71, Lutetium (Lu)

lat. lutetia = Paris

Das Element Lutetium:

         
   
  Yb Lu Hf  
  No Lr Rf  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Lutetium (Nukleosynthese): Lutetium hat nur ein Isotop, welches gegen Betazerfall stabil ist (Lu-175). Da jedoch das unter β--Strahlung zerfallende Isotop Lu-176 eine Halbwertszeit von rd. 39 Mrd. Jahren hat, kommt dieses ebenfalls natürlich vor. Während Lu-175 sowohl durch s-, als auch durch r-Prozesse entstehen kann, kann Lu-176 nur durch s-Prozess aus Lu-175 gebildet werden, da der r-Prozess bei dieser Nukleonenzahl nur bis zum Yb-176 führt.

Die Lutetium-Synthese:
175Lu-Synthese:
(s-, r-Prozess)

174Yb + n → 175Lu + β- + 6,29 MeV

56Fe + 119n → 175Lu + 45β- + 955 MeV

176Lu-Synthese:
(nur s-Prozess)

175Lu + n → 176Lu + 6,29 MeV



Radioaktivität: Lutetium-176 ist ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von rd. 39 Mrd. Jahren. Im natürlichen Isotopengemisch ist dieses Nuklid zu 2,59 % enthalten, wodurch 1 kg natürliches Reinst-Lutetium eine Aktivität von 51.770 Becquerel hat. Damit strahlt das Element etwas weniger als doppelt so stark, wie die gleiche Menge an natürlich zusammengesetztem Kalium.
Vorkommen von Lutetium: Im Universum hat Lutetium durchschnittlich mit rund 0,l2 μg/kg Anteil am Aufbau (Rang 82). Es ist nach Tantal das im Universum zweitseltenste, nichtradioaktive Element. Am Aufbau der Erde ist es mit durchschnittlich 0,39 mg/kg beteiligt (Rang 47), in der Erdkruste findet es sich mit durchschnittlich 0,8 mg/kg (Rang 61). Damit ist es das drittseltenste Lanthanoid, nur Thulium und Promethium sind noch seltener.

Mineralische Vorkommen: Wie alle schweren Lanthanoide kommt auch das Lutetium bevorzugt in Yttrium-Mineralien vor, da es in seinem Ionenradius diesem ähnlicher ist, als dem Lanthan. So sind Xenotim, Yttrium-Gadolinit, Monazitsand und Yttrium-Bastnäsit die wichtigsten Quellen zur Anreicherung und Reingewinnung des Elements. Es kommt auch in den Ceriterden vor, allerdings mit weit geringerer Konzentration.

Lutetiumhaltige Mineralien.

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[1]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[3]


Lutetium-Gewinnung:
Gleich den anderen schweren Lanthanoiden (Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium) wird Lutetium aus Yttrium-Mineralien (Xenotim, Y-Bastnäsit, Y-Gadolinit) gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Lutetiumfluorid bzw. -chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Lutetium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[4]
Chemie von Lutetium: Lutetium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 5d1 4f14. Die Oxidationsstufe +3 ist die einzig bekannte, wobei es sich aufgrund dieser Elektronenkonfiguration durchaus als schweres Homologes von Scandium und Yttrium, alternativ zum Lanthan, auffassen lässt.

Reaktionen an der Luft: Bei Raumtemperatur ist Lutetium an trockener Luft einigermaßen beständig. An feuchter Luft überzieht es sich mit einer Schicht aus Lutetiumhydroxid, die das Metall jedoch nicht schützt, und es daher langsam vollständig korrodiert wird. Beim Erhitzen verbrennt es in stark exothermer Reaktion zu Lutetiumoxid.

4Lu + 3O2 → 2Lu2O3 + 3756,4 kJ


Reaktionen mit Wasser, Säuren und Laugen: Von Feuchtigkeit und Wasser wird das Metall schnell angegriffen, es reagiert unter Wasserstoffentwicklung zu Lutetiumhydroxid. Dieses ist zwar basisch, jedoch nur sehr schlecht in Wasser löslich - die Basizität ähnelt der von Aluminiumhydroxid. Aufgrund der Löslichkeit von etwa 14 μg/L reagiert die gesättigte Hydroxidlösung annähernd neutral. Sie ist die von allen Lanthanoidhydroxiden das am wenigsten basische. Gleich den anderen Lanthanoid(III)-Ionen hydrolysiert auch das Hexaaquo-Lutetium-Ion unter Bildung von Hydronium-Ionen und Hydroxo-Lutetium-Ionen, weswegen Lutetium-Salze, sofern das Anion nicht basisch reagiert, deutlich saure Reaktionen zeigen. Mit starker Natron- oder Kalilauge bildet Lutetiumhydroxid lösliche Lutetate (mit dem Anion Lu(OH)4-. Es zeigt von allen Lanthanoiden den am stärksten ausgeprägten amphoteren Charakter.

Hydrolyse von Lutetiumhydroxid und Lutetium-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Lutetiumhydroxid:
{Lu(OH)3} [Lu(OH)2]+ + OH-; pKb = 5,80

b) Saure Reaktion von Lutetium-Ionen:
[Lu(H2O)9]3+ + H2O [Lu(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,60



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor und Chlor reagiert das Element bereits bei Raumtemperatur mit Feuererscheinung unter Bildung entsprechender Salze, mit Brom, Iod und Schwefel erst beim Erhitzen - ebenfalls unter stark exothermer Reaktion.

Lutetium-Verbindungen

Lutetiumoxid[4]
Lu2O3

Fotomontage: Lutetiumsulfat-8hydrat[5]
Lu2(SO4)3•8H2O

Lutetiumchlorid[4]
LuCl3•6H2O

Lutetiumsulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Lutetium bzw. von seinen Verbindungen: Flammenfärbung: Lutetiumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine Flammenfärbung. Dabei ist die Flamme im heißeren Temperaturbereich violett bis blaustichig, im kälteren violett-rötlich gefärbt. Dies kommt dadurch zustande, dass der Teil der angeregten Elektronen, der in der heißen Zone auf das Grundniveau zurückfällt, höhere Energien (und damit kleinere Wellenlängen, Blau-Anteile) hat, als der Anteil, welcher erst weiter oben in der kälteren Zone emittiert (größere Wellenlängen, Rot-Anteile).

Sind die Salze durch größere Mengen an Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium oder Ytterbium verunreinigt, so kann die Flamme einen grünlich-gelben Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,999 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[4]
Lutetium-Salzes

Verwendung von Lutetium und seinen Verbindungen : Lutetium wie auch Ytterbium ist nur sehr schwer darstellbar, und kommt in keinem der Lanthanoid-Mineralien wirklich häufig vor. Daher gehen seine Verwendungsmöglichkeiten nicht über die für wissenschaftliche Forschungen hinaus.
Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.