Lutécium - Lutetium
Lutécium | ||||||||||||||||||||||||||
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Prononciation |
/ Lj u t i ʃ i ə m / |
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Apparence | blanc argenté | |||||||||||||||||||||||||
Poids atomique standard A r, std (Lu) | 174.9668(1) | |||||||||||||||||||||||||
Lutétium dans le tableau périodique | ||||||||||||||||||||||||||
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Numéro atomique ( Z ) | 71 | |||||||||||||||||||||||||
Grouper | groupe 3 | |||||||||||||||||||||||||
Période | période 6 | |||||||||||||||||||||||||
Bloquer | d-bloc | |||||||||||||||||||||||||
Configuration électronique | [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 | |||||||||||||||||||||||||
Électrons par coquille | 2, 8, 18, 32, 9, 2 | |||||||||||||||||||||||||
Propriétés physiques | ||||||||||||||||||||||||||
Phase à STP | solide | |||||||||||||||||||||||||
Point de fusion | 1925 K (1652 °C, 3006 °F) | |||||||||||||||||||||||||
Point d'ébullition | 3675 K (3402 °C, 6156 °F) | |||||||||||||||||||||||||
Densité (près de rt ) | 9,841 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||
quand liquide (au mp ) | 9,3 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||
Température de fusion | Californie. 22 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
Chaleur de vaporisation | 414 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
Capacité calorifique molaire | 26,86 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||
La pression de vapeur
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Propriétés atomiques | ||||||||||||||||||||||||||
États d'oxydation | 0, +1, +2, +3 (un oxyde faiblement basique ) | |||||||||||||||||||||||||
Électronégativité | Échelle de Pauling : 1,27 | |||||||||||||||||||||||||
Énergies d'ionisation | ||||||||||||||||||||||||||
Rayon atomique | empirique : 174 h | |||||||||||||||||||||||||
Rayon covalent | 187±20h | |||||||||||||||||||||||||
Lignes spectrales du lutécium | ||||||||||||||||||||||||||
Autres propriétés | ||||||||||||||||||||||||||
Occurrence naturelle | primordial | |||||||||||||||||||||||||
Structure en cristal | hexagonal compact (hcp) | |||||||||||||||||||||||||
Dilatation thermique | poly : 9,9 µm/(m⋅K) (à rt ) | |||||||||||||||||||||||||
Conductivité thermique | 16,4 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
Résistivité électrique | poly : 582 nΩ⋅m (à rt ) | |||||||||||||||||||||||||
Commande magnétique | paramagnétique | |||||||||||||||||||||||||
Module d'Young | 68,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Module de cisaillement | 27,2 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Module de vrac | 47,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||
Coefficient de Poisson | 0,261 | |||||||||||||||||||||||||
Dureté Vickers | 755-1160 MPa | |||||||||||||||||||||||||
dureté Brinell | 890-1300 MPa | |||||||||||||||||||||||||
Numero CAS | 7439-94-3 | |||||||||||||||||||||||||
Histoire | ||||||||||||||||||||||||||
Appellation | d'après Lutèce , latin pour : Paris, à l'époque romaine | |||||||||||||||||||||||||
Découverte | Carl Auer von Welsbach et Georges Urbain (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Premier isolement | Carl Auer von Welsbach (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Nommé par | Georges Urbain (1906) | |||||||||||||||||||||||||
Principaux isotopes du lutétium | ||||||||||||||||||||||||||
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Lutécium est un élément chimique avec le symbole Lu et de numéro atomique 71. Il est un blanc argenté métallique , qui résiste à la corrosion dans l' air sec, mais pas dans l' air humide. Le lutétium est le dernier élément de la série des lanthanides , et il est traditionnellement compté parmi les terres rares . Le lutétium est généralement considéré comme le premier élément des métaux de transition de la 6ème période par ceux qui étudient la question, bien qu'il y ait eu des controverses sur ce point.
