного химического сходства лантаноидов их разделение требует специальных методов.

Основной промышленный метод — жидкостная экстракция (экстракция растворителями).

Этот процесс включает многократное пропускание растворов РЗЭ через различные экстракционные колонны, где органические растворители избирательно извлекают отдельные элементы.

В результате получают высокочистый оксид лютеция(III) (Lu₂O₃).

✅Восстановление до металлического лютеция: Чистый оксид лютеция или его галогениды (например, LuF₃) восстанавливают до металлического состояния.

Наиболее распространённые методы:

Металлотермия: Восстановление активными металлами, такими как кальций (Ca) или лантан (La), при высоких температурах в вакууме.

2LuF₃  +  3Ca (T,вакуум) → 2Lu + 3CaF₂

Электролиз: Получение лютеция электролизом расплавов его солей (например, LuCl₃) также возможно, но менее распространено для крупномасштабного производства.

Применение

Выпускают лютеций в виде небольших слитков. Чистый Лютеций применяют для исследовательских целей.

Основные области применения лютеция:

✅ Медицина (Радиофармпрепараты и диагностика): Наиболее значимая и развивающаяся сфера применения.

Лютеций-177 ¹⁷⁷Lu: Этот искусственно полученный радиоактивный изотоп является мощным инструментом в таргетной радионуклидной терапии (ТРТ) раковых заболеваний.

Он используется в так называемой «тераностике» (сочетание терапии и диагностики).

Лечение нейроэндокринных опухолей: ¹⁷⁷Lu связывается со специальными пептидами (например, DOTATATE), которые целенаправленно доставляют излучение (бета-частицы) непосредственно к раковым клеткам, минимизируя вред для здоровых тканей.

Лечение рака предстательной железы: Аналогично, ¹⁷⁷Lu может быть связан с PSMA-лигандами (простатспецифическим мембранным антигеном), которые нацелены на раковые клетки простаты.

Это даёт хорошие результаты даже при агрессивных формах рака, устойчивых к другим методам лечения.

Сцинтилляционные кристаллы: Соединения лютеция, особенно силикат лютеция (LSO) или лютеций-иттрий-силикат (LYSO), активированные церием, являются превосходными сцинтилляторами. Они используются в детекторах для:

Позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ-сканеров): Это важнейший метод медицинской диагностики, позволяющий визуализировать метаболическую активность тканей и обнаруживать опухоли.

Детектирования излучений в ядерной физике.

✅ Лазерные материалы:

Лютеций входит в состав некоторых лазерных кристаллов (например, лютеций-алюминиевый гранат — LuAG, или скандат/галлат лютеция, допированные другими редкоземельными элементами, такими как гольмий, тулий или неодим).

Эти материалы используются для производства мощных лазеров в различных областях, включая военное дело и медицину.

✅ Магнитные материалы:

Сплавы лютеция с железом и другими элементами (например, лютеций-железо-алюминий) могут образовывать очень мощные постоянные магниты с высокой магнитной энергией и стабильностью.

Однако их применение ограничено высокой стоимостью лютеция, поэтому их используют только в наиболее ответственных и высокотехнологичных устройствах.

✅ Исследования и научные приборы:

Благодаря своим уникальным физическим свойствам (например, самая высокая плотность и температура плавления среди лантаноидов).

Лютеций используется в научных исследованиях, особенно в области физики твёрдого тела и материаловедения.

Природный радиоактивный изотоп ¹⁷⁶Lu используется в гео- и космохронологии (лютеций-гафниевое датирование) для определения возраста горных пород и метеоритов.

Литература

Фигуровский Н. А. Открытие химических элементов и происхождение их названий.

 Часто задаваемые вопросы