镥(英文名:Lutetium),元素周期表第六周期第3族,
镧系元素,元素符号Lu,原子序数71,相对原子质量174.967。银白色金属,六方晶系。稀土元素中最坚硬、致密和稀有的元素之一。相对密度为9.84g/cm3,熔点1663℃,沸点3402℃。电阻率79.0×10-8Ω·m(25℃)。缓慢溶于水,溶于稀酸。氧化态为+3,盐类无色,氧化物白色。
研究简史
1907年,法国矿物学家乌尔班(Urbain G.)从不纯的氧化镥中分离出氧化镥,乌尔班将其命名为“Lutetium”。该词源自“Lutetia”,即法国首都巴黎的古代名称。中文音译为“镥”,元素符号为Lu。
2024年2月20日消息,美国、日本和韩国的研究人员组成的国际科研团队,创造出5种新同位素,分别是钚-182、钚-183、镱-186、镱-187和镥-190。
理化性质
物理性质
镥为银白色六方紧密堆积晶格金属,柔软而有延展性,相对密度为9.84g/cm3,熔点1663℃,沸点3402℃。电阻率79.0×10-8Ω·m(25℃)。镥的
稀土金属是光泽介于银和铁之间。杂质含量对它们的性质影响很大,因而载于文献中
物理性质常有明显差异。镧在6K时是
超导体。大多数稀土金属呈现
顺磁性,
钆在0℃时比铁具有更强的
铁磁性。铽、镝、
钬、铒等在低温下也呈现铁磁性。镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的高
蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大差异。钐、铕、钆的热
中子吸收截面比广泛用于核反应堆控制材料的
镉、
硼还大。
稀土金属具有可塑性,以钐和镱为最好。除镱外,钇组稀土较
铈组稀土具有更高的硬度。
化学性质
稀土金属的化学活性很强。当和氧作用时,生成稳定性很高的R2O3型氧化物(R表示稀土金属)。
铈、
镨、铽还生成CeO2、Pr6O11、TbO2型氧化物。它们的标准生成热和标准
自由焓负值比钙、
铝、镁氧化物的值还大。
稀土氧化物的熔点在2000℃以上,铕的
原子半径最大,性质最活泼,在室温下暴露于空气中立即失去光泽,很快氧化成粉末。镧、铈、镨、钕也易于氧化,在表面生成氧化物薄膜。金属
钇、钆、镥的抗
腐蚀性强,能较长时间地保持其
金属光泽。
稀土金属能以不同速率与水反应。铕与冷水剧烈反应释放出氢。
铈组稀土金属在室温下与水反应缓慢,温度增高则反应加快。
钇组稀土金属则较为稳定。稀土金属在高温下与卤素反应生成+2、+3、+4价的
卤化物。无水卤化物
吸水性很强,很容易
水解生成ROX(X表示卤素)型卤氧化合物。稀土金属还能和硼、碳、硫、
氢、氮反应生成相应的化合物。
与其他
镧系元素类似,镥的价态为正三价,基态Lu0的电子排布为4f145d16s2;Lu+为4f146s2;Lu2+为4f146s1;Lu3+为4f14。镥在空气中比较稳定,能缓慢地跟水反应,能溶于稀酸。氧化镥呈白色,镥盐无色。避免与空气、氧化物、卤素、酸和潮湿的水分接触。可与热水和酸作用,易与各种非金属化合。
金属镥在空气中会慢慢失去光泽。镥可以在空气中迅速燃烧,生成
氧化镥(Ⅲ)(Lu2O3)。
银白色的金属镥的电负性相当低,能与冷水发生反应,并与热水迅速反应,生成
氢氧化镥和氢气。
金属镥可以与所有的卤素单质发生反应生成三卤化物。金属镥可与氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴单质(Br2)、碘单质(I2)反应,生成氟化镥(Ⅲ)(LuF3)、
氯化镥(Ⅲ)(LuCl3)、溴化镥(Ⅲ)(LuBr3)和碘化镥(Ⅲ)(LuI3)。
金属镥可以迅速溶于硫酸中,生成含有水合Lu(Ⅲ)离子的无色溶液和氢气(H2)。Lu3+(aq)极有可能是以配离子Lu(H2O)93+的形式存在的。
制备方法
镥可以实现工业化生产,所以通常无需在实验室中制备它。把镥同其他元素分离,并得到纯净的金属镥比较困难。这在很大程度上取决于它在自然界中的存在形式。在自然界中有多种稀土矿,其中以
磷钇矿、
独居石和
氟碳铈矿最为重要,前两种矿物都是正磷酸盐矿LnPO4(Ln表示除非常稀少的钷以外所有镧系元素组成的集合),而氟碳铈矿则是由氟化物和碳酸盐形成的复盐矿LnCO3F。原子序数为偶数的的镧系元素比较常见。上述矿物中最常见的镧系元素主要依次为铈、镧、钕和镨。独居石中还含有钍(
锕系元素)和钇。钍及其衰变产物有放射性,这使得它变得更加难以处理。
在很多时候并不需要把各种金属都分离开,但是如果需要那么做,其过程会非常复杂。分离时用硫酸(H2SO4)、
盐酸(HCl)和
