(Lutecium,Lutetium)是元素周期表中第71号元素,元素符号为Lu,原子量174.97,属第六周期ⅢB族。外围
电子构型为4f¹⁴5d¹6s²。是系元素之一,也是
ree之一。镥是法国人
乌尔班(G. Vrbain)发现并命名的。它是银白色金属,有
延展性和顺磁性,
熔点为1663℃,
沸点为3395℃。镥为镧系元素中最硬、最致密的元素。镥在空气中比较稳定,能与水缓慢反应,溶于稀酸,无论是在酸性或碱性介质中均为较强的
还原剂,镥具有镧系元素的共同特征。
金属镥是用
碱金属或
碱土金属还原其
卤化物的方法来制备的。镥的用途不甚广泛,主要应用其放射性和合成
晶体材料。自然界中有两种
同位素,贮量很少,主要存在于
独居石、
黑稀金矿和磷矿中,也存在于核裂变的产物中。
发现历史
20世纪发现并肯定的
ree是镥,是1907年
法国化学家乌尔班(Georges Urbain,1872-1938)从中分离出来的。他把镱一分为二,一个称为neo
镱,另一个称为镥lutetium。这个名称来自Lutetia,是法国巴黎的古名,是乌尔班的出生地。
同年韦斯巴赫也从镱中分离出两种新元素,分别命名为aldebaranium和cassio-peium,前者来自
天文学中金牛
星座毕宿五,后者来自天文学中仙后星座Cassiopeia,它们曾被化学家们分别以Ad和Cp为元素符号按原子量大小排列在
元素周期表镱和镥的前面。但是后来证实aldebaranium和镱是同一元素;
岩须属ium和镥是同一元素。
乌尔班发现的镥并不是纯净的,韦斯巴赫发现的是纯净的,但是乌尔班发表报告比韦斯巴赫早几个月。虽然化学家们认为韦斯巴赫的结果更为可信,但是镥被留下来,鉲却留在化学史中。
在
ree史上,镥元素是继之后,第二次关于不同国家在发现新元素的优先权方面出现争执。因为乌尔班发现“镱”时使用的方法和韦斯巴赫所使用过的方法相似。同时,
美国的化学家
贾科莫,在乌尔班和韦斯巴赫的研究成果传到美国时,他就确定了“镱”是一种
混合物,并且写出了自己的
实验报告。
1913年,
丹麦物理学家
奥格·玻尔应用量子论提出
原子结构模型,指出71号稀土元素镥的外层
电子已达到全充满。这样,到20世纪初,和镥的发现已经完成了自然界中存在的所有稀土元素的发现。铕和镥的发现是撞开
ree第四道门找到的。在
核反应堆中用
中子轰击可以得到的
同位素。钷的所有同位素半衰期都比较短,所以长期以来,人们普遍认为自然界中不存在钷。然而,在1964年有报道称,
芬兰科学家从天然
磷灰石中分离出82微克的钷;1965年
荷兰的一个
磷酸盐工厂在处理磷灰石发现了钷的痕量成分。
镥的分布
由于镥离子(Lu3+)的
离子半径与钙离子半径相近,因此镥可替换矿物
晶体中Ca2+的位置。镥广泛分布于火成岩、
沉积岩和
变质岩中,但质量分数很低。在普通岩石中,镥主要赋存于磷灰石、
锆石、
石榴石、
黑云母和一些
ree矿物中(如
独居石、
磷钇矿、
铌钇矿、
褐帘石、硅铍矿等);普通造岩矿物,如
斜长石、
角闪石、
辉石和
橄榄石中的镥质量分数很低,通常小于1×10⁻⁶。酸性火成岩中,部分
磷灰石的镥质量分数可达25×10⁻⁶,独居石中该值可能更高,锆石中该值平均为21×10⁻⁶左右,
硅铍钇矿中该值可达0.n%,但是这种矿物十分稀少,分布有限。
含镥的
稀土资源主要集中于
美国、
印度、
俄罗斯、
澳大利亚、
加拿大、中国等国。其中美国含镥的稀土资源主要为
氟碳铈矿、
独居石、
黑稀金矿、硅铍钇矿和
磷钇矿。俄罗斯稀土资源主要是集中于
科拉半岛的伴生矿床,存在于碱性岩中含稀土的磷灰石。澳大利亚为独居石资源大国。加拿大主要从
铀矿中副产稀土。印度的稀土资源主要为独居石,分布于海滨
砂矿和内陆砂矿中。中国南方的稀土资源以离子型重稀土和中重稀土为主,其中主要含有Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y和La、Nd等元素的稀土资源集中于
江西省、
广东省、
广西壮族自治区、
福建省、
湖南省等省。
理化性质
物理性质
镥是
ree,
六方晶系型结构。银白色金属,质软,有金属光泽,有
延展性和顺磁性,
