L’élément chimique lutécium est classé parmi les lanthanides et les terres rares. Il a été découvert en 1907 par Carl Auer von Welsbach, Charles James et Georges Urbain.
Zone de données
| Classification : | Le lutécium est un métal lanthanide et terre rare |
| Couleur: | blanc argenté |
| Poids atomique: | 174.97 |
| Etat: | solide |
| Point de fusion: | 1660 oC, 1933 K |
| Point d’ébullition : | 3390 oC, 3663 K |
| Electrons: | 71 |
| Protons : | 71 |
| Neutrons dans l’isotope le plus abondant: | 104 |
| Electrons : | 2,8,18,32,9,2 |
| Configuration: | 4f14 6s2 |
| Densité à 20oC: | 9.8 g/cm3 |
| Volume atomique: | 17,78 cm3/mol |
| Structure: | hexagonale serrée |
| Dureté : |
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| Volume atomique: | 17,78 cm3/mol |
| Structure: | hexagonale serrée |
| Dureté : | |
| Capacité thermique spécifique | 0.15 J g-1 K-1 |
| Chaleur de fusion | 22 kJ mol-1 |
| Chaleur d’atomisation | 152 kJ mol-1 |
| Chaleur de vaporisation | 355.90 kJ mol-1 |
| Première énergie d’ionisation | 523.50 kJ mol-1 |
| 2ème énergie d’ionisation | 1340 kJ mol-1 |
| 3ème énergie d’ionisation | 2022 kJ mol-1 |
| Affinité électronique | 33 kJ mol-1 |
| Nombre minimal d’oxydation | 0 |
| Nombre minimal d’oxydation. commun d’oxydation | 0 |
| Nombre maximal d’oxydation | 3 |
| Nombre maximal d’oxydation commun. | 3 |
| Electronégativité (échelle de Pauling) | 1,27 |
| Volume de polarisabilité | 21.9 Å3 |
| Réaction avec l’air | doux, ⇒ Lu2O3 |
| Réaction avec 15 M HNO3 | doux, ⇒ Lu(NO3)3 |
| Réaction avec HCl 6 M | doux, ⇒ H2, LuCl3 |
| Réaction avec NaOH 6 M | – |
| Oxyde(s) | Lu2O3 |
| Hydrure(s) | LuH2, LuH3 |
| Chlorure(s) | LuCl3 |
| Rayon atomique | 175 pm |
| Rayon ionique (ion 1+) | – |
| Rayon ionique (ion 2+) | – |
| Rayon ionique (ion 3+) | 100.1 pm |
| Rayon ionique (1- ion) | – |
| Rayon ionique (2- ion) | – |
| Rayon ionique (3- ion) | – |
| Conductivité thermique | 16.4 W m-1 K-1 |
| Conductivité électrique | 1.5 x 106 S m-1 |
| Point de congélation/fusion : | 1660 oC, 1933 K |
Le lutécium, métal des terres rares. Photo du laboratoire Ames.
Découverte du lutécium
Le lutécium a été le dernier élément naturel de terre rare à être découvert. Le prométhium, terre rare synthétique, a été produit plus tard en laboratoire à partir des produits de fission de l’uranium.
Le lutécium a été découvert indépendamment par Carl Auer von Welsbach, Charles James et Georges Urbain.
Cette découverte fait écho à d’autres découvertes de terres rares dans lesquelles un nouvel élément a été découvert dans des minéraux qui avaient déjà été analysés. Par exemple, Carl Gustaf Mosander a découvert le lanthane dans la cérite – dont on pensait qu’elle contenait l’élément terre rare cérium et aucun autre. Mosander a ensuite découvert de l’erbium et du terbium dans le minéral gadolinite, qui avait été analysé, mais la présence d’erbium et de terbium avait été manquée.
Dans le cas du lutécium, Urbain, von Welsbach et James ont tous trouvé le nouvel élément dans l’oxyde d’ytterbium (ytterbia). Il s’est avéré que l’ytterbia n’était pas seulement de l’oxyde d’ytterbium, comme les chimistes l’avaient cru. L’ytterbia était en fait en partie de l’oxyde d’ytterbium et en partie de l’oxyde de lutécium.
