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Lutécium

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Lutécium
Image illustrative de l’article Lutécium
Cube de lutécium d'un centimètre cube.
Ytterbium ← Lutécium → Hafnium
Y
  Structure cristalline hexagonale compacte
 
71		 Lu
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
↑
Lu
↓
Lr
Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Lu
Nom Lutécium
Numéro atomique 71
Groupe 3 ou n.a.[a]
Période 6e période
Bloc Bloc d ou f[b]
Famille d'éléments Lanthanide
Configuration électronique [Xe] 4f14 5d1 6s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 9, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 174,966 8 ± 0,000 1 u[2]
Rayon atomique (calc) 175 pm (217 pm)
Rayon de covalence 187 ± 8 pm[3]
État d’oxydation 3
Électronégativité (Pauling) 1,27
Oxyde Base faible
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,425 86 eV 2e : 13,9 eV
3e : 20,959 4 eV 4e : 45,25 eV
5e : 66,8 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
173Lu{syn.}1,37 ansε0.671173Yb
174Lu{syn.}3,31 ansε1.374174Yb
175Lu97,41 %stable avec 104 neutrons
176Lu2,59 %3,78×1010 ansβ-1.193176Hf
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire solide
Masse volumique 9,841 g·cm-3
(25 °C)[2]
Système cristallin Hexagonal compact
Couleur Blanc argenté
Point de fusion 1 663 °C[2]
Point d’ébullition 3 402 °C[2]
Énergie de fusion 18,6 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 355,9 kJ·mol-1
Volume molaire 17,78×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 2 460 Pa à 1 936 K
Chaleur massique 150 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 1,85×106 S·m-1
Conductivité thermique 16,4 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7439-94-3
No ECHA 100.028.275
Précautions
SGH[5]
SGH02 : Inflammable
Danger
H228 et P210
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le lutécium (ou lutétium) est un élément chimique de symbole Lu et de numéro atomique 71. C'est le dernier élément de la famille des lanthanides et il est compté parmi les terres rares.

Le lutécium est un métal gris argenté, mou et ductile. Ses applications sont limitées en raison de sa rareté et de son prix élevé. La production de cet élément demande en effet de le séparer des autres terres rares avec lesquelles il est toujours présent.

Étymologie et appellations

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Lutécium est un dérivé savant de Lutèce (en latin Lutetia), donné par son découvreur en l'honneur de la ville de Paris. En 1949, l'IUPAC a changé la graphie du nouvel élément en lutetium[2]. En français, la variante orthographique lutétium est acceptée, même si lutécium semble plus courant[6].

En raison du débat relatif à sa découverte, l'élément a longtemps été nommé cassiopeium (symbole Cp) dans les pays de langue allemande. Cette pratique est désormais désuète.

Découverte

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Découvertes des terres rares.
Yttrium (1794)

Yttrium



Terbium (1843)



Erbium (1843)
Erbium

Erbium



Thulium (1879)



Holmium (1879)

Holmium



Dysprosium (1886)






Ytterbium (1878)

Ytterbium

Ytterbium



Lutécium (1907)




Scandium (1879)








Cérium (1803)

Cérium


Lanthane (1839)

Lanthane


Didyme (1839)
Didyme

Néodyme (1885)



Praséodyme (1885)



Samarium (1879)

Samarium

Samarium



Europium (1901)





Gadolinium (1880)







Prométhium (1947)


Diagrammes des découvertes des terres rares. Les dates entre parenthèses sont les dates d'annonces des découvertes[7]. Les branches représentent les séparations des éléments à partir d'un ancien (l'un des nouveaux éléments conservant le nom de l'ancien, sauf pour le didyme).
Lutécium sublimé dendritiques et cube de 1 cm3

Le lutécium est l'avant-dernier des lanthanides à avoir été décrit, seul le prométhium, radioactif et instable, était encore inconnu. Il a été découvert presque simultanément et indépendamment par trois chimistes en 1907 : Le Français Georges Urbain, l'Autrichien Carl Auer von Welsbach et l'Américain Charles James (en), qui chacun étudiaient l'ytterbine découverte en 1878 par Jean Charles Galissard de Marignac, et était supposée être composée d'oxyde d'ytterbium pur.

