Дигидрид лютеция

Дигидрид лютеция (химическая формула LuH₂, CAS 13598-44-2) — бинарное неорганическое соединение лютеция с водородом. В твёрдом виде представляет собой мелкокристаллический порошок тёмно-синего цвета без металлического блеска. Степень чистоты коммерческих партий — до 99 % по основному веществу.

Общие сведения и идентификация

Лютеций (Lu, атомный номер 71) — самый тяжёлый и тугоплавкий из лантаноидов. Металлический лютеций имеет плотность 9,84 г/см³ и температуру плавления 1663 °C. Природный лютеций слабо радиоактивен: изотоп ¹⁷⁶Lu (2,59% природного содержания) претерпевает β-распад с периодом полураспада 3,6×10¹⁰ лет. Это же свойство делает ¹⁷⁶Lu исходным изотопом для синтеза лютеция-177, применяемого в радиофармацевтике.

В системе CAS дигидрид лютеция зарегистрирован под номером 13598-44-2. Следует учитывать, что ряд поставщиков и баз данных присваивает этот номер гидридам лютеция в диапазоне составов LuH₂₋₃; при заказе необходимо уточнять точную формулу. Историческое русское название — «водородистый лютеций», международное — Lutetium Dihydride.

Кристаллическая структура и физические свойства

LuH₂ кристаллизуется в структурном типе флюорита (пространственная группа Fm3̄m, кубическая сингония). Параметр решётки a ≈ 5,033 Å. В кубической ячейке атомы лютеция образуют гранецентрированную подрешётку; атомы водорода занимают тетраэдрические позиции. При заполнении всех тетраэдрических и октаэдрических положений водородом образуется тригидрид LuH₃ с иной симметрией.

При атмосферном давлении LuH₂ демонстрирует металлический тип электрической проводимости: электросопротивление практически не зависит от температуры в широком диапазоне. Это отличает его от типичных ионных гидридов. Характерный тёмно-синий цвет порошка обусловлен оптическими свойствами зонной структуры — наличием пика отражательной способности в области синего света при атмосферном давлении. При сжатии (от единиц до десятков ГПа) цвет последовательно меняется: синий → фиолетовый → красный; это поведение хорошо воспроизводится теоретически и подтверждено экспериментально несколькими независимыми группами.

LuH₂ динамически стабилен при нормальном давлении. По данным просвечивающей электронной микроскопии, структурные фазовые переходы в материале атмосферного синтеза не наблюдаются в диапазоне 94–673 К.

Дигидрид и тригидрид лютеция: различие составов

Лютеций образует два основных гидрида: дигидрид LuH₂ (Lu в степени окисления +2) и тригидрид LuH₃ (Lu в степени окисления +3). Для лантаноидов стандартна степень окисления +3, поэтому LuH₂ с нетипичным для этой группы окислением +2 представляет отдельный интерес в исследовательских работах.

Тригидрид LuH₃ получают аналогичным путём, но при более высоком давлении водорода в зоне реакции. LuH₃ является диэлектриком и прозрачен в тонких плёнках — это принципиальное отличие от проводящего тёмно-синего LuH₂. Смешение или подмена одного соединения другим меняет электрические и оптические свойства материала, поэтому при заказе необходимо чётко указывать формулу.

Синтез

LuH₂ получают прямым гидрированием металлического лютеция водородом. Реакция проводится в герметичных условиях при контролируемом давлении водорода и повышенной температуре. Соотношение давления и температуры определяет конечный состав продукта: при умеренных условиях образуется преимущественно LuH₂, при повышении давления — LuH₃. Промышленный металлический лютеций, используемый в качестве исходного материала, получают кальцийтермическим восстановлением трифторида LuF₃.

Практически стехиометрически чистый LuH₂ сложно получить: водородные вакансии образуются при синтезе, и реальный состав часто отвечает нестехиометрической формуле LuH₂₋ₓ. Вакансии существенно влияют на электросопротивление и оптические свойства, не меняя кристаллической структуры фторитового типа.

Применение дигидрида лютеция

LuH₂ — специализированный исследовательский материал. Основные направления применения:

• Фундаментальные исследования в физике конденсированного состояния. LuH₂ и его азотированные производные активно изучаются в связи с проблемой высокотемпературной сверхпроводимости в гидридах редкоземельных металлов под давлением. Сверхпроводимость в самом LuH₂ при умеренных условиях не подтверждена.
• Водородное аккумулирование. Как и другие гидриды металлов, LuH₂ способен обратимо поглощать и выделять водород при управляемых изменениях давления и температуры. Применение ограничено высокой стоимостью лютеция.
• Оптоэлектроника и тонкоплёночные покрытия. Плёнки на основе гидридов лютеция исследуются как «переключаемые зеркала»: в гидрированном состоянии металлические и отражающие, при дегидрировании — прозрачные. Это свойство характерно для гидридов ряда редкоземельных металлов.
• Эталонные и аналитические образцы. Для лабораторных исследований в химии, материаловедении и ядерной физике.

Форма поставки

Дигидрид лютеция поставляется в виде порошка с чистотой до 99 %. Возможна поставка субмикронных фракций и нанопорошков. Из-за высокой реакционной способности хранение и транспортировка производятся в герметичной таре в инертной атмосфере или в вакуумной упаковке. При работе с материалом необходимо соблюдать требования по обращению с гидридами металлов.

Смотрите также другие соединения лютеция в нашем каталоге: дикарбид лютеция и нитрид лютеция.