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71Lu




外觀
銀白色
概況
名稱·符號·序數 鑥(Lutetium)·Lu·71
元素類別 鑭系元素
有時歸為過渡金屬
·週期· 不適用·6·d
標準原子質量 174.9668(4)
電子排布

[] 6s2 4f14 5d1
2, 8, 18, 32, 9, 2

鑥的电子層(2, 8, 18, 32, 9, 2)
歷史
發現 喬治·於爾班卡爾·奧爾·馮·威爾斯巴赫(1906年)
分離 卡爾·奧爾·馮·威爾斯巴赫(1906年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
9.841 g·cm−3
熔點時液體密度 9.3 g·cm−3
熔點 1925 K,1652 °C,3006 °F
沸點 3675 K,3402 °C,6156 °F
熔化熱 ca. 22 kJ·mol−1
汽化熱 414 kJ·mol−1
比熱容 26.86 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K) 1906 2103 2346 (2653) (3072) (3663)
原子性質
氧化態

3, 2, 1

(弱鹼性氧化物)
電負性 1.27(鲍林标度)
電離能

第一:523.5 kJ·mol−1
第二:1340 kJ·mol−1

第三:2022.3 kJ·mol−1
原子半徑 174 pm
共價半徑 187±8 pm
雜項
晶體結構

六方密堆積

鑥具有六方密堆積晶體結構
磁序 順磁性[1]
電阻率 室溫)582 n Ω·m
熱導率 16.4 W·m−1·K−1
膨脹係數 室溫)9.9 µm/(m·K)
楊氏模量 68.6 GPa
剪切模量 27.2 GPa
體積模量 47.6 GPa
泊松比 0.261
維氏硬度 1160 MPa
布氏硬度 893 MPa
CAS號 7439-94-3
最穩定同位素

主条目:鑥的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
173Lu 人造 1.37年 ε 0.671 173Yb
174Lu 人造 3.31年 ε 1.374 174Yb
175Lu 97.41% - α 1.6197 171Tm
176Lu 2.59% 3.78×1010 β 1.193 176Hf
帶括號的衰變模式為理論預測,尚未有實驗觀測證實

Lutetium,台湾称,舊譯作)是一種化學元素,符號為Lu原子序為71。鑥是一種銀白色金屬,在乾燥空氣中能抵抗腐蝕。鑥是最後一個鑭系元素,有時也算作第六週期首個過渡金屬,一般歸為稀土元素

法國科學家喬治·於爾班(Georges Urbain)、奧地利礦物學家卡爾·奧爾·馮·威爾斯巴赫(Carl Auer von Welsbach)男爵以及美國化學家查爾斯·詹姆士(Charles James)於1907年分別獨自發現了鑥元素。他們都是在氧化鐿礦物中,發現了含有鑥的雜質。發現者隨即爭論誰最早發現鑥,不同的命名方案也引起了爭議。最終定下的名稱是「Lutecium」,取自巴黎的拉丁文名盧泰西亞(Lutetia),後拼法改為「Lutetium」。

鑥在地球地殼中的含量並不高,但仍比要常見得多。鑥-176是一種較常見的放射性同位素(佔所有鑥的2.5%),半衰期約為380億年,可用於測量隕石的年齡。鑥一般與一同出現,可作合金材料,以及為某些化學反應作催化劑177Lu-DOTA-TATE可用於放射線療法,治療神經內分泌腫瘤。

性質[编辑]

物理性質[编辑]

鑥原子含71個電子,其電子排布為[] 4f145d16s2[2]在進行化學反應時,它會失去兩個外層電子和一個5d電子。這較為特殊,因為其他的鑭系元素反應時都會用到f-層電子。由於鑭系收縮現象,鑥原子是所有鑭系元素中大小最小的。[3]因此鑥的密度、熔點和硬度都是鑭系元素之中最高的。[4]另一原因是,鑥位於d區塊,所以性質與一些較重的過渡金屬相似。有時鑥也可以歸為過渡金屬,但國際純粹與應用化學聯合會把它歸為鑭系元素。