Le , Urbain montre à l'Académie des sciences de Paris que l'ytterbine de Marignac est en réalité constituée de deux éléments distincts. Il propose de les nommer néo-ytterbium, « afin d'éviter les confusions avec l'ancien élément de Marignac », et lutécium, « dérivé de l'ancien nom de Paris »[8]. Un peu plus tard, le , von Welsbach annonce que ses travaux menés depuis 1905 de cristallisation fractionnée des sels d'ytterbium montrent des spectres prouvant l'existence de deux éléments distincts. Il recommande les noms cassiopeium (Cp, d'après la constellation Cassiopée, correspondant au lutécium) et aldebaranium (Ad, d'après l'étoile Aldébaran, en remplacement de l'ytterbium)[9],[10]. Parallèlement, à l'Université du New Hampshire, Charles James avait pu isoler des quantités importantes du compagnon de l'ytterbium durant l'été 1907. Apprenant l'annonce faite par Georges Urbain, il renonça à revendiquer la paternité du nouvel élément. Pourtant, parmi les trois scientifiques, il était probablement celui dont les recherches étaient les plus avancées[11].

Durant les années qui suivirent, Urbain et von Welsbach se disputèrent la paternité de la découverte dans un conflit exacerbé par les tensions politiques entre la France et l'Autriche-Hongrie. En 1909, la Commission internationale des poids atomiques (en) donna finalement la préséance au lutécium de Georges Urbain (réorthographié lutetium), tout en conservant le nom ytterbium pour le second élément. Jusqu'aux années 1950, de nombreux chimistes de langue allemande continuèrent néanmoins à user du terme cassiopeium[11].

Caractéristiques

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Propriétés physiques

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Structure cristalline hexagonal compact (hcp) du lutécium
a = 351,6 pm, c = 557,3 pm[12].

Le phénomène de contraction des lanthanides fait du lutécium l'élément le plus petit de cette famille (rayon atomique de 175 pm), alors qu'il possède le numéro atomique le plus élevé. En conséquence, il montre également la densité (9,84 g·cm-3), le point de fusion (1 663 °C) et le point d'ébullition (3 402 °C) les plus élevés de tous les lanthanides[2].

Les propriétés physiques et structurelles du lutécium montrent de nombreuses similarités avec les métaux de transition, en particulier avec le scandium et l'yttrium. En dépit de ces considérations, le lanthane a longtemps été placé sous l'yttrium dans les tableaux périodiques en tant que premier élément du bloc d, alors que le lutécium était indiqué comme dernier élément du bloc f. Ceci est dû en partie à des erreurs d'appréciation de la configuration électronique de ces éléments. Des études spectroscopiques plus récentes ont montré que les 71 électrons du lutécium sont arrangés selon la configuration [Xe] 4f145d16s2. Lorsqu'il entre dans une réaction chimique, l'atome perd les trois électrons des orbitales s et d, ce qui est inhabituel car les réactions de la plupart des autres lanthanides impliquent les électrons de l'orbitale f. Il est donc à présent communément admis de commencer le bloc d avec le lutécium et non plus le lanthane[13].

Propriétés chimiques et composés

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Le lutécium réagit avec la plupart des non-métaux, en particulier à des températures élevées. Il réagit lentement avec l'oxygène dans des conditions normales et plus rapidement en présence d'humidité, et brûle facilement à partir de 150 °C pour former des oxydes. Le métal se dissout facilement dans les acides faibles pour former des solutions incolores contenant des ions trivalents.

Les composés de lutécium contiennent toujours l'élément à l'état d'oxydation +3. Les solutions aqueuses de la plupart des sels de lutécium sont incolores et forment des solides cristallins blancs après dessiccation, à l'exception notable de l'iodure. Les sels solubles, tels que le nitrate, le sulfate ou l'acétate forment des hydrates lors de la cristallisation. L'oxyde, l'hydroxyde, le fluorure, le carbonate, le phosphate et l'oxalate sont insolubles dans l'eau[14].

Isotopes

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Article détaillé : Isotopes du lutécium.

Le lutécium est présent sur Terre sous forme de deux isotopes : 175Lu et 176Lu. Le premier est réputé stable et constitue 97,4 % de l'abondance naturelle de l'élément. Le second est un radionucléide primordial dont la demi-vie excède l'âge de l'univers : 3,78×1010 ans.

32 radioisotopes synthétiques ont été caractérisés.

Abondance naturelle et production

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Monazite du Brésil.

Le lutécium est, avec le thulium, le plus rare des lanthanides[c]. Présent à hauteur de 0,5 ppm dans la croûte terrestre, il est néanmoins bien plus courant que certains métaux comme l'argent, le mercure ou le bismuth[15].

