Карбонат лютеция

Карбонат лютеция (углекислый лютеций, трикарбонат дилютеция) — неорганическое соединение лютеция и угольной кислоты с формулой Lu₂(CO₃)₃. Представляет собой мелкодисперсный белый (бесцветный) кристаллический порошок. CAS-номер безводной формы: 5895-53-4; кристаллогидрата: 64360-99-2.

Физико-химические свойства

Молярная масса безводного Lu₂(CO₃)₃ составляет 530 г/моль. Плотность, по имеющимся данным, около 4,9 г/см³. Вещество практически нерастворимо в воде: произведение растворимости ПР ≈ 10⁻³², что обеспечивает осадок количественной чистоты при осаждении из растворов. Карбонат лютеция образует устойчивые кристаллогидраты состава Lu₂(CO₃)₃·nH₂O, где n = 1, 2, 4 или 6. При длительном хранении на воздухе гидратация идёт медленно; для сохранения безводной формы рекомендуется герметичная упаковка в сухой атмосфере.

Вещество не реагирует с водой и щелочами. С разбавленными минеральными кислотами реагирует с выделением CO₂ и образованием растворимых солей лютеция. С концентрированными минеральными кислотами реакция протекает более интенсивно.

Термическое поведение

Карбонат лютеция, как и все карбонаты редкоземельных металлов, не плавится — при нагревании он разлагается. Разложение идёт ступенчато:

1. Сначала образуется оксикарбонат лютеция Lu₂O₂CO₃ (промежуточная фаза).
2. При дальнейшем нагреве оксикарбонат разлагается до оксида лютеция Lu₂O₃ с выделением CO₂.

Полное превращение в Lu₂O₃ происходит в диапазоне 800–1000 °С (в зависимости от скорости нагрева, дисперсности и состава атмосферы). Присутствие CO₂ в атмосфере печи смещает равновесие в сторону более высоких температур разложения оксикарбоната. Именно это превращение используется при прокалке карбоната лютеция для получения Lu₂O₃.

Синтез и получение

В природе Lu₂(CO₃)₃ практически не встречается. В промышленных условиях безводный карбонат лютеция получают пропусканием CO₂ под давлением 15–20 атм через водный раствор хлорида лютеция (LuCl₃) при температуре около 90 °С в присутствии анилина в качестве буфера. Анилин связывает выделяющийся HCl, смещая равновесие реакции в сторону образования карбоната:

2 LuCl₃ + 3 CO₂ + 6 C₆H₅NH₂ + 3 H₂O → Lu₂(CO₃)₃↓ + 6 [C₆H₅NH₂·HCl]

Кристаллогидраты получают осаждением из водных растворов солей лютеция раствором соды или гидрокарбоната аммония. Степень чистоты карбоната лютеция, применяемого в высокотехнологичных производствах, составляет 99,5–99,99 %.

Применение

Производство оксида лютеция и других соединений

Основная промышленная функция карбоната лютеция — прекурсор Lu₂O₃ и других соединений лютеция. Прокалка карбоната при 800–1000 °С даёт оксид высокой чистоты с контролируемой морфологией частиц, что существенно для конечного применения материала. Из карбоната также получают фторид, нитрат, ацетат лютеция и другие соли растворением в соответствующих кислотах. Подробнее о фториде лютеция и его применении — на отдельной странице каталога.

Лазерные кристаллы и оптические материалы

Оксид лютеция Lu₂O₃, получаемый из карбоната, является перспективной матрицей для твердотельных лазеров с люминофорными добавками (Er, Yb, Tm и др.), а также хост-материалом для сцинтилляторов в рентгеновских детекторах и ПЭТ-сканерах. Высокая плотность и эффективный атомный номер лютеция обеспечивают хорошее поглощение жёсткого излучения. Карбонат лютеция применяется как исходное сырьё при синтезе таких материалов золь-гель методами и методами соосаждения — там, где необходима высокая гомогенность легирования.

Жаростойкая керамика

Lu₂O₃, синтезированный из карбоната, используется в качестве добавки к оксидным керамикам (ZrO₂, Y₂O₃ и др.) для стабилизации кристаллической структуры и улучшения термомеханических характеристик материала при рабочих температурах выше 1500 °С. Применяется в составе специальных стёкол с высоким показателем преломления и повышенной термической стабильностью.

Ядерная медицина

Карбонат лютеция используется как удобная форма для приготовления мишеней при наработке медицинского изотопа ¹⁷⁷Lu нейтронным облучением ¹⁷⁶Lu. Изотоп ¹⁷⁷Lu (период полураспада 6,65 сут) применяется в таргетной радионуклидной терапии нейроэндокринных опухолей и рака простаты. Природный лютеций содержит 2,6 % ¹⁷⁶Lu; для производства ¹⁷⁷Lu с высокой удельной активностью используют обогащённые мишени.

Катализ

Оксид лютеция, получаемый из карбоната, проявляет каталитическую активность в реакциях каталитического крекинга, алкилирования и полимеризации в составе редкоземельных катализаторов. Прямое применение карбоната в катализе ограничено ввиду его разложения при рабочих температурах большинства каталитических процессов.

Добавка в сплавы

Редкоземельные соединения, в том числе на основе лютеция, применяются как микродобавки в некоторые специальные железосодержащие сплавы для модифицирования структуры и повышения эксплуатационных характеристик материала. Карбонат при этом служит удобной формой ввода лютеция в шихту.

Меры безопасности при работе

Вещество относят к умеренно опасным (3-й класс опасности по российской классификации): оно не обладает существенной острой токсичностью, не канцерогенно, не мутагенно. Основной риск при работе с мелкодисперсным порошком — вдыхание пыли. При обращении с карбонатом лютеция следует использовать респиратор класса не ниже FFP2 (для пыли РЗМ) и перчатки. Работу с порошком проводить в вытяжном шкафу или с локальной вытяжкой. Хранить в герметичной таре, в сухом и прохладном месте.

Форма поставки

Карбонат лютеция поставляется в виде белого мелкодисперсного порошка. Типовые степени чистоты: 99,5 % (технический), 99,9 % и 99,99 % (для оптики и ядерной медицины). Поставляется в герметичных полиэтиленовых флаконах или банках, возможна упаковка под вакуумом или инертным газом для чувствительных к влаге партий. Объём поставки — от лабораторных количеств (граммы) до килограммовых партий.

Смежные материалы каталога: сульфат лютеция 8-водный — ещё одна водорастворимая соль лютеция для синтеза и аналитики.