71 Lu 174.967
镧系元素 d-block Period 6

Lu · Element 71

The hardest, densest and most expensive of the lanthanides.

20°C时的状态 固态
原子量 174.967 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²

结构

镥 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示镥在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 9.841 g/cm³ 63%
熔点 1925 K 82%
沸点 3675 K 77%
比热容 0.154 J/g·K
热导率 16.4 W/m·K 41%

原子

原子半径 175 pm 58%
共价半径 187 pm
范德华半径 221 pm

电子

电负性 1.27 27%
电离能 523.9 kJ/mol 9%
电子亲和能 23 kJ/mol 21%

存在

地壳中的丰度 0.8 mg/kg 50%

身份

符号Lu
原子序数71
原子量174.9668 u
类别镧系元素
d
晶体结构六方密排
氧化态+3
发现时间1907
发现者Georges Urbain

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 镥 atom?

Radius 175 pm — that is 0.175 nm, so about 2857 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

镥 is liquid over a 1750 K window, from 1925 K to 3675 K.

所在位置

在表中的位置

sits in the lanthanide series, printed below the main grid.

OTHER 镧系元素

All 镧系元素

故事

镥 是什么,以及我们如何发现它

The hardest, densest and most expensive of the lanthanides.

The discovery of 镥

对“类铥”的探索

镥的发现是化学史上最具争议的故事之一,涉及相互竞争的主张、民族自豪感以及19世纪分析技术的局限。故事始于德米特里·门捷列夫在1869年作出的预测:应当存在一种原子序数为71的元素,他将其称为“类铥”。

法奥之争

法国的发现(1907年):乔治·于尔班在巴黎索邦大学工作期间,研究了看似含有杂质的镱样品。通过分级结晶技术,他发现原本被认为是纯镱的样品实际上含有两种不同的元素。他以卢泰西亚(巴黎的古罗马名称)为名,将新元素命名为“lutecium”(后来改为lutetium)。

奥地利的主张(1907年):几乎与此同时,维也纳的卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫男爵使用类似方法作出了相同的发现。他以仙后座星座为名,提议将其命名为“cassiopeium”。两位科学家在数月内先后发表了研究结果,由此引发了一场国际科学争论。

证据之争

由于两个团队使用了相似的分析方法——光谱学和分级结晶——但所得结果并不完全相同,争议进一步加剧。于尔班关注他观察到的独特光谱线,尤其是紫外区域的光谱线;而冯·韦尔斯巴赫则强调不同的光谱特征。科学界对于哪一项发现更有说服力存在分歧。

X射线晶体学革命:1914年,亨利·莫斯莱开创性的X射线晶体学工作最终解决了这场争议,并确立了原子序数。莫斯莱的测量结果证实,两个团队实际上发现的是同一种原子序数为71的元素,从而确认了双方的发现主张。

国际裁定

经过多年的科学和外交谈判,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于1949年正式承认乔治·于尔班为主要发现者,主要因为他的分析方法更为全面,而且其命名首先被国际社会采用。不过,如今两位科学家都被认为是镥的共同发现者。

早期分离挑战

纯金属镥直到1953年才真正被分离出来——距其发现已将近半个世纪!之所以出现如此长的延迟,是因为镥极其稀有,并且与其他镧系元素的化学性质相似,使用20世纪初的技术进行分离极其困难。

第一批纯镥金属由斯佩丁和丹恩在爱荷华州立大学制得,他们采用了离子交换色谱和电解还原方法。他们的成功需要处理数吨稀土矿石,才能获得仅几克纯镥,这也说明了为什么镥至今仍是最昂贵的稀土元素。

科学遗产

镥的发现故事展现了分析化学从经典湿法化学向现代仪器分析方法的发展过程。它还说明,即使存在竞争,国际科学合作也能推动人类知识进步。如今,这种曾经引发国际争议的元素,正推动拯救生命的医疗技术和尖端电子技术发展。

应用

镥的用途

医学成像革命

镥作为正电子发射断层扫描(PET)仪中的关键组成部分,处于现代医疗技术的前沿。掺铈的硅酸镥氧化物(LSO)晶体充当超灵敏闪烁体,以卓越的精度将伽马射线转换为可见光。这些晶体帮助医生在癌症、脑部疾病和心脏问题的最早期阶段发现它们,从而有望通过早期干预挽救无数生命。

该元素还已成为靶向癌症治疗领域的变革性材料。基于镥-177的治疗正在革新核医学,尤其适用于治疗神经内分泌肿瘤和前列腺癌。这种同位素将精确剂量的辐射直接输送到癌细胞,同时尽量减少对健康组织的损伤,代表了个体化医疗的一项重大进步。

石油工业催化剂

在石油精炼厂中,镥可作为极高效的加氢裂化催化剂,促进将重质原油分子分解为汽油和航空燃料等更轻、更有价值的产品。其独特的电子构型使其能够以前所未有的选择性加速烷基化、氢化和聚合反应,尽管成本高昂,仍具有不可替代的价值。

新一代电子技术

半导体行业在制造最先进的计算机芯片时,利用镥进行极紫外(EUV)光刻工艺。随着硅技术逐渐接近其物理极限,镥化合物能够制造特征尺寸小于7纳米的晶体管,推动计算能力和能源效率的发展边界。

量子计算应用

新兴研究显示,镥在量子计算系统中具有应用潜力,其独特的磁性质和出色的稳定性使其成为量子比特(qubit)应用的候选材料。科学家正在探索基于镥的材料,用于量子存储和量子通信网络。