化學性質與化合物[编辑]

鑥在化合物中的氧化態是+3。除了碘化鑥(III)之外,大部份鑥鹽都呈白色晶體狀,在水溶液中無色。鑥的硝酸鹽、硫酸鹽和醋酸鹽在結晶時會形成水合物。其氧化物、氫氧化物、氟化物、碳酸鹽、磷酸鹽和草酸鹽都不可溶於水。[5]

標準情況下,鑥金屬在空氣中稍稍不穩定,但在150 °C下會迅速燃燒形成氧化鑥。氧化鑥可以吸收水份和二氧化碳,可在密閉空間裡用於移除水氣和二氧化碳。[6]鑥與水的反應相似,且會形成氫氧化鑥(反應速度隨水溫提高而加快)。[7]鑥金屬可以和最輕的四個鹵素形成三鹵化物,除氟化物外都可溶於水。

鑥能輕易溶解於弱酸[6]和稀硫酸中。溶液無色,其中的鑥離子與7個或9個水分子配位,平均公式為:[Lu(H2O)8.2]3+[8]

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

同位素[编辑]

地球上的鑥由鑥-175和鑥-176兩種同位素組成,其中只有鑥-175是穩定的,所以鑥屬於單一同位素元素。鑥-176則會進行β衰變半衰期為3.78×1010年,佔所有自然鑥元素的2.5%。[9]至今鑥的人造放射性同位素共有32種,質量介乎149.973(鑥-150)至183.961(鑥-184)。當中較為穩定的有鑥-174(半衰期為3.31年)和鑥-173(1.37年)。[9]其餘的放射性同位素半衰期都在9天以下,大部份甚至低於半小時。[9]所有原子量比鑥-175低的同位素都會進行電子捕獲,產生鐿的同位素,並有少量進行α衰變正電子發射;原子量比它高的則主要進行β衰變,產生鉿的同位素[9]

鑥還有42種同核異構體,質量分別有150、151、153至162以及166至180(有些同核異構體具相同的質量)。其中最穩定的有鑥-177m(半衰期為160.4天)和鑥-174m(142天)。這比鑥-173、174和176以外的所有基態放射性同位素的半衰期都要長。[9]

歷史[编辑]

法國科學家喬治·於爾班(Georges Urbain)、奧地利礦物學家卡爾·奧爾·馮·威爾斯巴赫(Carl Auer von Welsbach)男爵以及美國化學家查爾斯·詹姆士(Charles James)於1907年分別獨自發現了鑥元素。[10]他們都是在氧化鐿礦物中,發現了含有鑥的雜質。瑞士化學家讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞(Jean Charles Galissard de Marignac)曾以為該礦物完全由鐿組成。[11]發現者各自對鐿和鑥提出命名方案:於爾班建議「Neoytterbium」(即「新鐿」的意思)和「Lutecium」(取自巴黎的拉丁文名盧泰西亞,Lutetia),[12]而威爾斯巴赫則選擇「Aldebaranium」和「Cassiopeium」。[13]兩者都指責對方的論文是在看過自己的論文後才發表的。

國際原子量委員會當時負責審理新元素的命名,於1909年認定於爾班為最先發現者,並因為他最先從德馬里尼亞的鐿樣本中分離出鑥,因此元素以他的提議命名。[11]在於爾班的命名受到公認之後,「Neoytterbium」一名就被鐿的現名「Ytterbium」淘汰了。直到1950年代,一些德國化學家仍然採用威爾斯巴赫的名稱「Cassiopeium」。1949年,元素的拼法從「Lutecium」改為「Lutetium」。

威爾斯巴赫1907年製備的鑥樣本純度很高,而於爾班同年製成的樣本只含有微量的鑥。[14]這使得於爾班以為他發現了第72號元素,並將其稱為「Celtium」,但這其實只是純度更高的鑥元素。[14]查爾斯·詹姆士迴避了這一爭議,轉而大規模發展生產,並成為了當時最大的鑥供應商。[15]1953年,科學家首次製成純鑥金屬。[15]

存量及生產[编辑]

