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镥   71Lu
氢(非金属) 氦(惰性气体)
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外观
银白色
概况
名称·符号·序数镥(Lutetium)·Lu·71
元素类别镧系元素
有时归为过渡金属
·周期·不适用 ·6·d
标准原子质量174.9668(4)
电子排布[] 4f14 5d1 6s2
2, 8, 18, 32, 9, 2
镥的电子层(2, 8, 18, 32, 9, 2)
历史
发现乔治·于尔班和卡尔·奥尔·冯·威尔士巴赫(1906年)
分离卡尔·奥尔·冯·威尔士巴赫(1906年)
物理性质
物态固体
密度(接近室温
9.841 g·cm−3
熔点时液体密度9.3 g·cm−3
熔点1925 K,1652 °C,3006 °F
沸点3675 K,3402 °C,6156 °F
熔化热ca. 22 kJ·mol−1
汽化热414 kJ·mol−1
比热容26.86 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1906 2103 2346 (2653) (3072) (3663)
原子性质
氧化态3, 2, 1
(弱碱性氧化物)
电负性1.27(鲍林标度)
电离能第一:523.5 kJ·mol−1

第二:1340 kJ·mol−1

第三:2022.3 kJ·mol−1
原子半径174 pm
共价半径187±8 pm
杂项
晶体结构六方密堆积
磁序顺磁性
电阻率室温)582 n Ω·m
热导率16.4 W·m−1·K−1
热膨胀系数室温)9.9 µm/(m·K)
杨氏模量68.6 GPa
剪切模量27.2 GPa
体积模量47.6 GPa
泊松比0.261
维氏硬度1160 MPa
布氏硬度893 MPa
CAS号7439-94-3
最稳定同位素
主条目:镥的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
173Lu 人造 1.37年 ε 0.671 173Yb
174Lu 人造 3.31年 ε 1.374 174Yb
175Lu 97.41% 稳定,带104个中子
176Lu 2.59% 3.78×1010 β 1.193 176Hf

(英语:Lutetium;中国大陆译为、港澳为拼音注音ㄌㄨˇ粤拼lou5】,台湾译为/拼音liú注音ㄌ丨ㄡˊ粤拼lau4】;旧译),是一种化学元素,其化学符号Lu原子序数为71,原子量174.9668 u。镥是一种银白色金属,在干燥空气中能抵抗腐蚀。镥是最后一个镧系元素,有时也算作第六周期首个过渡金属,一般归为稀土元素

法国科学家乔治·于尔班(Georges Urbain)、奥地利矿物学家卡尔·奥尔·冯·威尔士巴赫(Carl Auer von Welsbach)男爵以及美国化学家查尔斯·詹姆士(Charles James)于1907年分别独自发现镥元素。他们都是在氧化镱矿物中,发现含有镥的杂质。发现者随即争论谁最早发现镥,不同的命名方案也引起争议。最终定下的名称是“Lutecium”,取自巴黎的拉丁文名卢泰西亚(Lutetia),后拼法改为“Lutetium”。

镥在地球地壳中的含量并不高,但仍比要常见得多。镥-176是一种较常见的放射性同位素(占所有镥的2.5%),半衰期约为380亿年,可用于测量陨石的年龄。镥一般与一同出现,可作合金材料,以及为某些化学反应作催化剂177Lu-DOTA-TATE可用于放射线疗法,治疗神经内分泌肿瘤。

性质

物理性质

镥原子含71个电子,其电子排布为[] 4f145d16s2。在进行化学反应时,它会失去两个外层电子和一个5d电子。这较为特殊,因为其他的镧系元素反应时都会用到f-层电子。由于镧系收缩现象,镥原子是所有镧系元素中大小最小的。因此镥的密度、熔点和硬度都是镧系元素之中最高的。另一原因是,镥位于d区块,所以性质与一些较重的过渡金属相似。有时镥也可以归为过渡金属,但国际纯粹与应用化学联合会把它归为镧系元素。

化学性质与化合物

镥在化合物中的氧化态是+3。除了碘化镥(III)之外,大部分镥盐都呈白色晶体状,在水溶液中无色。镥的硝酸盐、硫酸盐和醋酸盐在结晶时会形成水合物。其氧化物、氢氧化物、氟化物、碳酸盐、磷酸盐和草酸盐都不可溶于水。

标准情况下,镥金属在空气中较稳定,但在150 °C下会迅速燃烧形成氧化镥。氧化镥可以吸收水分和二氧化碳,可在密闭空间里用于移除水汽和二氧化碳。镥与水的反应相似,且会形成氢氧化镥(反应速度随水温提高而加快)。镥金属可以和最轻的四个卤素形成三卤化物,除氟化物外都可溶于水。

镥能轻易溶解于弱酸和稀硫酸中。溶液无色,其中的镥离子与7个或9个水分子配位,平均公式为:[Lu(H2O)8.2]3+

2 Lu + 3 H2SO4 → 2 Lu3+ + 3 SO2–
4
+ 3 H2

同位素

地球上的镥由镥-175和镥-176两种同位素组成,其中只有镥-175是稳定的,所以镥属于单一同位素元素。镥-176则会进行β衰变半衰期为3.78×1010年,占所有自然镥元素的2.5%。至今镥的人造放射性同位素共有32种,质量介乎149.973(镥-150)至183.961(镥-184)。当中较为稳定的有镥-174(半衰期为3.31年)和镥-173(1.37年)。其余的放射性同位素半衰期都在9天以下,大部分甚至低于半小时。所有原子量比镥-175低的同位素都会进行电子捕获,产生镱的同位素,并有少量进行α衰变正电子发射;原子量比它高的则主要进行β衰变,产生铪的同位素