熔点为1663℃,
沸点为3395℃,比重为9.840(25℃),密度9.84 g/cm³。镥为
镧系金属中最硬、最致密的元素。 镥金属是良导体,
电导率与汞相似,
电阻率比铜大40倍~70倍。随着金属纯度的降低,导电性下降。在超低温时具有超导性。
化学性质
镥的外围电子排布为4f¹⁴5d¹6s²,
氧化数以+3价为主,这是由于镥元素
原子的第一、第二、第三
电离能之和不是很大,成键时释放出来的能量足以弥补原子在电离时能量的消耗。因此,镥的+3氧化态是稳定的。镥金属是强化学活性的金属,其活泼性仅次于
碱金属和
碱土金属。镥在空气中比较稳定,灼烧时可形成
氧化物。镥与冷水作用缓慢,与热水反应较快且放出
氢气,能溶于稀酸,无论是在酸性或碱性介质中均为较强的
还原剂。镥具有
镧系金属的共同特征,能与大部分非金属反应,能与绝大多数主族和过渡金属形成化合物。
镥与
卤族元素反应生成
勒克斯₃(X=F、Cl、Br、I),和
氧气反应生成
氧化镥(Lu₂O₃),与硫反应生成
硫化镥(Lu₂S₃),和
氮气生成氮化镥(LuN),和氢气生成
氢化镥(LuH₃),和稀酸反应(稀HCl、H₂SO₄、HClO₄、HAc)反应生成相应的盐和氢气。
镥金属还有强的还原性,是很好的还原剂,能将Fe、Co、Ni、Cr、V、Nb、Ta、Mo、Ti、Zr以及Si等元素的
氧化物还原成金属。
2Lu+3Br2=2LuBr3(加热)
2Lu+3Cl2=2LuCl3(200℃)
2Lu+3F2=2LuF3
2Lu+6HCl=2LuCl3+3H2
2Lu+6H2O=2Lu(OH)3+3H2
2Lu+3H2SO4(热)=Lu2(SO4)3+3H2
2Lu+N2=2LuN(1000℃)
4Lu+3O2=2Lu2O3(180-200℃)
同位素
镥的主要同位素有169Lu、170Lu、171Lu、172Lu、173Lu、174Lu、175Lu、176Lu、177Lu、178Lu、179Lu等,其中两种天然同位素为:175Lu(镥175)和半衰期为2.1×10¹º年的β放射体176Lu(镥176),
丰度分别为97.40%和2.60%。其中176Lu是
放射性同位素,其
衰变过程属于分支衰变:一方面通过β辐射衰变成稳定的176Hf,另一方面还可通过
电子捕获衰变成稳定的176Yb,但由于电子捕获与β衰变之比大约为±3%,所以176Yb的衰变可以忽略不计。
常见化合物
由于镥的
散逸层电子构型是5d1、6s2,失去这三个电子后呈三价状态,而4f电子受外层电子的屏蔽,它们不易受邻近
原子电场的作用,一般不参与
化学键的形成,因此容易形成稳定的三价化合物。
氧化镥Lu₂O₃,分子量为397.93,白色粉末,相对密度9.42,
熔点2467℃,不溶于水,溶于酸生成相应的无色盐,在空气中易吸收
二氧化碳和水。主要用于钇铁和
钇铝石榴石添加元素及荧光粉的活性材料。以褐钇矿提取
氧化钇后的镥钇富集物为原料,有机
溶剂为
萃取剂,
煤油为稀释剂萃取而得。氧化镥可与
氯化铵反应生成氯化镥和氨气。
氯化镥LuCl₃,分子量281.36,无色结晶,能溶于水,热至750℃以上
升华。密度为3.98 g/cm³,熔点为905℃,可用于
光谱分析用的标准。
镥的制备
萃取分离法
以
褐钇铌矿或重稀土型离子
稀土矿提取氧化钇后的铥镱镥钇富集物为原料,其组成为:Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3和Y2O3。以P₅₀₇-煤油为有机相,采用回流萃取法,经122级回流萃取,获得纯度大于99.9%
氧化镥(Lu₂O₃)。全流程由萃取段、交换段、洗涤段、反萃段等部分组成。有机相为P507-
磺化煤油,料液为镥镱富集物的
硝酸液,回流液使
稀土回流到交换段和萃取段,以维持萃取体系中的稀土浓度。由反洗段第122级流出的含镥有机相,用
盐酸液经7级反萃得含稀土的反萃液,反萃液中含有的盐酸,可通过渗透膜回收。反萃液经
草酸沉淀、过滤、灼烧可得高纯度的Lu₂O₃。具体工艺流程为:
镥的分离工艺条件:
金属钙还原氟化镥
反应在惰性气体(
氩气)保护下在密闭的
不锈钢制的
反应器中进行。将预先经