Le lutétium a été découvert indépendamment en 1907 par le scientifique français Georges Urbain , le minéralogiste autrichien Baron Carl Auer von Welsbach et le chimiste américain Charles James . Tous ces chercheurs ont trouvé du lutétium comme impureté dans le minéral ytterbia , qui était auparavant considéré comme entièrement composé d'ytterbium. Le différend sur la priorité de la découverte s'est produit peu de temps après, Urbain et Welsbach s'accusant mutuellement de publier des résultats influencés par la recherche publiée de l'autre ; l'honneur du nom est allé à Urbain, car il avait publié ses résultats plus tôt. Il a choisi le nom lutecium pour le nouvel élément, mais en 1949, l'orthographe a été changée en lutetium . En 1909, la priorité est finalement accordée à Urbain et ses noms sont adoptés comme noms officiels ; cependant, le nom cassiopeium (ou plus tard cassiopium ) pour l'élément 71 proposé par Welsbach a été utilisé par de nombreux scientifiques allemands jusqu'aux années 1950.
Le lutétium n'est pas un élément particulièrement abondant, bien qu'il soit nettement plus répandu que l' argent dans la croûte terrestre. Il a peu d'utilisations spécifiques. Le lutétium-176 est un isotope radioactif relativement abondant (2,5%) avec une demi-vie d'environ 38 milliards d'années, utilisé pour déterminer l'âge des minéraux et des météorites . Le lutétium se produit généralement en association avec l'élément yttrium et est parfois utilisé dans les alliages métalliques et comme catalyseur dans diverses réactions chimiques. 177 Lu -DOTA-TATE est utilisé en radiothérapie (voir Médecine nucléaire ) sur les tumeurs neuroendocrines. Le lutétium a la dureté Brinell la plus élevée de tous les lanthanides, à 890-1300 MPa .
Caractéristiques
Propriétés physiques
Un atome de lutétium possède 71 électrons, disposés dans la configuration [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 . Lorsqu'il entre dans une réaction chimique, l'atome perd ses deux électrons les plus externes et le seul électron 5d. L'atome de lutétium est le plus petit parmi les atomes de lanthanide, en raison de la contraction des lanthanides et, par conséquent, le lutétium a la densité, le point de fusion et la dureté les plus élevés des lanthanides.
Propriétés chimiques et composés
Les composés du lutétium contiennent toujours l'élément à l'état d'oxydation +3. Les solutions aqueuses de la plupart des sels de lutétium sont incolores et forment des solides cristallins blancs lors du séchage, à l'exception courante de l'iodure. Les sels solubles, tels que le nitrate, le sulfate et l'acétate, forment des hydrates lors de la cristallisation. L' oxyde , l'hydroxyde, le fluorure, le carbonate, le phosphate et l' oxalate sont insolubles dans l'eau.
Le lutétium métal est légèrement instable dans l'air dans des conditions standard, mais il brûle facilement à 150 °C pour former de l'oxyde de lutétium. Le composé résultant est connu pour absorber l'eau et le dioxyde de carbone , et il peut être utilisé pour éliminer les vapeurs de ces composés des atmosphères fermées. Des observations similaires sont faites lors de la réaction entre le lutécium et l'eau (lente à froid et rapide à chaud) ; l'hydroxyde de lutétium est formé dans la réaction. Le lutétium métallique est connu pour réagir avec les quatre halogènes les plus légers pour former des trihalogénures ; tous (sauf le fluorure) sont solubles dans l'eau.
Le lutétium se dissout facilement dans les acides faibles et l'acide sulfurique dilué pour former des solutions contenant les ions lutécium incolores, qui sont coordonnés par entre sept et neuf molécules d'eau, la moyenne étant [Lu(H
2O)
8.2] 3+ .
- 2 Lu + 3 H
2DONC
4→ 2 Lu 3+ + 3 SO2−
4 + 3H
2↑
Isotopes
Le lutétium est présent sur Terre sous la forme de deux isotopes : le lutétium-175 et le lutétium-176. Parmi ces deux éléments, seul le premier est stable, ce qui rend l'élément monoisotopique . Ce dernier, le lutétium-176, se désintègre via la désintégration bêta avec une demi-vie de 3,78 × 10 10 ans ; il représente environ 2,5 % du lutétium naturel. À ce jour, 32 radio - isotopes synthétiques de l'élément ont été caractérisés, dont la masse varie de 149,973 (lutetium-150) à 183,961 (lutetium-184) ; les isotopes les plus stables sont le lutétium-174 avec une demi-vie de 3,31 ans et le lutétium-173 avec une demi-vie de 1,37 an. Tous les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies inférieures à 9 jours, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies inférieures à une demi-heure. Des isotopes plus légers que le lutétium 175 stable se désintègrent par capture d'électrons (pour produire des isotopes d' ytterbium ), avec une certaine émission d' alpha et de positons ; les isotopes les plus lourds se désintègrent principalement par désintégration bêta, produisant des isotopes d'hafnium.
