Лютеций азотнокислый (нитрат лютеция) 4-водный

Нитрат лютеция — неорганическое соединение лютеция и азотной кислоты, соль с химической формулой Lu(NO₃)₃. В коммерческих поставках реализуется преимущественно в виде тетрагидрата Lu(NO₃)₃·4H₂O (4-водный). Другие принятые названия: азотнокислый лютеций, азотнокислая соль лютеция.

Вещество относится к группе растворимых солей лютеция, является окислителем. Применяется как прекурсор при синтезе лазерных кристаллов, люминофоров и в производстве металлического лютеция.

Физические свойства нитрата лютеция

Нитрат лютеция образует бесцветные или белые кристаллы. Ион Lu³⁺ имеет полностью заполненную 4f-оболочку ([Xe]4f¹⁴), поэтому его соединения бесцветны — характерная голубая или иная окраска, встречающаяся в описаниях других РЗЭ-солей, для лютеция не свойственна.

Вещество хорошо растворимо в воде и этаноле. Кристаллы гигроскопичны — поглощают влагу из воздуха, что требует хранения в герметичной таре.

Кристаллогидраты нитрата лютеция

Нитрат лютеция образует несколько устойчивых кристаллогидратов состава Lu(NO₃)₃·nH₂O, где n = 3, 4, 5, 6. В промышленных поставках наиболее распространены три- и тетрагидраты. В тригидрате Lu(NO₃)₃·3H₂O ион лютеция девятикоординирован: три бидентатные нитратные группы и три молекулы воды. У тетра- и гексагидратов в координационной сфере присутствуют периферийные молекулы воды с менее прочной связью, что влияет на кинетику термического разложения.

Химические свойства

Нитрат лютеция — окислитель. В контакте с горючими и органическими материалами представляет пожарную опасность; при нагревании способен усиливать горение и выделять токсичные оксиды азота NOₓ.

Термическое разложение гидратных форм — многостадийный процесс. Сначала происходит дегидратация с конденсацией в гексамерные структуры, затем последовательное разложение через промежуточные оксинитраты лютеция (Lu₆N₄O₁₉, Lu₆N₂O₁₄). Конечный продукт полного дениtrifikacii — оксид лютеция Lu₂O₃. По данным Melnikov et al. (J. Thermal Anal. Calorim., 2018) для тригидрата, полный цикл разложения завершается значительно ниже 700 °C; вблизи этой температуры уже образуется устойчивый Lu₂O₃.

С фторидом аммония нитрат лютеция образует осадок гексафторолютената аммония:

Lu(NO₃)₃ + 6 NH₄F → (NH₄)₃[LuF₆]↓ + 3 NH₄NO₃

Эта реакция используется на стадиях разделения и очистки лютеция от примесей других РЗЭ.

Безопасность и классификация опасности

Нитрат лютеция является токсичным соединением. Утверждения о его «полной безвредности» без средств защиты не соответствуют действительности. Актуальная классификация по системе GHS:

Транспортная классификация: UN 1477, класс опасности 5.1 (окисляющие вещества), группа упаковки III. Требования к перевозке определяются в соответствии с правилами перевозки опасных грузов.

Минимально необходимые СИЗ при работе: перчатки, защитные очки, достаточная вентиляция. Не допускать попадания на кожу и в глаза. При нагревании выделяет токсичные оксиды азота. Хранить в герметично закрытой таре, вдали от горючих веществ и источников нагрева.

Растворимые соли лютеция малотоксичны при накожном контакте, однако при внутрибрюшинном введении проявляют выраженную токсичность (данные зарубежных источников). Биологической роли лютеций не имеет.

Получение нитрата лютеция

В природе соединение не встречается. Кристаллогидраты нитрата лютеция получают растворением оксида лютеция Lu₂O₃ в азотной кислоте при температуре около 90 °C при нормальном давлении:

Lu₂O₃ + 6 HNO₃ → 2 Lu(NO₃)₃ + 3 H₂O

После растворения раствор упаривают; при кристаллизации выпадает гидратированная соль. Конкретная форма гидрата (n = 3, 4, 5 или 6) зависит от температуры и условий кристаллизации. Исходный лютеций металлический ЛюМ-1 для промышленного синтеза не используют непосредственно — его переводят в оксид, а затем в нитрат.

Для получения безводной соли используют иной путь: растворение порошкообразного металлического лютеция в диоксиде азота, растворённом в этилацетате, при температуре около 77 °C:

Lu + 3 N₂O₄ → Lu(NO₃)₃ + 3 NO

Применение нитрата лютеция

Прекурсор металлического лютеция

Нитрат лютеция — один из промежуточных продуктов в технологической цепочке разделения и очистки лютеция. Из нитратного раствора лютеций разделяют с другими РЗЭ ионообменной хроматографией, после чего переводят в хлорид или фторид для восстановления до металла. Сырьё: лютеций ЛюМ-1.

Лазерные кристаллы

Нитрат лютеция служит прекурсором при синтезе активных сред лазеров на основе кристаллов лютеция. Из него получают алюминат-гранат лютеция LuAG (Lu₃Al₅O₁₂), допированный ионами Ho³⁺, Tm³⁺ или Nd³⁺, — материал для мощных лазеров с длиной волны 1,06 мкм и 2,69 мкм. Нитрат также используется в синтезе сцинтилляционных кристаллов LYSO (Lu₂(1−x)Y₂ₓSiO₅) — материала для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и детекторов ядерного излучения.

Люминофоры и рентгеновские фосфоры

Лютеций образует наиболее плотный из известных белых оксидных материалов — танталат лютеция LuTaO₄ (плотность 9,81 г/см³), оптимальный носитель для рентгеновских фосфоров. Нитрат является исходным реагентом в синтезе оксида лютеция Lu₂O₃ и на его основе — люминесцентных покрытий для медицинских систем визуализации.

Аналитическая химия и синтез соединений лютеция

Нитрат лютеция — удобный растворимый предшественник для синтеза других соединений: карбоната лютеция, фторида, ацетата, оксалата и прочих. Нитратный анион при необходимости легко удаляется осаждением или ионным обменом, не вводя в продукт посторонних катионов.

Катализ

Нитрат лютеция применяется как прекурсор при приготовлении редкоземельных катализаторов для крекинга нефтяного сырья, а также в реакциях гидрирования, алкилирования и полимеризации, где требуется точно дозированный источник иона Lu³⁺ в окисленной форме.

Чистота и формы поставки

Нитрат лютеция азотнокислый поставляется по ТУ 6-09-4676-83 в следующих квалификациях:

Форма выпуска: белый кристаллический порошок или кристаллы. Фасовка: герметичная полимерная тара — от лабораторных упаковок (1–10 г) до промышленных партий (25–1000 кг). Необходимые условия хранения: сухое, прохладное место; герметично закрытая тара; изоляция от горючих материалов.