镥还有42种同核异构体,质量分别有150、151、153至162以及166至180(有些同核异构体具相同的质量)。其中最稳定的有镥-177m(半衰期为160.4天)和镥-174m(142天)。这比镥-173、174和176以外的所有基态放射性同位素的半衰期都要长。

历史

法国科学家乔治·于尔班(Georges Urbain)、奥地利矿物学家卡尔·奥尔·冯·威尔士巴赫(Carl Auer von Welsbach)男爵以及美国化学家查尔斯·詹姆士(Charles James)于1907年分别独自发现了镥元素。他们都是在氧化镱矿物中,发现了含有镥的杂质。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚(Jean Charles Galissard de Marignac)曾以为该矿物完全由镱组成。发现者各自对镱和镥提出命名方案:于尔班建议“Neoytterbium”(即“新镱”的意思)和“Lutecium”(取自巴黎的拉丁文名卢泰西亚,Lutetia),而威尔士巴赫则选择“Aldebaranium”和“Cassiopeium”。两者都指责对方的论文是在看过自己的论文后才发表的。

国际原子量委员会当时负责审理新元素的命名,于1909年认定于尔班为最先发现者,并因为他最先从德马里尼亚的镱样本中分离出镥,因此元素以他的提议命名。在于尔班的命名受到公认之后,“Neoytterbium”一名就被镱的现名“Ytterbium”淘汰了。直到1950年代,一些德国化学家仍然采用威尔士巴赫的名称“Cassiopeium”。1949年,元素的拼法从“Lutecium”改为“Lutetium”。

威尔士巴赫1907年制备的镥样本纯度很高,而于尔班同年制成的样本只含有微量的镥。这使得于尔班以为他发现了第72号元素,并将其称为“Celtium”,但这其实只是纯度更高的镥元素。查尔斯·詹姆士回避了这一争议,转而大规模发展生产,并成为了当时最大的镥供应商。1953年,科学家首次制成纯镥金属。

存量及生产

独居石

镥并不单独存在于自然中,而是与其他稀土金属一同出现,因此其分离过程非常困难。最主要的商业来源是稀土磷化物矿物独居石:(Ce,La,…)PO4,其中含有0.0001%的镥。地球地壳中镥的含量在0.5 mg/kg左右。主要产国有中国美国巴西印度斯里兰卡澳洲。全球镥年产量约为10吨(以氧化物形态开采)。纯镥金属的制备十分困难,是稀土金属中最稀有也最昂贵的,每公斤售价约为1万美元,即的四分之一左右。

镥矿物的加工过程如下。矿石压碎之后,与热浓硫酸反应,形成各种稀土元素的水溶硫酸盐。氢氧化会沉淀出来,可直接移除。剩余溶液需加入草酸铵,将稀土元素转化为不可溶的草酸盐。经退火后,草酸盐会变为氧化物,再溶于硝酸中。这可移除主要成分,因为其氧化物不可溶于硝酸。硝酸铵可将包括镥在内的多个稀土元素以双盐的形态结晶分离出来。离子交换法可以把萃取出来。在这一过程中,稀土元素离子吸附在合适的离子交换树脂上,并会与树脂中的氢、铵或者离子进行交换。利用适当的配合剂,可将镥单独洗出。要产生镥金属,可以用碱金属碱土金属对无水LuCl3或LuF3进行还原反应

2 LuCl3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl2

应用

由于镥相当稀有,价格昂贵,所以商业用途不多。稳定的镥可以用作石油裂化反应中的催化剂,另在烷基化、氢化聚合反应中也有用途。

镥铝石榴石(Al5Lu3O12)可能可以用于高折射率浸没式光刻技术,作镜片材料。磁泡存储器中用到的钆镓石榴石当中也含有少量的镥,其功用为掺杂剂。掺铈氧正硅酸镥是目前正电子发射计算机断层扫描(PET)技术中的首选探测器物质。镥也被用作发光二极管当中的萤光体。

镥的放射性同位素也有几项用途。镥-176具有合适的半衰期和衰变模式,因此被用作纯β粒子射源,其中的镥要先经过中子活化过程。用于测量陨石年龄的镥铪定年法也用到这一同位素。与奥曲肽盐结合的镥-177同位素(类体抑素)可用于针对神经内分泌肿瘤放射线疗法

钽酸镥(LuTaO4)是已知密度最高的白色稳定物质(9.81 g/cm3),所以是理想的X光萤光体载体材料。白色物质中,只有二氧化钍的密度比它更高(10 g/cm3),但其中的钍具有放射性。

安全

和其他稀土金属一样,镥的毒性较低,但其化合物则须小心处理。比如,氟化镥会刺激皮肤,吸入人体后十分危险。硝酸镥也具有危险性:它在加温之后可能会爆炸或燃烧。氧化镥粉末具有毒性,须避免吸入或进食。

和其他3族元素及镧系元素相似,镥没有任何生物功用。不过人体之内可发现镥元素,特别累积在骨骼中,少量在肝脏和肾脏中。镥在人体内的含量是所有镧系元素中最低的。并没有数据记录人类的镥摄入量,但经估算约为每年数微克,主要经植物食物进入体内。可溶的镥盐具微毒性,但不可溶的镥盐则没有毒性。

外部链接


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