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镥

原子序71之金屬元素

镥（lǔ）（英语：Lutetium；台湾译镏（liú）；旧译鏴），是一种化学元素，其化学符号为Lu，原子序数为71，原子量为174.96669 u。镏属于稀土元素之一，也是最后一个镧系元素，有时也算作第六周期首个过渡金属。镏是一种银白色金属，是镧系元素中密度最大、熔点最高且反应性最低的，在干燥空气中能抵抗腐蚀，但在潮湿空气中容易被氧化，易溶于酸中。镏具有所有镧系元素中最高的布氏硬度，为890–1300MPa。[3][4]

镏 71Lu
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 矽（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 𨱏（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
鍅（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 錼（锕系元素） 钸（锕系元素） 鋂（锕系元素） 锔（锕系元素） 鉳（锕系元素） 鉲（锕系元素） 鑀（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
钇
↑
镏
↓
铹
镱 ← 镏 → 铪
外观
银白色
概况
名称·符号·序数镏（Lutetium）·Lu·71
元素类别镧系金属
有时归为过渡金属
族·周期·区3·6·d
标准原子质量174.96669(5)[1]
电子排布[Xe] 4f14 5d1 6s2
2, 8, 18, 32, 9, 2
镏的电子层（2, 8, 18, 32, 9, 2）
镏的电子层（2, 8, 18, 32, 9, 2）
历史
发现乔治·于尔班和卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫（1906年）
分离卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫（1906年）
物理性质
物态固体
密度（接近室温）
9.841 g·cm−3
熔点时液体密度9.3 g·cm−3
熔点1925 K，1652 °C，3006 °F
沸点3675 K，3402 °C，6156 °F
熔化热ca. 22 kJ·mol−1
汽化热414 kJ·mol−1
比热容26.86 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1906 2103 2346 (2653) (3072) (3663)
原子性质
氧化态3, 2, 1
（弱碱性氧化物）
电负性1.27（鲍林标度）
电离能第一：523.5 kJ·mol−1
第二：1340 kJ·mol−1
第三：2022.3 kJ·mol−1
原子半径174 pm
共价半径187±8 pm
镏的原子谱线
杂项
晶体结构六方密堆积
磁序顺磁性[2]
电阻率（室温）582 n Ω·m
热导率16.4 W·m−1·K−1
热膨胀系数室温）9.9 µm/(m·K)
杨氏模量68.6 GPa
剪切模量27.2 GPa
体积模量47.6 GPa
泊松比0.261
维氏硬度1160 MPa
布氏硬度893 MPa
CAS号7439-94-3
同位素
主条目：镏的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
172Lu 人造 6.70 天 β+ 1.497 172Yb
173Lu 人造 1.37 年 ε 0.670 173Yb
174Lu 人造 3.31 年 β+ 0.352 174Yb
175Lu 97.414% 稳定，带104粒中子
176Lu 2.586% 3.701×1010 年 β− 1.194 176Hf
177Lu 人造 6.6443 天 β− 0.497 177Hf
177mLu 人造 160.4 天 β− 1.467 177Hf
IT 0.970 177Lu

法国科学家乔治·于尔班（Georges Urbain）、奥地利矿物学家卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫（Carl Auer von Welsbach）男爵以及美国化学家查尔斯·詹姆士（Charles James）于1907年分别独自发现镏元素。他们都是在氧化镱矿物中，发现含有镏的杂质。发现者随即争论谁最早发现镏，不同的命名方案也引起争议。最终定下的名称是“Lutecium”，取自巴黎的拉丁文名卢泰西亚（Lutetia），后拼法改为“Lutetium”。

镏在地球地壳中的含量并不高，在稀土元素中丰度仅高于铥和放射性的钷，但仍比银等贵金属要常见得多。镏在自然界没有独立矿物，而总是以很低的浓度和其他稀土元素共生于矿石中。由于产量低、难以提取且价格较高，镏几乎没有具体的用途。镏在产业中一般与钇等重稀土元素一同出现，有时添加到合金中，或在某些化学反应中用作催化剂。176Lu是镏一种较常见的天然放射性同位素（占所有天然镏的2.5%），半衰期约为380亿年，可用于测量陨石的年龄。人造放射性同位素177Lu与DOTA-TATE（英语：DOTA-TATE）螯合后可用于PET呈像及放射线疗法，治疗神经内分泌肿瘤。[5]