L'élément a également 42 isomères nucléaires , avec des masses de 150, 151, 153-162, 166-180 (tous les nombres de masse ne correspondent pas à un seul isomère). Les plus stables d'entre eux sont le lutétium-177m, avec une demi-vie de 160,4 jours, et le lutétium-174m, avec une demi-vie de 142 jours ; ceux-ci sont plus longs que les demi-vies des états fondamentaux de tous les isotopes radioactifs du lutétium, à l'exception du lutétium-173, 174 et 176.
Histoire
Le lutétium, dérivé du latin Lutetia ( Paris ), a été découvert indépendamment en 1907 par le scientifique français Georges Urbain , le minéralogiste autrichien le baron Carl Auer von Welsbach et le chimiste américain Charles James. Ils l'ont trouvé comme impureté dans l' ytterbie , que le chimiste suisse Jean Charles Galissard de Marignac pensait être entièrement composé d' ytterbium . Les scientifiques ont proposé des noms différents pour les éléments: Urbain a choisi neoytterbium et lutécium , alors que Welsbach a choisi aldebaranium et cassiopeium (après Aldebaran et Cassiopée ). Ces deux articles accusaient l'autre homme de publier des résultats basés sur ceux de l'auteur.
La Commission internationale des poids atomiques , alors chargée de l'attribution de nouveaux noms d'éléments, règle le différend en 1909 en accordant la priorité à Urbain et en adoptant ses noms comme noms officiels, partant du fait que la séparation du lutétium de l'ytterbium de Marignac était décrit pour la première fois par Urbain; après que les noms d'Urbain aient été reconnus, le néoytterbium est devenu l'ytterbium. Jusque dans les années 1950, certains chimistes germanophones appelaient le lutétium du nom de Welsbach, le cassiopeium ; en 1949, l'orthographe de l'élément 71 a été changée en lutétium. La raison en était que les échantillons de lutétium de 1907 de Welsbach étaient purs, tandis que les échantillons de 1907 d'Urbain ne contenaient que des traces de lutétium. Cela a ensuite induit en erreur Urbain en lui faisant croire qu'il avait découvert l'élément 72, qu'il a nommé celtium, qui était en fait du lutécium très pur. Le discrédit ultérieur du travail d'Urbain sur l'élément 72 a conduit à une réévaluation du travail de Welsbach sur l'élément 71, de sorte que l'élément a été renommé en cassiopeium dans les pays germanophones pendant un certain temps. Charles James, qui est resté en dehors de l'argument de la priorité, a travaillé à une échelle beaucoup plus grande et possédait la plus grande offre de lutétium à l'époque. Le lutétium pur a été produit pour la première fois en 1953.
Occurrence et production
Présent avec presque tous les autres métaux des terres rares mais jamais seul, le lutétium est très difficile à séparer des autres éléments. Sa principale source commerciale est un sous-produit du traitement de la monazite minérale de phosphate de terre rare ( Ce , La ,...) P O
4, qui a des concentrations de seulement 0,0001 % de l'élément, pas beaucoup plus élevées que l'abondance de lutétium dans la croûte terrestre d'environ 0,5 mg/kg. Aucun minéral à dominante lutétium n'est actuellement connu. Les principales zones minières sont la Chine, les États-Unis, le Brésil, l'Inde, le Sri Lanka et l'Australie. La production mondiale de lutétium (sous forme d'oxyde) est d'environ 10 tonnes par an. Le lutétium métallique pur est très difficile à préparer. C'est l'un des métaux des terres rares les plus rares et les plus chers avec un prix d'environ 10 000 $ US le kilogramme, soit environ un quart de celui de l' or .