蒸馏净化的纯金属钙与
碘化钠化镥混合加热,当反应材料本身温度突然升高,表明反应已开始,但仍需继续加热使渣和镥金属均熔化以获得很好的分离。金属钙还原氟化镥
基本反应方程式为:
2LuF₃+3Ca=2Lu+3CaF₂
金属锂还原氯化镥
使用的无水氯化镥预先经
真空蒸馏净化并熔成块状。为了防止金属
还原剂带入杂质,采用锂蒸气与熔融的氯化镥作用,反应在密闭的
不锈钢制
反应器中进行。在
氩气保护下,加热熔化氯化镥与蒸发的锂蒸气反应,得到金属镥结晶,其
基本反应为:
此法制取的金属镥纯度高,但还原剂锂成本较高。
提纯
镥金属的提纯有六种方法:包括真空蒸馏法;区域熔炼法;固态电解法(电传输或
电泳法);悬浮区熔-电传输联合法;
单晶制备法;
电解精炼法。选择工艺方法时需考虑工艺对欲去除杂质的有效性、装置的效率及金属的回收率。为了去除较多的杂质,往往需要用两种或两种以上的提纯方法进行处理,但也只能达到一定限度,一般纯度不小于99.99%的品位视为高纯度稀土金属。
应用领域
医药领域
放射性药物利用其发射的
射线进行疾病诊断和治疗,放射性
核素是放射性药物的根本所在。在诸多治疗用放射性核素中,¹⁷⁷Lu(镥177)的半衰期为6.647d,发射3种能量的β⁻粒子,其粒子能量相对较低,在对病灶发生辐射作用时对
骨髓抑制较轻,因此,镥177是一种非常适合于治疗的放射性核素。另外,其发射的低能
γ射线可用于诊断显像以及
放射治疗效果的评价。由于镥177核 素优良的物理特性及在肿瘤治疗领域的优势,其在
核医学内照射治疗领域的研究中受到广泛关注,可用于对
神经内分泌肿瘤和
前列腺肿瘤的靶向治疗。
闪烁晶体材料
镥可用于合成闪烁晶体材料。其中,C.L.Melcher用镥合成出了硅酸镥(Lu₂SiO₅:Ce,简写为LSO:Ce),硅酸镥
晶体具有优异的闪烁性能,具有光输出高,衰减时间短,对
射线吸收好,能量
分辨率高,
机械加工性能好等优点,其综合性能指标均优于其他闪烁晶体。 使用
硅酸镥和硅酸钇镥晶体制成的
γ射线探测器广泛应用于
核医学成像(
聚对苯二甲酸乙二醇酯、CT、SPECT)、
油井钻探、高能物理和
核物理实验、安全检查、
环境监测等方面。其中,PET以镥的闪烁晶体为探测元件,获取
示踪剂在人体内的三维分布及其随时间变化的信息,是各类医学成像设备中技术水平高、应用价值大的设备。
电致发光材料
镥可用于电致发光材料。使用镥合成的双酞菁镥
有机化合物可用于LB膜电致变色技术,已获得多种颜色的彩色显示,可作为纳米有机电致发光材料,用于纳米电致变色显示器。这种显示器不但具有极快的响应速度,还由于采用了薄膜型结构可以制成比纸还薄的“
柔性显示屏”,且颜色亮度比
液晶显示屏的要高4倍,其显示内容即使在断电后也可以保持不变,具有记忆效果和超低耗电量。
其它材料
镥还能制造某些特殊合金,例如镥铝合金可用于
中子活化分析;钇铁石榴石或
钇铝石榴石的添加镥元素,可改善某些性能;用于复合功能
晶体掺镥
四硼酸铝钇钕在光学均匀性和
激光性能方面相比于未掺镥均有提高;可用于能源电池技术以及荧光粉的
激活剂;还可用于掺铈掺铕
氢氧化铝镥、掺铈铝酸镥钇等
晶体材料来制造亚微米成像透明荧光屏,使荧光屏产生神奇的透明显示效果;掺镥的激光晶体掺钕
硼酸铝钇(NYAB)可以明显提高其
物理化学性能,使NYAB集激光性能和
非线性光学性能于一体,可用作
激光二极管泵浦、激光复印机、分析仪器、激光视盘放像机、潜艇光通信及眼科激光治疗仪等方面;另外,稳定的镥
核素在石油裂化、基化、
氢化和聚合反应中可起
催化作用。
安全事宜
镥是低毒金属,在体内多以络合离子转入
体液中,能在血液中长时间的停留,在各脏器和组织中分布较广,但在肝、骨中的蓄积率不高。镥元素及其化合物的口服和皮下注射的毒性均比较小,对鼠类的
半数致死量,其中氯化镥腹腔注射LD50为315 mg/kg,口服LD50为7100 mg/kg,硝酸镥腹腔注射LD50为290 mg/kg。
摄入和蓄积于机体内的镥元素,可利用
乙二胺四乙酸二钠,DTPA(
二乙烯三胺五乙酸)或其它氨羧
络合剂的
钙盐作
静脉注射,经过长期治疗能使镥元素逐渐排出体外。但长期使用EDTA等络合剂可能有—-定的副作用。