性质

物理性质

镥原子含71个电子，其电子排布为[氙] 4f145d16s2。[6]在进行化学反应时，它会失去两个外层电子和一个5d电子。这较为特殊，因为其他的镧系元素反应时都会用到f-层电子。由于镧系收缩现象，镥原子是所有镧系元素中大小最小的。[7]因此镥的密度、熔点和硬度都是镧系元素之中最高的。[8]另一原因是，镥位于d区块，所以性质与一些较重的过渡金属相似。有时镥也可以归为过渡金属，但国际纯粹与应用化学联合会把它归为镧系元素。

化学性质与化合物

参见：镏化合物

镥在化合物中的氧化态是+3。除了碘化镥(III)之外，大部份镥盐都呈白色晶体状，在水溶液中无色。镥的硝酸盐、硫酸盐和醋酸盐在结晶时会形成水合物。其氧化物、氢氧化物、氟化物、碳酸盐、磷酸盐和草酸盐都不可溶于水。[9]

标准情况下，镥金属在空气中较稳定，但在150 °C下会迅速燃烧形成氧化镥。氧化镥可以吸收水份和二氧化碳，可在密闭空间里用于移除水气和二氧化碳。[10]镥与水的反应相似，且会形成氢氧化镥（反应速度随水温提高而加快）。[11]镥金属可以和最轻的四个卤素形成三卤化物，除氟化物外都可溶于水。

镥能轻易溶解于弱酸[10]和稀硫酸中。溶液无色，其中的镥离子与7个或9个水分子配位，平均公式为：[Lu(H2O)8.2]3+。[12]

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

同位素

主条目：镥的同位素

地球上的镥由镥-175和镥-176两种同位素组成，其中只有镥-175是稳定的，所以镥属于单一同位素元素。镥-176则会进行β衰变，半衰期为3.78×1010年，占所有自然镥元素的2.5%。[13]至今镥的人造放射性同位素共有32种，质量介乎149.973（镥-150）至183.961（镥-184）。当中较为稳定的有镥-174（半衰期为3.31年）和镥-173（1.37年）。[13]其馀的放射性同位素半衰期都在9天以下，大部份甚至低于半小时。[13]所有原子量比镥-175低的同位素都会进行电子捕获，产生镱的同位素，并有少量进行α衰变和正电子发射；原子量比它高的则主要进行β衰变，产生铪的同位素。[13]

镥还有42种同核异构体，质量分别有150、151、153至162以及166至180（有些同核异构体具相同的质量）。其中最稳定的有镥-177m（半衰期为160.4天）和镥-174m（142天）。这比镥-173、174和176以外的所有基态放射性同位素的半衰期都要长。[13]

历史

法国科学家乔治·于尔班（Georges Urbain）、奥地利矿物学家卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫（Carl Auer von Welsbach）男爵以及美国化学家查尔斯·詹姆士（Charles James）于1907年分别独自发现了镥元素。[14]他们都是在氧化镱矿物中，发现了含有镥的杂质。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚（Jean Charles Galissard de Marignac）曾以为该矿物完全由镱组成。[15]发现者各自对镱和镥提出命名方案：于尔班建议“Neoytterbium”（即“新镱”的意思）和“Lutecium”（取自巴黎的拉丁文名卢泰西亚，Lutetia），[16]而威尔斯巴赫则选择“Aldebaranium”和“Cassiopeium”。[17]两者都指责对方的论文是在看过自己的论文后才发表的。

国际原子量委员会当时负责审理新元素的命名，于1909年认定于尔班为最先发现者，并因为他最先从德马里尼亚的镱样本中分离出镥，因此元素以他的提议命名。[15]在于尔班的命名受到公认之后，“Neoytterbium”一名就被镱的现名“Ytterbium”淘汰了。直到1950年代，一些德国化学家仍然采用威尔斯巴赫的名称“Cassiopeium”。1949年，元素的拼法从“Lutecium”改为“Lutetium”。

