氢原子百科 
镥（Lutecium，Lutetium）[1]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。是镧系元素之一，也是稀土元素之一。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。[3][7]
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。[7]镥的用途不甚广泛，主要应用其放射性和合成晶体材料。[12][13]自然界中有两种同位素，贮量很少，主要存在于独居石、黑稀金矿和磷钇矿中，也存在于核裂变的产物中。[7]
发现历史
20世纪发现并肯定的稀土元素是镥，是1907年法国化学家乌尔班（Georges Urbain，1872-1938）从镱中分离出来的。他把镱一分为二，一个称为neoytt-erbium，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。[14]
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Aldebaran，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；cassio-peium和镥是同一元素。[14]
乌尔班发现的镥并不是纯净的，韦斯巴赫发现的鉲是纯净的，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。[14]
在稀土元素史上，镥元素是继铈之后，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，美国的化学家詹姆斯，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。[2]
1913年，丹麦物理学家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，铕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稀土元素第四道门找到的。[14]在核反应堆中用中子轰击钕可以得到钷的同位素。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。[15]
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、石榴子石、黑云母和一些稀土元素矿物中（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。[16]
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、广东、广西、福建、湖南等省。[17]
物理性质
镥是稀土元素，六方晶型结构。[18]银白色金属，质软，[19]有金属光泽，[3]有延展性和顺磁性，熔点为1663℃，沸点为3395℃，[7]比重为9.840（25℃），密度9.84 g/cm³。[3][20]镥为镧系元素中最硬、最致密的元素。[7] 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。[9]
化学性质
镥的外围电子排布为4f¹⁴5d¹6s²，氧化值以+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。[21]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。[21]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。镥具有镧系元素的共同特征，[7]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。[6]
镥与卤素反应生成LuX₃（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。[22]
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。[9]
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，[5]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），[23][20]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。[16]
常见化合物
由于镥的外层电子构型是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。[24]
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。[25][26]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。以褐钇锕矿提取氧化钇后的铥镥钇富集物为原料，有机溶剂为萃取剂，煤油为稀释剂萃取而得。[26]氧化镥可与氯化铵反应生成氯化镥和氨气。[7]
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。[27]
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。[28][29]具体工艺流程为：[28]
镥的分离工艺条件：[28]
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无水氟化镥混合加热，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： [30]
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：[30]
LuCl₃+3Li=Lu+3LiCl
此法制取的金属镥纯度高，但还原剂锂成本较高。[30]
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。[31][32]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。[32]
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。[12]
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。[33] 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（PET、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。[13]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。[34]
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“电子纸”，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。[34]
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；[35]还可用于掺铈掺铕铝酸镥、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；[34]另外，稳定的镥核素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中可起催化作用。[35]
安全事宜
参考资料 36
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- COMPOUND SUMMARY Lutetium — pubchem ncbi
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 神奇的放射发光物质—稀土元素钷 — 科普中国网
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
- 参考 30
- 参考 31
- 参考 32
- 参考 33
- 参考 34
- 参考 35
- 参考 36