Лютеций ЛюМ-1

Лютеций (Lu) — серебристо-белый металл, замыкающий ряд лантаноидов. Среди всех элементов лантаноидного ряда он обладает наибольшей плотностью и наиболее высокой температурой плавления. Поставляем металлический лютеций марок ЛюМ-1, ЛюМ-2, ЛюМ-3 по заявке.

Физические свойства лютеция

Лютеций — плотный металл с гексагональной кристаллической решёткой (тип Mg, параметры: a = 0,35031 нм, c = 0,55509 нм). Вследствие эффекта лантаноидного сжатия у него наименьший атомный и ионный радиус в ряду лантаноидов, что и определяет его исключительные значения плотности и температуры плавления. Металл хорошо поддаётся механической обработке, прокатывается в упругую фольгу.

Параметр	Значение
Атомный номер	71
Атомная масса, а.е.м.	174,967
Плотность (20 °C), г/см³	9,841
Температура плавления, °C	1663
Температура кипения, °C	~3395
Кристаллическая решётка	ГПУ (гексагональная плотноупакованная)
Степень окисления	+3 (Lu³⁺)
Магнитные свойства	Парамагнетик

Химические свойства и стойкость на воздухе

По химическому поведению лютеций — типичный лантаноид со степенью окисления +3. При комнатной температуре на поверхности металла образуется плотная оксидная плёнка Lu₂O₃, которая замедляет дальнейшее окисление и длительно сохраняет металлический блеск. При нагревании до ~400 °C и выше окисление резко ускоряется: металл вступает в реакцию с кислородом, галогенами, серой и другими неметаллами.

Лютеций реагирует с минеральными кислотами с образованием солей лютеция(III). Большинство этих солей хорошо растворимы в воде; при упаривании растворов они выделяются в виде кристаллогидратов. Исключение — фторид LuF₃: он практически нерастворим в воде и образуется как при реакции оксида Lu₂O₃ с газообразным фтористым водородом, так и при добавлении фтороводородной кислоты к водным растворам солей лютеция. Оксид Lu₂O₃ и гидроксид Lu(OH)₃ обладают слабоосновными свойствами.

Сырьевые минералы и содержание в земной коре

Содержание лютеция в земной коре составляет около 8·10⁻⁵% по массе — это один из наиболее редких стабильных элементов. В природе он встречается исключительно в рассеянном состоянии, совместно с другими редкоземельными элементами. Основные промышленные минералы-носители лютеция:

• Ксенотим (YPO₄) — фосфат иттрия с заметной долей тяжёлых РЗЭ, в том числе лютеция;
• Монацит ((Ce,La,Nd,Th)PO₄) — содержание Lu невелико, но монацит перерабатывается в больших объёмах;
• Бастнезит ((Ce,La)CO₃F) — главный промышлённый источник лёгких РЗЭ, лютеций извлекается попутно;
• Эвксенит ((Y,Ca,Er,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆) — комплексный ниобат-танталат-титанат с иттрием и тяжёлыми РЗЭ.

Лютеций относится к группе тяжёлых РЗЭ и концентрируется во фракциях, обогащённых иттрием (ксенотим, эвксенит). Его концентрация в рудах крайне мала, что в совокупности со сложностью разделения обусловливает высокую стоимость металла.

Производство металлического лютеция

Выделение лютеция из смеси редкоземельных элементов

Основная технологическая задача — разделение лютеция и близких по свойствам лантаноидов. Применяются три подхода:

• Жидкостная экстракция — наиболее производительный метод. Используются органические экстрагенты (трибутилфосфат, амины и др.), которые избирательно переводят разные РЗЭ в органическую фазу при заданных pH и ионной силе раствора. Многостадийная экстракция позволяет получать концентраты лютеция высокой чистоты.
• Ионообменная хроматография — разделение на катионообменных смолах с элюированием комплексообразующими агентами (ЭДТА, α-ГИБК). Метод медленнее экстракции, но даёт особо высокую чистоту.
• Дробная кристаллизация — исторически первый метод, практически вытеснен первыми двумя ввиду многостадийности и низкой производительности.

На выходе получают оксид лютеция Lu₂O₃ нужной степени чистоты.

