Das chemische Element Lutetium gehört zu den Lanthaniden und Seltenen Erden. Es wurde 1907 von Carl Auer von Welsbach, Charles James und Georges Urbain entdeckt.
Datenbereich
| Klassifizierung: | Lutetium ist ein Lanthanoid und Seltenerdmetall |
| Farbe: | silbrig-weiß |
| Atomgewicht: | 174.97 |
| Zustand: | fest |
| Schmelzpunkt: | 1660 oC, 1933 K |
| Siedepunkt: | 3390 oC, 3663 K |
| Elektronen: | 71 |
| Protonen: | 71 |
| Neutronen im am häufigsten vorkommenden Isotop: | 104 |
| Elektronenhüllen: | 2,8,18,32,9,2 |
| Konfiguration: | 4f14 6s2 |
| Dichte @ 20oC: | 9.8 g/cm3 |
| Atomvolumen: | 17.78 cm3/mol |
| Struktur: | hexagonal dicht gepackt |
| Härte: |
Mehr anzeigen, darunter: Wärme, Energie, Oxidation,
Reaktionen, Verbindungen, Radien, Leitfähigkeiten
| Atomvolumen: | 17,78 cm3/mol |
| Struktur: | hexagonal dicht gepackt |
| Härte: | |
| Spezifische Wärmekapazität | 0.15 J g-1 K-1 |
| Schmelzwärme | 22 kJ mol-1 |
| Zerstäubungswärme | 152 kJ mol-1 |
| Verdampfungswärme | 355.90 kJ mol-1 |
| 1. Ionisierungsenergie | 523.50 kJ mol-1 |
| 2. Ionisierungsenergie | 1340 kJ mol-1 |
| 3. Ionisierungsenergie | 2022 kJ mol-1 |
| Elektronenaffinität | 33 kJ mol-1 |
| Mindestoxidationszahl | 0 |
| Min. gemeinsame Oxidationszahl | 0 |
| Maximale Oxidationszahl | 3 |
| Max. gemeinsame Oxidationszahl | 3 |
| Elektronegativität (Pauling-Skala) | 1,27 |
| Polarisierbarkeit Volumen | 21.9 Å3 |
| Reaktion mit Luft | mild, ⇒ Lu2O3 |
| Reaktion mit 15 M HNO3 | mild, ⇒ Lu(NO3)3 |
| Reaktion mit 6 M HCl | mild, ⇒ H2, LuCl3 |
| Reaktion mit 6 M NaOH | – |
| Oxid(e) | Lu2O3 |
| Hydrid(e) | LuH2, LuH3 |
| Chlorid(e) | LuCl3 |
| Atomradius | 175 pm |
| Ionradius (1+ Ion) | – |
| Ionenradius (2+ Ion) | – |
| Ionenradius (3+ Ion) | 100.1 pm |
| Ionischer Radius (1- Ion) | – |
| Ionischer Radius (2- Ion) | – |
| Ionischer Radius (3-Ion) | – |
| Wärmeleitfähigkeit | 16.4 W m-1 K-1 |
| Elektrische Leitfähigkeit | 1.5 x 106 S m-1 |
| Gefrier-/Schmelzpunkt: | 1660 oC, 1933 K |
Das Seltenerdmetall Lutetium. Foto von Ames Laboratory.
Entdeckung von Lutetium
Lutetium war das letzte natürliche Seltenerdelement, das entdeckt wurde. Die synthetische Seltene Erde Promethium wurde später im Labor aus Uranspaltprodukten hergestellt.
Lutetium wurde unabhängig voneinander von Carl Auer von Welsbach, Charles James und Georges Urbain entdeckt.
Die Entdeckung erinnerte an andere Entdeckungen von Seltenen Erden, bei denen ein neues Element in Mineralien entdeckt wurde, die bereits analysiert worden waren. So entdeckte Carl Gustaf Mosander Lanthan in Cerit, von dem man annahm, dass es das Seltenerdelement Cer und kein anderes enthielt. Mosander entdeckte dann Erbium und Terbium in dem Mineral Gadolinit, das bereits analysiert worden war, wobei das Vorhandensein von Erbium und Terbium übersehen worden war.
Im Fall von Lutetium fanden Urbain, von Welsbach und James das neue Element in Ytterbiumoxid (Ytterbia). Es stellte sich heraus, dass Ytterbia nicht einfach Ytterbiumoxid war, wie die Chemiker geglaubt hatten. Ytterbiumoxid bestand teilweise aus Ytterbiumoxid und teilweise aus Lutetiumoxid.
