Лютеций. Производство лютеция

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Кафедра неорганической химии

Лютеций. Производство лютеция

Выполнила: студентка 5 курса

кафедры неорганической химии

Глазунова Е.А.

Проверил: Корзанов В.С.

Пермь,2014г

История открытия

Lu, химический элемент III гр. периодической системы. Относится к редкоземельным элементам (иттриевая подгруппа лантаноидов). Природный лютеций состоит из двух изотопов 175Lu (97,40%) и 176Lu (2,6%); 176Lu радиоактивен. Конфигурация внешней электронной оболочки 4f145s25p65d16s2; степень окисления +3

Элемент в виде оксида в 1907 году независимо друг от друга открыли французский химик Жорж Урбэн, австрийский минералог Карл Ауэр фон Вельсбах и американский химик Чарльз Джеймс. Все они обнаружили лютеций в виде примеси к оксиду иттербия, который, в свою очередь, был открыт в 1878 г. как примесь к оксиду эрбия, выделенному в 1843 г. из оксида иттрия, обнаруженного в 1797 г. в минерале гадолините. Все эти редкоземельные элементы имеют очень близкие химические свойства. Приоритет открытия принадлежит Ж. Урбэну.

Происхождение названия

Название элемента его первооткрыватель Жорж Урбен произвёл от латинского названия Парижа -- Lutetia Parisorum. Для иттербия, от которого был отделён лютеций, было предложено название неоиттербий. Оспаривавший приоритет открытия элемента Фон Вельсбах предложил для лютеция название кассиопий (cassiopium), а для иттербия -- альдебараний (aldebaranium) в честь созвездия Северного полушария и самой яркой звезды созвездия Тельца. Учитывая приоритет Урбена в разделении лютеция и иттербия, в 1914 году Международная комиссия по атомным весам приняла название Lutecium, которое в 1949 г. было изменено на Lutetium (русское название не менялось). Тем не менее, до начала 1960-х годов в работах немецких учёных употреблялось название кассиопий.

Свойства

Физические свойства

Лютеций -- металл серебристо-белого цвета, легко поддаётся механической обработке. Он является самым тяжёлым элементом среди лантаноидов как по атомному весу, так и по плотности (9,8404 г/смі). Температура плавления лютеция (1663 °C) максимальна среди всех редкоземельных элементов. Благодаря эффекту лантаноидного сжатия, среди всех лантаноидов лютеций имеет наименьшие атомный и ионный радиусы.

Химические свойства

При комнатной температуре на воздухе лютеций покрывается плотной оксидной плёнкой, при температуре 400 °C окисляется. При нагреве взаимодействует с галогенами, серой и другими неметаллами.

Лютеций реагирует с неорганическими кислотами с образованием солей.

Гидроксиды

Lu(OH)₃ в воде почти нерастворим. Lu(OH)₃ обладает преимущественно основным характером, легко реагирует с соляной, азотной и серной кислотами, образуя соответствующие соли и по силе находятся между Mg(OH)₂ и Al(OH)₃. Адсорбционная способность гидроксида ярко выражена. Lu(OH)₃ и предложен в качестве специальных сорбентов.

Гидропероксиды

Lu(OH)₂(OOH)·nH₂O получают из раствора соли или из гидроксида в виде желатинообразного осадка действием щелочи и пероксида водорода.

Предполагается следующий механизм образования гидропероксидов:

Lu(OH)₃ + H₂O₂ > Lu(OH)₂(OOH) + H₂O.

Гидропероксид очень неустойчив. Находясь в равновесии с водными растворами, он теряет часть активного кислорода. Концентрированная H₂SO₄ разлагает его с выделением озона. Под действием разбавленной H₂SO₄ выделяется H₂O₂; так же действуют CO₂ и многие кислоты. При высушивании над концентрированной H₂SO₄ пероксид теряет воду и часть активного кислорода. При 200єС происходит полное отщепление активного кислорода. Гидропероксид лютеция требует дальнейшего исследования.

Сульфаты.

Гидратированный сульфат лютеция состава Lu₂(SO₄)₃·nH₂O получают растворением оксида, гидроксида или карбоната в разбавленной серной кислоте и последующим упариванием раствора. Сульфаты выделяются с различным содержанием кристаллизационной воды: Lu - 8.

Безводные сульфаты

Получают нагреванием гидрата до 600-650єС, либо действием концентрированной H₂SO₄ на Lu₂O₃ при сильном нагревании с последующим удалением избытка кислоты. Сначала образуется кислый сульфат, который при нагревании разлагается:

Ln₂O₃ + 6H₂SO₄ > 2Ln(HSO₄)₃ + 3H₂O,

2Ln(HSO₄)₃ > Ln₂(SO₄)₃ + 3SO₃ + 3H₂O.

Дальнейшее нагревание ведет к образованию основной соли и около 900°С состав его отвечает формуле Lu₂О₃•SО₃. Выше 1000°С основная соль переходит в оксид.

Безводный сульфат Lu₂(SО₄)₃ представляет собой гигроскопичный порошок. В холодной воде хорошо растворим.