On trouve le lutécium avec la plupart des autres terres rares, mais jamais pur, et il est d'ailleurs difficile à séparer des autres éléments. Le principal minerai commercial du lutécium est la monazite, de formule grossière (Ce,La,Th)PO4, qui contient 0,003 % de lutécium. Les mines principales se trouvent en République populaire de Chine, aux États-Unis, au Brésil, en Inde, au Sri Lanka et en Australie. La production mondiale de lutécium est de l'ordre de 10 tonnes[15]. Le lutécium pur n'a été isolé qu'au XXe siècle et reste très difficile à obtenir : c'est l'une des terres rares les plus chères.

Utilisations

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Elles sont très limitées, notamment du fait de son prix par rapport à d'autres lanthanides. Le lutécium peut être utilisé comme catalyseur lors du craquage, de l'hydrogénation et de la polymérisation.

L'isotope 177Lu de période 6,7 jours est obtenu par activation neutronique de 176Lu. C'est un émetteur de rayonnement β− utilisé en médecine nucléaire pour le traitement de certaines tumeurs neuro-endocrines. Il est produit à l'Institut Laue-Langevin pour une société privée[16].

Toxicité

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Notes et références

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Notes

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  1. ↑ Selon les auteurs[1], le lanthane ou le lutécium font partie du groupe 3 sur la 6e période, l'autre élément se retrouvant dans ce cas sans groupe.
  2. ↑ Dépend des auteurs[1].
  3. ↑ Si l'on fait abstraction du prométhium radioactif, qui n'existe naturellement que comme produit de désintégration temporaire.

Références

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  1. ↑ a et b (en) Eric Scerri, « Which Elements Belong in Group 3? », Journal of Chemical Education, vol. 86, no 10,‎ , p. 1188 (DOI 10.1021/ed086p1188, Bibcode 2009JChEd..86.1188S, lire en ligne)
  2. ↑ a b c d e et f (en) William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press/Taylor & Francis, , 96e éd., 2677 p. (ISBN 9781482260960)
  3. ↑ (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  4. ↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., p. 10-203
  5. ↑ Fiche Sigma-Aldrich du composé Lutetium ingot, 99.9% trace rare earth metals basis, consultée le 6 juillet 2018.
  6. ↑ Informations lexicographiques et étymologiques de « Lutécium » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
  7. ↑ (en) Episodes from the History of the Rare Earth Elements, Springer Netherlands, coll. « Chemists and Chemistry », (ISBN 9789401066143 et 9789400902879, DOI 10.1007/978-94-009-0287-9), xxi.
  8. ↑ Georges Urbain, « Un nouvel élément, le lutécium, résultant du dédoublement de l'ytterbium de Marignac », dans Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences, t. 144, , p. 759–762, lire en ligne sur Gallica
  9. ↑ (de) Carl Auer von Welsbach, « Die Zerlegung des Ytterbiums in seine Elemente », Monatshefte für Chemie, vol. 29,‎ , p. 181–225
  10. ↑ (en) Marco Fontani, Mariagrazia Costa et Mary Virginia Orna, The Lost Elements : The Periodic Table's Shadow Side, New York, Oxford University Press, (1re éd. 2014), 531 p. (ISBN 9780199383344), p. 234.
  11. ↑ a et b (en) Per Enghag, Encyclopedia of the Elements : Technical Data - History - Processing - Applications, John Wiley & Sons, , 1309 p. (lire en ligne)
  12. ↑ (en) Lin-gun Liu, « Lutetium: High pressure polymorph and compression », Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 36, no 1,‎ , p. 31-35 (DOI 10.1016/0022-3697(75)90127-4).
  13. ↑ (en) Pieter Thyssen et Koen Binnemans, « Accommodation of the Rare Earths in the Periodic Table », dans Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, vol. 41, Elsevier, , 560 p. (lire en ligne)
  14. ↑ (en) Pradyot Patnaik, Handbook of Inorganic Chemicals, McGraw-Hill, , 1086 p. (présentation en ligne)
  15. ↑ a et b (en) John Emsley, Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements, Oxford, Oxford University Press, , 240–242 p. (ISBN 0-19-850341-5)
  16. ↑ lefigaro.fr du 4 février 2016, Succès d'une approche innovante contre un cancer de l'intestin.

Voir aussi

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Liens externes

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