Der französische Chemiker Georges Urbain trennte 1907 in Paris erfolgreich Lutetium von Ytterbiumoxid. Er trennte Ytterbia durch eine Reihe von fraktionierten Kristallisationen von Ytterbiumnitrat aus Salpetersäurelösung in zwei Bestandteile und erhielt zwei Seltenerdoxide. Das eine behielt den Namen Ytterbium, das andere nannte er Lutecium, das später in Lutetium umbenannt wurde. (1),(2)
Der österreichische Wissenschaftler Carl Auer von Welsbach isolierte ebenfalls Lutetium aus Ytterbium und nannte das Element Cassipoium nach dem Sternbild Cassiopeia. (3)
Dem Chemiker Charles James gelang es 1906-7 in Durham, New Hampshire, ebenfalls, Lutetium zu isolieren, und er patentierte ein Verfahren zur fraktionierten Bromatkristallisation zur Isolierung der Seltenerdmetalle. (3),(4),(5)
Sein fraktioniertes Kristallisationsverfahren galt bis zur Entdeckung der Ionenaustauschtechnik in den 1940er Jahren als die beste Technik zur Trennung der Seltenen Erden. (4)
Der Elementname Lutetium stammt von Lutetia, dem lateinischen Namen für Paris.
Die Gewinnung hochreiner Seltenerdmetalle in Forschungsqualität ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst werden Seltenerdoxide, wie die gelben (Cer), schwarzen (Praseodym) und blauen (Neodym) Pulver in den Schalen, Fluorwasserstoffgas ausgesetzt. Dadurch verwandelt sich das Pulver in ein kristallines Fluorid, wie der grüne Praseodym-Fluorid-Kristall (ganz rechts). Durch eine Reduktionsreaktion und weitere Verarbeitung werden die Seltenerdfluoride in ihre endgültigen, reinen Metallformen umgewandelt: (von oben Mitte) Scandiumscheibe, Dysprosiumscheibe, die auf einer Platte aus sublimiertem Dysprosium ruht, und Gadoliniumzylinder. Gadolinium, Terbium und Lutetium sind schwieriger zu raffinieren, da sie mit Tantal (dem Tiegelmaterial) reagieren. Es werden zusätzliche Schritte unternommen, um das Tantal zu entfernen, das aus dem Schmelztiegel austritt. Bild: Ames Laboratory
Aussehen und Eigenschaften
Schädliche Auswirkungen:
Lutetium gilt als ungiftig.
Eigenschaften:
Lutetium ist ein silbrig-weißes Seltenerdmetall.
Das Metall läuft an der Luft langsam an und verbrennt bei 150 oC zum Oxid.
Es ist das dichteste und härteste der Lanthanoide.
Es ist auch eines der am wenigsten häufig vorkommenden Lanthanoide, kommt aber immer noch häufiger auf der Erde vor als Silber oder Gold.
In Verbindungen liegt Lutetium meist im dreiwertigen Zustand Lu3+ vor. Die meisten seiner Salze sind farblos.
Verwendung von Lutetium
Lutetiumoxid wird zur Herstellung von Katalysatoren für das Cracken von Kohlenwasserstoffen in der petrochemischen Industrie verwendet.
177Lu wird in der Krebstherapie eingesetzt, und aufgrund seiner langen Halbwertszeit wird 176Lu zur Altersbestimmung von Meteoriten verwendet.
Lutetiumoxyorthosilikat (LSO) wird derzeit in Detektoren für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet. Dabei handelt es sich um eine nichtinvasive medizinische Untersuchung, die ein dreidimensionales Bild der Zellaktivität des Körpers erzeugt.
Häufigkeit und Isotope
Häufigkeit Erdkruste: 0,6 Teile pro Million nach Gewicht, 70 Teile pro Milliarde nach Mol
Häufigkeit Sonnensystem: 1 Teil pro Milliarde nach Gewicht, 10 Teile pro Billion nach Mol
Kosten, rein: $340 pro g
Kosten, lose: $ pro 100g
Quelle: Lutetium kommt in der Natur nicht frei vor, sondern ist in einer Reihe von Mineralien enthalten, hauptsächlich in Monazit. In der Vergangenheit war die Isolierung der Seltenen Erden voneinander schwierig und teuer, da ihre chemischen Eigenschaften so ähnlich sind. Die seit den 1940er Jahren entwickelten Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionsverfahren haben die Produktionskosten gesenkt. Reines Lutetiummetall wird durch die Reduktion von wasserfreiem Fluorid mit Calciummetall hergestellt.
Isotope: Lutetium hat 35 Isotope, deren Halbwertszeiten bekannt sind, mit den Massenzahlen 150 bis 184. Natürlich vorkommendes Lutetium ist ein Gemisch der beiden Isotope 175Lu und 176Lu mit natürlichen Häufigkeiten von 97,4 % bzw. 2,6 %.
- Mary Elvira Weeks, The Discovery of the Elements XVI, Journal of Chemical Education, Oktober 1932, S. 1769.
- Robert E. Krebs, The history and use of our earth’s chemical elements: a reference guide, JGreenwood Publishing Group, 2006, p302.
- John Emsley, Nature’s building blocks: an A-Z guide to the elements, Oxford University Press, 2003, p241.
- KITCO, Rare Earth Processing.
- University of New Hampshire Alumni Association, The Life and Work of Charles James.
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"Lutetium." Chemicool Periodic Table. Chemicool.com. 17 Oct. 2012. Web. <https://www.chemicool.com/elements/lutetium.html>.