Тиосульфаты

Lu₂(S₂O₃)₃ образуется при взаимодействии тиосульфата натрия или бария с солью лютеция. Тиосульфат хорошо растворим в воде, поэтому он не выпадает в виде осадка из разбавленных растворов. Из концентрированных растворов постепенно осаждается в виде порошкообразной массы. Тиосульфат полностью высаливается из раствора метиловым или этиловым спиртом. При подкислении раствора хлороводородной кислотой - разлагается:

Lu₂(S₂O₃)₃ > Lu₂(SO₃)₃ + 3S.

Повышение температуры до 800-1000єС ведет к разложению тиосульфата до оксосульфита Lu₂O(SO₃)₂.

Селениты

Lu₂(SeO₃)₃·nH₂O получают действуя на соль лютеция селенитом натрия или селенистой кислотой. Мало растворим в воде и минеральных кислотах Растворим в минеральных кислотах в присутствии H₂O₂.

Нитраты

Lu(NO₃)₃ получают по реакции:

Lu₂O₃ + 6N₂O₄ > 2Lu(NO₃)₃ + 3N₂O₃.

В виде кристаллогидратов нитрат получают, растворяя оксид, гидроксид и карбонат лютеция в азотной кислоте с последующим упариванием раствора:

Lu₂O₃ + 6HNO₃ > 2Lu(NO₃)₃ + 3H₂O,

Lu₂(CO₃)₃ + 6HNO₃ > 2Lu(NO₃)₃ + 3H₂O + 3CO₂.

Силикаты

Lu₂O₃·SiO₂ получают, прокаливая оксалатлютеция с эквивалентным количеством кварцевого песка при 1700єС до плавления:

Lu₂(C₂O₄)₃ + 3SiO₂ +3/2O₂ = Lu₂(SiO₃)₃ + 6CO₂.

Силикат не растворяется в воде. Установлено, что лютеций образует ортосиликат Lu₂O₃·SiO₂ и пиросиликат Lu₂O₃·2SiO₂.

Молибдаты

Lu₂(MoO₄)₃ получают, сплавляя хлорид лютеция с молибдатами щелочных металлов или обезвоживая кристаллогидраты молибдатов нагреванием до плавления. Может быть получен сплавлением Lu₂O₃ с MoO₃ при 850-900єС.

Молибдат лютеция с молибдатами других металлов образует двойные соли. Получаются кристаллизацией из расплава, содержащего оксид лютеция, молибдена и щелочного элемента. Кристаллизацией из расплава, содержащего молибдат лютеция и молибдат щелочного элемента, образуются двойные молибдаты состава MeLu(MoO₄)₂, Me₅Lu(MoO₄)₄ и др. (где Me - Li, Na, K, Rb, Cs).

Вольфраматы

Lu₂(WO₄)₃·nH₂O получают из раствора при взаимодействии вольфрамата натрия с нитратом лютеция. Безводный вольфрамат Lu₂(WO₄)₃ получают спеканием оксида Lu₂O₃ и WO₃ при 1000єС. Вольфрамат лютеция нерастворим в воде, спирте и ацетоне. Разбавленные минеральные кислоты, и растворы щелочей при комнатной температуре действуют на вольфрамат медленно. При 80-120єС кислоты и щелочи растворяют его нацело.

Оксалаты

Lu₂(C₂O₄)₃·nH₂O получают, добавляя щавелевую кислоту, либо ее соль к нейтральному или слабокислому раствору (рН=2-3) соли лютеция:

Lu₂(SO₄)₃ + 3H₂C₂O₄ = Lu₂(C₂O₄)₃ + 3H₂SO₄.

Оксалат выпадает в виде белого творожистого осадка, который при нагревании становится кристаллическим. В большинстве случаев оксалат кристаллизуется с 10 молекулами воды.

Получение

Получают осаждением из водных растворов солей лютеция при действии фтористоводородной кислоты, может быть также получен взаимоействием Lu₂O₃ с газообразным HF, F₂ или NH₂HF₂, термическим разложением фтораммонийных комплексов при 400-500°С и др. Для выделения Lu(III) из раствора обычно используют осаждение оксалата (рН 3-4). Металлический лютеций получают восстановлением LuF₃ кальцием

Области применения

лютеций редкоземельный металл

Металлургия.

Высокое химическое сродство к неметаллам (H, C, P, N, S, O), обычно присутствующим в черных металлах и их сплавах обусловило использование лютеция для эффективного удаления (раскисления, десульфурации) этих неметаллов из различных сталей. Добавление 2 кг лютеция на тонну стали, существенно увеличивает ее прочность и ковкость. Использование силицидов лютеция при производстве трубной стали, улучшает ее ударную вязкость и обрабатываемость.

Важную роль играет лютеций в производстве высокопрочного чугуна.

Добавка 0,15 % лютеция значительно улучшает физико-механические свойства чугуна. РЗЭ постепенно вытесняют использующийся для этих же целей магний.

Жаропрочные магнитные сплавы с лютецием применяются для производства деталей реактивных самолетов, управляемых снарядов, космических аппаратов

Стекольная и керамическая промышленность.

Соединения лютеция применяют как для окрашивания стекла, так и для обесцвечивания его для изготовления специальных стекол, поглощающих УФ-излучение

Перспективно применение лютеция для изготовления специальной керамики. Широкое применение нашли оксиды лютеция в качестве абразивных материалов для полировки листового и зеркального стекла, телевизионных трубок, бинокулярных линз, прецизионных оптических стекол, линз объективов и т. д.

Размещено на Allbest.ru