Lutécium

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Lutécium
Lutetium 1cm3 cube.jpg
Cube de lutécium d'un centimète cube.
YtterbiumLutéciumHafnium
Y
   
 
71
Lu
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Lu
Lr
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Lutécium, Lu, 71
Série chimique Lanthanides
Groupe, période, bloc L/A, 6, d
Masse volumique 9,841 g·cm-3
(25 °C)[1]
Couleur Blanc argenté
No CAS 7439-94-3
Propriétés atomiques
Masse atomique 174,9668 ± 0,0001 u[1]
Rayon atomique (calc) 175 pm (217 pm)
Rayon de covalence 187 ± 8 pm [2]
Configuration électronique [Xe]4f14 5d1 6s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 9, 2
État(s) d’oxydation 3
Oxyde base faible
Structure cristalline Hexagonal compact
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 1 663 °C[1]
Point d’ébullition 3 402 °C[1]
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
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,27
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
Énergies d’ionisation[3]
1re : 5,42586 eV 2e : 13,9 eV
3e : 20,9594 eV 4e : 45,25 eV
5e : 66,8 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
173Lu {syn.} 1,37 ans ε 0.671 173Yb
174Lu {syn.} 3,31 ans ε 1.374 174Yb
175Lu 97,41 % stable avec 104 neutrons
176Lu 2,59 % 3,78×1010 ans β- 1.193 176Hf
Précautions
Directive 67/548/EEC[4]
État pulvérulent :
Facilement inflammable
F



SGH[4]
État pulvérulent :
SGH02 : Inflammable
Danger
H228, P210,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le lutécium est un élément chimique de symbole Lu et de numéro atomique 71. C'est le dernier élément de la série 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[modifier | modifier le code]

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[1]. En français, la variante orthographique lutétium est acceptée, même si lutécium semble plus courant[5].

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

Découverte[modifier | modifier le code]

Lutécium sublimé dendritiques et cube de 1 cm3

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

Le 4 novembre 1907, Urbain présente à l'Académie des Sciences de Paris que ses recherches montrent 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 »[6]. Un peu plus tard, le 19 Décembre 1907, 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 (De, d'après l'étoile Aldébaran, en remplacement de l'ytterbium)[7]. 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[8].

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 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[8].

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Structure cristalline du lutécium
a = 351,6 pm, c = 557,3 pm[9].

Le phénomène de contraction des lanthanides fait du lutécium l'élément le plus petit de la série (rayon atomique de 175 pm), alors qu'il possède le numéro atomique le plus haut. En conséquence, il montre également la densité (9,84 g / cm3), le point de fusion (1663 °C) et le point d'ébullition (3402 °C) les plus élevés de tous les lanthanides[1].

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 du 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 avec le lutécium et non plus le lanthane[10].

Propriétés chimiques et composés[modifier | modifier le code]

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[11].

Isotopes[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Monazite du Brésil.

Le lutécium est, avec le thulium, le plus rare des lanthanides[Note 1]. 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[12].

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[12]. Le lutécium pur n'a été isolé que récemment et reste très difficile à obtenir : c'est l'une des terres rares les plus chères.

Utilisations[modifier | modifier le code]

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[13].

Toxicité[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Si l'on fait abstraction du prométhium radioactif, qui n'existe naturellement que comme produit de désintégration temporaire.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e et f (en) William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press/Taylor and Francis, , 96e éd., 2677 p. (ISBN 9781482260977, présentation en ligne)
  2. (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)
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e éd., p. 10-203
  4. a et b SIGMA-ALDRICH
  5. Définitions lexicographiques et étymologiques de « Lutécium » du Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
  6. 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, disponible sur Gallica
  7. (de) Carl Auer von Welsbach, « Die Zerlegung des Ytterbiums in seine Elemente », Monatshefte für Chemie, vol. 29,‎ , p. 181–225
  8. a et b (en) Per Enghag, Encyclopedia of the Elements, John Wiley & Sons, , 1309 p. (lire en ligne)
  9. (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).
  10. (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)
  11. (en) Pradyot Patnaik, Handbook of Inorganic Chemicals, McGraw-Hill, , 1086 p. (résumé)
  12. a et b (en) John Emsley, Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements, Oxford University Press, , 240–242 p. (ISBN 0198503415)
  13. lefigaro.fr du 4 février 2016, Succès d'une approche innovante contre un cancer de l'intestin.

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