氢氧化钠(NaOH)把稀土金属以盐的形式浸取出来。分离纯化这些盐时,常用的方法包括选择性配位技术、萃取技术和离子交换树脂。
用金属钙还原LuF3,可以得到纯净的镥。
这步反应也可以用其他卤化镥,但在所选用的反应条件下(在氩气中加热至高于金属熔点50℃),生成的
氟化钙会比其他卤化物更易于处理。可在真空条件下把过量的钙从反应混合物中除去。
应用领域
工业用途
稀土金属及其合金在
炼钢中起
脱氧脱硫作用,能使两者的含量降低到0.001%以下,并改变夹杂物的形态,细化
晶粒,从而改善钢的加工性能,提高强度、
韧性、
耐腐蚀性和
抗氧化性等。稀土金属及其合金用于制造球墨铸铁、高强
灰铸铁和
蠕墨铸铁,能改变铸铁中石墨的形态,改善铸造工艺,提高铸铁的机械性能。在
青铜和
黄铜冶炼中添加少量的稀土金属能提高合金的强度、
延伸率、
耐热性和
导电性。在铸造
铝硅合金中添加1%~1.5%的
稀土金属,可以提高高温强度。在
铝合金导线中添加稀土金属,能提高
抗张强度和耐腐蚀性。Fe-Cr-Al
电热合金中添加0.3%的稀土金属,能提高抗氧化能力,增加
电阻率和高温强度。在钛及其合金中添加稀土金属能细化
晶粒,降低
蠕变率,改善高温抗腐蚀性能。用铈族
混合稀土氯化物和富镧稀土氯化物制备的微球
分子筛,用于石油
催化裂化过程。稀土金属和
过渡金属复合氧化物催化剂用于氧化净化,能使
一氧化碳和碳
氢化物转化为
二氧化碳和水。镨钕环烷—
烷基铝—氯化烷基铝三元体系催化剂用于
合成橡胶。
稀土
抛光粉用于各种玻璃器件的抛光。单一的高纯
稀土氧化物用于合成各种
荧光体,如彩色电视红色
荧光粉、投影电视白色荧光粉等
荧光材料。
稀土金属碘化物用于制造
金属卤素灯,代替碳精棒
电弧灯作
照明光源。用稀土金属制备的稀土—钴
硬磁合金,具有高
剩磁、高
矫顽力的优点。
钇铁石榴石铁氧体是用高纯Y2O3和
氧化铁制成
单晶或多晶的
铁磁材料。它们用于
微波器件。高纯Gd2O3用于制备钇镓
石榴石,它的单晶用作
磁泡的基片。金属
镧和镍制成的LaNi5
贮氢材料,吸
氢和放氢速度快,每摩尔LaNi5可贮存6.5~6.7摩尔氢。在原子能工业中,利用铕和钆的同位素的中子
吸收截面大的特性,作
轻水堆和快中子
增殖堆的
控制棒和
中子吸收剂。
稀土元素作为微量化肥,对农作物有增产效果。
打火石是稀土
发火合金的传统用途,如今仍是
铈组稀土金属的重要用途。
医疗用途
正电子发射断层成像设备中使用了硅酸镥,用于诊断癌症等。
分布情况
在自然界中不存在镥的单质。
独居石(LnPO4)和
氟碳铈矿(LnCO3F)中含有镥。
当今世界上已知的稀土矿物及含有
稀土元素的矿物有250多种,稀土元素含量较高的矿物有60多种,有工业价值的不到10种。中国
稀土资源极其丰富,其特点可概括为:储量大、品种全、有价值的元素含量高、分布广。中国稀土的工业储量(按氧化物计)是国外稀土
工业储量的2.2倍。国外稀土资源集中在美国、印度、巴西、澳大利亚和俄罗斯等国,工业储量(按氧化物计)为701.11万吨。
安全措施
健康危害
像其他
稀土金属中镥被认为是低程度的毒性,但镥的化合物应小心处理,例如氟化镥吸入是很危险的,化合物易刺激皮肤。
硝酸镥也是危险的因为它可能会发生爆炸和燃烧。氧化镥粉末是有毒物质,如果经吸入或食入会很危险。镥盐与其他3组的元素和
镧系元素反应,镥已知没有生物学作用,但发现它在人类里,主要集中在骨骼中,并较小程度影响在肝脏和肾脏。人类饮食没有控制镥多寡,所以不知道镥盐已发生与其他稀土盐;所有镧系元素在人体内的含量最少。人类的平均需要多少,但估计量是每年大约要有几个微克,都来自微量的植物。可溶性镥盐是温和毒性,但为不溶性。
储存运输
放入紧封的贮藏器内, 储存在阴凉、干燥的地方。远离火源,确保工作间有良好的通风设置。
相关法规
2024年6月22日,国务院总理
李强签署第785号国务院令,公布《
稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。
2025年4月,商务部决定对镥相关物项实施出口管制。
(一)1C906.a金属镥、含镥的合金及相关制品:
1. 金属镥(参考海关商品编号:2805301910)。
2. 镱镥合金。
3. 镥靶(参考海关商品编号:3824999922、8486909110)。
(二)1C906.b氧化镥及其混合物(参考海关商品编号:2846901800、2846901993、3824999922)。
(三)1C906.c含镥的化合物及其混合物(参考海关商品编号:2846902810、2846902910、2846903910、2846904820、2846904910、2846909920、3824999922)。