Кальциетермическое восстановление фторида

Металлический лютеций получают в два этапа. Сначала оксид Lu₂O₃ фторируют газообразным HF при повышенной температуре, получая трифторид LuF₃. Затем LuF₃ восстанавливают металлическим кальцием в герметичном тигле в атмосфере инертного газа — это кальциетермическое восстановление. В результате образуются металлический лютеций и побочный продукт — фторид кальция CaF₂. После отделения шлака слиток рафинируют (при необходимости — повторной перегонкой в вакууме) для повышения чистоты.

Марки лютеция ЛюМ-1, ЛюМ-2, ЛюМ-3 и формы поставки

Металлический лютеций кальциетермический выпускается по ТУ 48-4-206-72 в марках ЛюМ-1, ЛюМ-2, ЛюМ-3, различающихся требованиями к чистоте и допустимому содержанию примесей. Марка ЛюМ-1 соответствует чистоте металла не менее 99,9% (Lu/ТРЗО).

Формы поставки:

• слиток;
• кусок;
• фольга;
• проволока;
• диски;
• стержни.

Поставка — по заявке, условия и объём согласовываются индивидуально. Подробнее о других редкоземельных металлах в нашем каталоге.

Соединения и соли лютеция

В практике используются как неорганические соли, так и оксидные соединения лютеция:

Соединение	Формула	Примечание
Оксид лютеция	Lu₂O₃	Промежуточный продукт переработки; применяется в керамике, лазерных материалах, атомной технике
Трифторид лютеция	LuF₃	Малорастворим; исходное сырьё для кальциетермического восстановления; применяется в фторидных лазерных материалах
Хлорид лютеция	LuCl₃·6H₂O	Хорошо растворим; при упаривании выделяется как кристаллогидрат
Сульфат лютеция	Lu₂(SO₄)₃·8H₂O	Растворим; кристаллогидрат
Нитрат лютеция	Lu(NO₃)₃·xH₂O	Растворим; кристаллогидрат
Ацетат лютеция	Lu(CH₃COO)₃·xH₂O	Растворим; кристаллогидрат
Гидроксид лютеция	Lu(OH)₃	Слабое основание; выпадает при гидролизе солей

Применение металлического лютеция и его соединений

Сцинтилляторы и ядерная медицина

Наиболее ёмкое по объёму потребление лютеция — производство сцинтилляционных кристаллов. Ортосиликат лютеция, активированный церием (Lu₂SiO₅:Ce, сокращённо LSO), и его аналоги с иттрием (LYSO) являются ведущими материалами для детекторов позитронно-эмиссионных томографов (ПЭТ): высокая плотность матрицы (≈7,4 г/см³) обеспечивает эффективное поглощение гамма-квантов, а активатор — быстрое световыделение. Лютеций-алюминиевый гранат (LuAG:Ce) применяется в аналогичных задачах детектирования заряженных частиц и рентгеновского излучения.

Радиоактивный изотоп ¹⁷⁷Lu (период полураспада ~6,6 сут, β⁻-излучатель) используется в радионуклидной терапии нейроэндокринных опухолей. Исходным сырьём для его наработки в ядерном реакторе служит обогащённый оксид ¹⁷⁶Lu₂O₃.

Лазерные кристаллы

Лютеций входит в состав ряда лазерных матриц. Скандат, галлат и алюминат лютеция, активированные ионами Ho³⁺ и Tm³⁺, генерируют излучение на длине волны 2,69 мкм (среднеинфракрасный диапазон), а активированные Nd³⁺ — 1,06 мкм. Эти материалы применяются в мощных твердотельных лазерах медицинского и специального назначения. Оксид Lu₂O₃ служит важным исходным сырьём и матричным хозяином для роста указанных лазерных кристаллов.

Металлический лютеций в технике

Добавление лютеция к хрому и хромсодержащим сплавам улучшает их механические характеристики и технологичность. Микролегирование лютецием жаростойких сплавов на хромоникелевой основе заметно повышает их срок службы при высоких температурах. Оксид Lu₂O₃ применяется в жаропрочной оксидной керамике и используется для регулирования свойств сверхпроводящих металлооксидных керамик. В атомной технике оксид лютеция применяется как поглотитель нейтронов и как активационный детектор. Высокая стоимость металла ограничивает его применение задачами, где другие материалы не дают сопоставимого результата.