獨居石

鑥並不單獨存在於自然中,而是與其他稀土金屬一同出現,因此其分離過程非常困難。最主要的商業來源是稀土磷化物礦物獨居石:(Ce,La,…)PO4,其中含有0.0001%的鑥。[6]地球地殼中鑥的含量在0.5 mg/kg左右。主要產國有中國美國巴西印度斯里蘭卡澳洲。全球鑥年產量約為10噸(以氧化物形態開採)。[15]純鑥金屬的製備十分困難,是稀土金屬中最稀有也最昂貴的,每公斤售價約為1萬美元,即的四分之一左右。[16][17]

鑥礦物的加工過程如下。礦石壓碎之後,與熱濃硫酸反應,形成各種稀土元素的水溶硫酸鹽。氫氧化會沉澱出來,可直接移除。剩餘溶液需加入草酸銨,將稀土元素轉化為不可溶的草酸鹽。經退火後,草酸鹽會變為氧化物,再溶於硝酸中。這可移除主要成份,因為其氧化物不可溶於硝酸。硝酸銨可將包括鑥在內的多個稀土元素以雙鹽的形態結晶分離出來。離子交換法可以把萃取出來。在這一過程中,稀土元素離子吸附在合適的離子交換樹脂上,並會與樹脂中的氫、銨或者離子進行交換。利用適當的配合劑,可將鑥單獨洗出。要產生鑥金屬,可以用鹼金屬鹼土金屬對無水LuCl3或LuF3進行還原反應[5]

2 LuCl3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl2

應用[编辑]

由於鑥相當稀有,價格昂貴,所以商業用途不多。穩定的鑥可以用作石油裂化反應中的催化劑,另在烷基化、氫化聚合反應中也有用途。

鑥鋁石榴石(Al5Lu3O12)可能可以用於高折射率浸沒式光刻技術,作鏡片材料。[18]磁泡存儲器中用到的釓鎵石榴石當中也含有少量的鑥,其功用為摻雜劑[19]摻鈰氧正矽酸鑥是目前正電子發射計算機斷層掃描(PET)技術中的首選探測器物質。[20][21]鑥也被用作發光二極體當中的螢光體。[22]

鑥的放射性同位素也有幾項用途。鑥-176具有合適的半衰期和衰變模式,因此被用作純β粒子射源,其中的鑥要先經過中子活化過程。用於測量隕石年齡的鑥鉿定年法也用到這一同位素。[23]奧曲肽鹽結合的鑥-177同位素(類體抑素)可用於針對神經內分泌腫瘤放射線療法[24]

鉭酸鑥(LuTaO4)是已知密度最高的白色穩定物質(9.81 g/cm3),[25]所以是理想的X光螢光體載體材料。[26][27]白色物質中,只有二氧化釷的密度比它更高(10 g/cm3),但其中的釷具有放射性。

安全[编辑]

和其他稀土金屬一樣,鑥的毒性較低,但其化合物則須小心處理。比如,氟化鑥會刺激皮膚,吸入人體後十分危險。[6]硝酸鑥也具有危險性:它在加溫之後可能會爆炸或燃燒。氧化鑥粉末具有毒性,須避免吸入或進食。[6]

和其他3族元素及鑭系元素相似,鑥沒有任何生物功用。不過人體之內可發現鑥元素,特別累積在骨骼中,少量在肝臟和腎臟中。[15]鑥在人體內的含量是所有鑭系元素中最低的。[15]並沒有數據記錄人類的鑥攝入量,但經估算約為每年數微克,主要經植物食物進入體內。可溶的鑥鹽具微毒性,但不可溶的鑥鹽則沒有毒性。[15]

參考資料[编辑]

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  2. ^ Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements 2nd Edition. Oxford:Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0-7506-3365-4. 
  3. ^ Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey, Advanced Inorganic Chemistry. 5th, New York: Wiley-Interscience. 1988:  776, 955, ISBN 0-471-84997-9 
  4. ^ Parker, Sybil P. Dictionary of Scientific and Technical Terms, 3rd ed. New York: McGraw-Hill. 1984. 
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