Les minéraux broyés sont traités avec de l'acide sulfurique concentré chaud pour produire des sulfates hydrosolubles de terres rares. Le thorium précipite de la solution sous forme d'hydroxyde et est éliminé. Après cela, la solution est traitée avec de l'oxalate d'ammonium pour convertir les terres rares en leurs oxalates insolubles. Les oxalates sont convertis en oxydes par recuit. Les oxydes sont dissous dans l'acide nitrique qui exclut l'un des principaux composants, le cérium , dont l'oxyde est insoluble dans HNO 3 . Plusieurs métaux des terres rares, dont le lutétium, sont séparés sous forme de sel double avec du nitrate d'ammonium par cristallisation. Le lutétium est séparé par échange d'ions . Dans ce procédé, les ions de terres rares sont sorbés sur une résine échangeuse d'ions appropriée par échange avec des ions hydrogène, ammonium ou cuivrique présents dans la résine. Les sels de lutétium sont ensuite lavés sélectivement par un agent complexant approprié. Le lutétium métal est ensuite obtenu par réduction de Lu Cl 3 ou Lu F 3 anhydre par un métal alcalin ou un métal alcalino - terreux .
- 2 LuCl
3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl
2
Applications
En raison des difficultés de production et de son prix élevé, le lutétium a très peu d'utilisations commerciales, d'autant plus qu'il est plus rare que la plupart des autres lanthanides mais n'est pas chimiquement très différent. Cependant, le lutétium stable peut être utilisé comme catalyseur dans le craquage du pétrole dans les raffineries et peut également être utilisé dans des applications d'alkylation, d' hydrogénation et de polymérisation .
Grenat de lutécium aluminium ( Al
5Lu
3O
12) a été proposé pour une utilisation comme matériau de lentille en lithographie par immersion à indice de réfraction élevé . De plus, une infime quantité de lutétium est ajoutée comme dopant au grenat de gallium et de gadolinium , qui est utilisé dans les dispositifs de mémoire à bulles magnétiques . L'oxyorthosilicate de lutétium dopé au cérium est actuellement le composé préféré pour les détecteurs en tomographie par émission de positons (TEP). Le grenat de lutétium et d'aluminium (LuAG) est utilisé comme phosphore dans les ampoules à diodes électroluminescentes.
Outre le lutétium stable, ses isotopes radioactifs ont plusieurs utilisations spécifiques. La demi-vie et le mode de désintégration appropriés ont fait du lutétium-176 utilisé comme émetteur bêta pur, en utilisant du lutétium qui a été exposé à l' activation des neutrons , et dans la datation lutétium-hafnium pour dater les météorites . L'isotope synthétique lutétium-177 lié à l'octréotate (un analogue de la somatostatine ), est utilisé expérimentalement dans la thérapie radionucléide ciblée pour les tumeurs neuroendocrines . En effet, le lutétium-177 est de plus en plus utilisé en tant que radionucléide dans le traitement des tumeurs neuroendrocines et les soins palliatifs de la douleur osseuse. La recherche indique que les horloges atomiques lutétium-ion pourraient fournir une plus grande précision que n'importe quelle horloge atomique existante.
Le tantalate de lutétium (LuTaO 4 ) est le matériau blanc stable le plus dense connu (densité 9,81 g/cm 3 ) et est donc un hôte idéal pour les luminophores de rayons X. Le seul matériau blanc plus dense est le dioxyde de thorium , avec une densité de 10 g/cm 3 , mais le thorium qu'il contient est radioactif.
Précautions
Comme les autres métaux des terres rares, le lutétium est considéré comme ayant un faible degré de toxicité, mais ses composés doivent néanmoins être manipulés avec précaution : par exemple, l'inhalation de fluorure de lutétium est dangereuse et le composé irrite la peau. Le nitrate de lutétium peut être dangereux car il peut exploser et brûler une fois chauffé. La poudre d'oxyde de lutétium est également toxique si elle est inhalée ou ingérée.
De même que les autres métaux des terres rares, le lutétium n'a pas de rôle biologique connu, mais on le trouve même chez l'homme, se concentrant dans les os, et dans une moindre mesure dans le foie et les reins. Les sels de lutétium sont connus pour se produire avec d'autres sels de lanthanides dans la nature; l'élément est le moins abondant dans le corps humain de tous les lanthanides. L'alimentation humaine n'a pas été surveillée pour la teneur en lutétium, on ne sait donc pas combien l'humain moyen en absorbe, mais les estimations montrent que la quantité n'est que de quelques microgrammes par an, provenant toutes de petites quantités prises par les plantes. Les sels de lutétium solubles sont légèrement toxiques, mais pas les sels insolubles.
Voir également
Remarques
Les références