Le chimiste français Georges Urbain a réussi à séparer le lutécium de l’ytterbia en 1907 à Paris. Il a séparé l’ytterbia en deux constituants par une série de cristallisations fractionnées du nitrate d’ytterbium à partir d’une solution d’acide nitrique et a obtenu deux oxydes de terres rares. L’un conserva le nom d’ytterbium, l’autre il l’appela lutécium qui fut ensuite changé en lutécium. (1),(2)
Le scientifique autrichien Carl Auer von Welsbach a également isolé le lutécium de l’ytterbium et il a appelé l’élément cassipoium d’après la constellation de Cassiopée. (3)
Le chimiste Charles James a également réussi à isoler le lutécium en 1906-7, à Durham, New Hampshire et il a breveté un procédé de cristallisation fractionnée au bromate pour isoler les métaux des terres rares. (3),(4),(5)
Son procédé de cristallisation fractionnée était considéré comme la meilleure technique de séparation des terres rares jusqu’à la découverte des techniques d’échange d’ions dans les années 1940. (4)
Le nom de l’élément lutécium vient de Lutetia, le nom latin de Paris.
L’obtention de métaux de terres rares de qualité recherche de grande pureté est un processus en plusieurs étapes. Tout d’abord, les oxydes de terres rares, comme les poudres jaunes (cérium), noires (praséodyme) et bleues (néodyme) des plats, sont exposés à du fluorure d’hydrogène gazeux. La poudre se transforme alors en fluorure cristallin, comme le cristal vert de fluorure de praséodyme (tout à droite). Une réaction de réduction et un traitement ultérieur transforment les fluorures de terres rares en leur forme finale de métal pur, (à partir du centre supérieur) disque de scandium, disque de dysprosium reposant sur une feuille de dysprosium sublimé et cylindre de gadolinium. Le gadolinium, le terbium et le lutécium sont plus difficiles à raffiner car ils réagissent avec le tantale (le matériau du creuset). Des mesures supplémentaires sont prises pour éliminer le tantale qui s’échappe du creuset. Photo : Laboratoire Ames
Apparence et caractéristiques
Effets nocifs :
Le lutécium est considéré comme non toxique.
Caractéristiques:
Le lutécium est un métal de terre rare blanc argenté.
Le métal se ternit lentement à l’air et brûle à 150 oC en oxyde.
C’est le plus dense et le plus dur des lanthanides.
C’est aussi l’un des lanthanides les moins abondants, cependant il est encore plus abondant sur terre que l’argent ou l’or.
Lorsqu’il est présent dans des composés, le lutécium existe généralement à l’état trivalent ,Lu3+. La plupart de ses sels sont incolores.
Utilisations du lutécium
L’oxyde de lutécium est utilisé pour fabriquer des catalyseurs de craquage des hydrocarbures dans l’industrie pétrochimique.
Le 177Lu est utilisé dans la thérapie du cancer et, en raison de sa longue demi-vie, le 176Lu est utilisé pour dater l’âge des météorites.
L’oxyorthosilicate de lutécium (LSO) est actuellement utilisé dans les détecteurs de la tomographie par émission de positrons (TEP). Il s’agit d’un scanner médical non invasif qui crée une image tridimensionnelle de l’activité cellulaire de l’organisme.
Abondance et isotopes
Abondance croûte terrestre : 0,6 partie par million en poids, 70 parties par milliard en moles
Abondance système solaire : 1 partie par milliard en poids, 10 parties par trillion en moles
Coût, pur : 340 $ par g
Coût, en vrac : $ par 100g
Source : Le lutécium n’est pas présent à l’état libre dans la nature mais se trouve dans un certain nombre de minéraux, principalement la monazite. Historiquement, l’isolement des éléments de terres rares les uns des autres a été difficile et coûteux, car leurs propriétés chimiques sont très similaires. Les techniques d’échange d’ions et d’extraction par solvant développées depuis les années 1940 ont permis de réduire le coût de production. Le lutécium métal pur est produit par la réduction du fluorure anhydre avec du calcium métal.
Isotopes : Le lutécium possède 35 isotopes dont les demi-vies sont connues, avec des numéros de masse de 150 à 184. Le lutécium naturel est un mélange de deux isotopes 175Lu et 176Lu avec des abondances naturelles de 97,4% et 2,6% respectivement.
- Mary Elvira Weeks, La découverte des éléments XVI, Journal de l’éducation chimique, octobre 1932, p1769.
- Robert E. Krebs, L’histoire et l’utilisation des éléments chimiques de notre terre : un guide de référence, 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.
- Association des anciens élèves de l’Université du New Hampshire, La vie et l’œuvre de Charles James.
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"Lutetium." Chemicool Periodic Table. Chemicool.com. 17 Oct. 2012. Web. <https://www.chemicool.com/elements/lutetium.html>.
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