威尔斯巴赫1907年制备的镥样本纯度很高，而于尔班同年制成的样本只含有微量的镥。[18]这使得于尔班以为他发现了第72号元素，并将其称为“Celtium”，但这其实只是纯度更高的镥元素。[18]查尔斯·詹姆士回避了这一争议，转而大规模发展生产，并成为了当时最大的镥供应商。[19]1953年，科学家首次制成纯镥金属。[19]

存量及生产

 
独居石

镥并不单独存在于自然中，而是与其他稀土金属一同出现，因此其分离过程非常困难。最主要的商业来源是稀土磷化物矿物独居石：(Ce,La,…)PO4，其中含有0.0001%的镥。[10]地球地壳中镥的含量在0.5 mg/kg左右。主要产国有中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳洲。全球镥年产量约为10吨（以氧化物形态开采）。[19]纯镥金属的制备十分困难。镏是最稀有也最昂贵的稀土金属之一，每公斤售价约为1万美元，即金的四分之一左右。[20][21]

镥矿物的加工过程如下。矿石压碎之后，与热浓硫酸反应，形成各种稀土元素的水溶硫酸盐。氢氧化钍会沉淀出来，可直接移除。剩馀溶液需加入草酸铵，将稀土元素转化为不可溶的草酸盐。经退火后，草酸盐会变为氧化物，再溶于硝酸中。这可移除主要成份铈，因为其氧化物不可溶于硝酸。硝酸铵可将包括镥在内的多个稀土元素以双盐的形态结晶分离出来。[22]离子交换法可以把镥萃取出来。在这一过程中，稀土元素离子吸附在合适的离子交换树脂上，并会与树脂中的氢、铵或者铜离子进行交换。利用适当的配合剂，可将镥单独洗出。要产生镥金属，可以用碱金属或碱土金属对无水LuCl3或LuF3进行还原反应。[9]

2 LuCl3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl2

应用

由于镥相当稀有、难以提取、价格昂贵，且在化学性质上和其他镧系元素没有太大的区别，所以商业用途很少。镥化合物可以用作石油裂化反应中的催化剂，另在烷基化、氢化和聚合反应中也有用途。

镏铝石榴石（英语：Lutetium aluminium garnet）（LuAG，Al5Lu3O12）被用作发光二极体当中的萤光体[23]，也被建议用于高折射率浸没式光刻技术，作为镜片材料。[24]磁泡存储器中用到的钆镓石榴石（英语：Gadolinium gallium garnet）当中也添加了少量的镥作为掺杂剂。[25]掺铈氧正矽酸镥（LSO，Lu2(SiO4)O:Ce）是目前正电子发射计算机断层扫描（PET）技术中的首选探测器物质。[26][27]有研究显示镏离子原子钟的精度可能高于任何现有的其他元素之原子钟。[28]

镥的放射性同位素也有几项用途。镥-176具有合适的半衰期和衰变模式，因此被用作纯β粒子放射源，其中的镥要先经过中子活化过程。用于测量陨石年龄的镥铪定年法（英语：Lutetium–hafnium dating）也会用到镥-176。[29]人工合成的同位素镥-177与奥曲肽（一种类体抑素）结合后可用于针对神经内分泌肿瘤的放射线疗法。[30]实际上，在医用放射性核素中，镥-177于神经内分泌肿瘤治疗和骨痛缓解中的用例越来越多。[31][32]

钽酸镥（LuTaO4）是已知密度最高的白色稳定材质（9.81 g/cm3），[33]所以是理想的X光萤光体载体材料。[34][35]白色物质中，只有二氧化钍的密度比它更高（10 g/cm3），但其中的钍具有放射性。

安全

和其他稀土金属一样，镥的毒性较低，但其化合物则须小心处理。比如，氟化镥会刺激皮肤，吸入人体后十分危险。[10]硝酸镥也具有危险性：它在加温之后可能会爆炸或燃烧。氧化镥粉末具有毒性，须避免吸入或进食。[10]

和其他3族元素及镧系元素相似，镥没有任何生物功用。不过人体之内可发现镥元素，特别累积在骨骼中，少量在肝脏和肾脏中。[19]镥在人体内的含量是所有镧系元素中最低的。[19]并没有数据记录人类的镥摄入量，但经估算约为每年数微克，主要经植物食物进入体内。可溶的镥盐具微毒性，但不可溶的镥盐则没有毒性。[19]

参考资料

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外部链接

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