高性能光学

镥出色的光学性质使其能够用于专用红外探测器和天文仪器。其化合物在特定波长范围内表现出卓越的透明性,非常适合用于空间望远镜和卫星通信系统,因为这些系统需要超高精度的光学元件。

医学应用

  • PET扫描组件:用于癌症检测的医学成像设备中的LSO晶体
  • 放射性药物:用于靶向癌症治疗的镥-177
  • 诊断成像:用于专门医疗操作的增强型造影剂
  • 治疗性同位素:用于肿瘤的精准放射治疗

工业催化

  • 石油精炼:用于原油裂化和改质的催化剂
  • 化学制造:促进复杂有机合成反应
  • 聚合物生产:用于高性能塑料的专用催化剂
  • 燃料加工:提高生物燃料生产效率

技术领域

  • 半导体制造:用于先进芯片生产的EUV光刻
  • 光学元件:高精度透镜和探测器
  • 研究设备:专用科学仪器
  • 数据存储:新一代存储设备组件

研究与开发

  • 材料科学:开发新的高科技合金
  • 量子研究:实验性量子计算系统
  • 核物理:粒子加速器组件
  • 分析化学:高精度测量标准

注意:由于镥极其稀有且价格高昂(最昂贵的稀土元素),它仅用于最关键的高科技应用,即其独特性质无法被替代的领域。

来源

自然存在

0.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 50% of elements

全球分布

镥是所有稀土元素中最稀有、最昂贵的元素,估计其地壳丰度仅为0.5ppm。这使它比金稀有约200倍,稀缺程度几乎与某些贵金属相当。镥在自然界中从不以游离金属形式存在,总是与其他镧系元素结合存在。

主要矿物来源

独居石矿床:独居石砂是全球镥的主要来源,其中含有与其他稀土元素混合的微量镥。主要矿床分布于:

  • 美国加利福尼亚州芒廷帕斯:中国以外最大的稀土矿床之一
  • 中国内蒙古白云鄂博:世界最大的稀土矿床,占全球产量的60%
  • 西澳大利亚韦尔德山:含镥的重要稀土资源
  • 南非斯廷坎普斯克拉尔:重新受到关注的历史来源

磷钇矿矿床:这种磷酸钇矿物含有较高浓度的重稀土元素,包括镥:

  • 马来西亚和泰国:沿海区域的砂矿床
  • 巴西:沿海滩分布的广泛砂矿床
  • 印度:沿海重矿物砂

提取挑战

由于镧系元素之间的化学性质相似,镥的提取极其复杂。分离过程包括:

  • 离子交换色谱:需要进行数百次分离循环
  • 溶剂萃取:使用专用有机溶剂进行多级萃取
  • 分级结晶:反复进行结晶过程
  • 电化学还原:最终提纯为金属形式

供应链现状

全球镥产量估计低于每年10千克,其中中国控制着约85%的供应链。分离难度极高,加上高成本导致需求有限,使镥成为商业应用中最为稀有的元素。目前价格超过每千克$75,000,比铂更有价值。

处理

安全

一般安全特性

从毒理学角度看,镥金属及其大多数化合物被认为相对安全。与许多重金属不同,镥表现出低急性毒性,并且不会在生物系统中显著生物蓄积。不过,与所有稀土元素一样,仍必须遵守适当的操作规程。

操作注意事项

  • 个人防护装备:操作时始终佩戴安全眼镜、丁腈手套和实验室防护服
  • 粉尘控制:避免产生空气传播的颗粒物;处理粉末时使用通风橱
  • 皮肤接触:如发生接触,立即用肥皂和水清洗
  • 眼部防护:处理镥化合物时使用护目镜

放射学注意事项

镥-177:这种医学同位素需要特殊的辐射安全规程:

  • 许可操作:只有经过培训的核医学专业人员才能操作Lu-177
  • 屏蔽:储存和运输期间需要使用铅屏蔽
  • 监测:所有操作人员都必须佩戴个人剂量计
  • 废物处置:需要采用专门的放射性废物处理程序

储存要求

  • 环境:储存在凉爽、干燥的惰性气氛中,以防止氧化
  • 容器:使用由化学惰性材料制成的密封良好且带标签的容器
  • 分隔:远离强酸、强碱和氧化剂
  • 温度:在室温下储存;避免极端温度波动

应急措施

  • 吸入:立即转移到新鲜空气处;若症状持续,寻求医疗救助
  • 皮肤接触:脱去受污染的衣物;用肥皂和水清洗受影响部位15分钟
  • 眼睛接触:用清水冲洗15分钟;立即寻求医疗救助
  • 摄入:不要催吐;漱口并立即寻求医疗救助

长期健康注意事项

当前研究表明,在正确操作的情况下,镥对健康造成的长期风险极小。但是,长期接触稀土粉尘可能引起呼吸道刺激。对于具体的镥化合物,始终遵循所在机构的安全指南和材料安全数据表(MSDS)。

快速回答

镥:常见问题

What is 镥?

镥 (symbol Lu) is element 71 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The hardest, densest and most expensive of the lanthanides. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 镥?

镥's ground-state electron configuration is [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 9, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 镥?

镥 melts at 1925 K (1651.9 °C) and boils at 3675 K (3401.9 °C).

What is the atomic mass of 镥?

The standard atomic weight of 镥 is 174.967 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 镥?

镥 has a density of 9.841 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 镥 is about 9.8× heavier.

What is the electronegativity of 镥?

镥 has a Pauling electronegativity of 1.27. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 镥, and when?

镥 was discovered in 1907 by Georges Urbain. It is named after lutetia, the Roman name for Paris.

How common is 镥 on Earth?

镥 makes up about 0.8 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.