خواص عنصر لوتسیم (لوتتیم) چیست؟ کاربرد لوتسیم را می شناسید؟
عنصر لوتسیم از عناصر شیمیایی جدول تناوبی مندلیف بوده و با نماد شیمیایی Lu شناخته می شود. عدد اتمی عنصر لوتسیم ۷۱ و عدد جرمی آن ۱۷۴.۹۷ است. از خواص عنصر لوتسیم می توان به رنگ سفید نقره ای و کمیاب بودن آن اشاره نمود. خواص عنصر لوتسیم موجب شده است تا در تناوب ۶ و گروه ۳ از جدول تناوبی عناصر قرار گیرد. کاربرد عنصر لوتسیم در آلیاژهای فلزی و فرآیندهای مختلف مشاهده می شود. البته کاربرد تجاری عنصر لوتسیم به دلیل قیمت بالای آن محدود است. ترکیبات عنصر لوتسیم نیز وجود دارند. هر کدام از این ترکیبات کاربرد ویژه ای دارند. رادیو ایزوتوپ و ایزوتوپ عنصر لوتسیم نیز شناسایی شده است که در ادامه این مقاله بررسی می گردد. عنصر لوتسیم عنصر شماره ۷۱ جدول تناوبی مندلیف است و خواصی مشابه سایر لانتانیدها دارد.
ما در نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر شیمیایی جدول تناوبی پرداخته ایم. عناصری مانند: تولیم، اربیم، هولمیم و… . در ادامه این مقاله با شناخت خواص و کاربرد عنصر لوتسیم با ما همراه باشید.
تاریخچه عنصر لوتسیم
نام عنصر لوتتیم از واژه لاتین Lutetia به معنی پاریس گرفته شده است. در سال ۱۹۰۷ شیمیدانی فرانسوی به نام Georges Urbain و Baron Carol Auer von Welsbach کانی شناس اتریشی هر کدام به طور جداگانه موفق به کشف این عنصر شدند. هر دو دانشمند عنصر لوتسیم را در ناخالصی موجود در ایتریم معدنی کشف کردند. اما به عقیده Jean Charles Galissard de Marignac شیمیدان سوئیسی و بیشتر شیمیدانان دیگر این ماده کاملا متشکل از ایتربیم بود.
برای نخستین بار جداسازی لوتتیم ایتربیم Marignac توسط Urbain ارائه شد. و بنابراین افتخار نامگذاری این عنصر به این دانشمند واگذار شد. او نام های neoytterbium(ایتربیم جدید) و lutecium را برای این عنصر انتخاب کرد. در سال ۱۹۴۹ نگارش عنصر ۷۱ به شکل lutetium (لوتسیم) نامگذاری شد.
Welsbach اتریشی نام های cassiopium را برای عنصر ۷۱ که برگرفته از نام نجومی Cassiopeia است و albebaranium را برای نام جدید ایتربیم پیشنهاد نمود. اما اسامی پیشنهادی وی مورد تایید قرار نگرفت. اما هنوز هم بسیاری از دانشمندان آلمانی عنصر ۷۱ را cassiopium می نامند.
منابع عنصر لوتسیم (لوتتیم)
عنصر لوتسیم اغلب همراه با فلزات خاکی دیگر یافته می‌شود. اما جداسازی این ماده از سایر عناصر بسیار سخت است. عنصر لوتسیم (لوتتیم) کمترین فراوانی را در میان تمامی عناصر طبیعی داراست. کانی تجاری اصلی لوتسیم، سنگ معدن مانزونیت است. این سنگ معدن حاوی ۰.۰۰۳% از این عنصر است.
فلز لوتسیم خالص تنها در سال های اخیر تا حدودی جداسازی شده است. درواقع تهیه این عنصر بسیار دشوار است. بنابراین عنصر لوتتیم به عنوان یکی از نادرترین و گران ترین فلزات خاکی کمیاب شناخته می شود. عنصر لوتسیم با روش جابجایی یونی از عناصر خاکی کمیاب دیگر بدست می‌آید. درواقع کاهش LuCl۳ یا LuF۳ به وسیله یک فلز قلیایی و یا یک فلز قلیایی خاکی صورت می پذیرد.
تولید عنصر لوتسیم
ابتدا مواد معدنی خرد می شوند. سپس با استفاده از اسید سولفوریک غلیظ و داغ تصفیه می شوند. در این صورت سولفات های محلول در آب، در مواد معدنی کمیاب تولید می شوند. ابتدا عنصر توریم به صورت هیدروکسید از محلول رسوب کرده و خارج می گردد. پس از آن محلول با اگزالات آمونیوم تصفیه شده و ترکیبات کمیاب (لانتانیدها) به اگزالات محلول آن ها تبدیل شوند.
سپس اگزالات ها با عمل جوشکاری به اکسید تبدیل می شوند. اکسید ها نیز در اسید نیتریک حل می شوند. یکی از اجزای اصلی، سریم را که اکسید آن در HNO۳ نامحلول است، حذف می کند.
در نهایت چندین فلز خاکی کمیاب، از جمله فلز لوتسیم، با تبلور به عنوان یک نمک مضاعف به همراه نیترات آمونیوم جدا می شوند. عنصر لوتسیم را می توان توسط تبادل یونی جدا نمود. در این فرآیند، یون های معدنی کمیاب مانند لوتتیم از طریق مبادله با یون های هیدروژن، آمونیوم بر روی رزین با تبادل یونی مناسب جذب خواهند شد.
در آخر نمک های لوتسیم توسط ماده کمپلکس کننده مناسب به طور انتخابی شسته می شوند. فلز لوتتیم از طریق فرایند کاهش LuCl۳ یا LuF۳ بی آب توسط فلز قلیایی یا فلز خاکی قلیایی حاصل می شود.
ویژگی عنصر لوتسم عنصر شماره ۷۱ جدول تناوبی مندلیف
- عدد اتمی: ۷۱
- جرم اتمی استاندارد: ۱۷۴٫۹۶۶
- گروه: ۳
- تناوب: ۶
- حالت در شرایط استاندارد (STP): جامد
- نقطه ذوب: ۳۰۰۶ درجه فارنهایت
- نقطه جوش: ۶۱۵۶ درجه فارنهایت
- گرمای تبخیر: ۴۱۴ کیلوژول بر مول
- ظرفیت گرمایی: ۲۶٫۸۶ کیلوژول بر مول
- الکترونگاتیویته: ۱٫۲۷ (مقیاس پائولینگ)
- دسته: لانتانیدها
خواص لانتانیدها
به دلیل ویژگی های لانتانید ها، آن ها خاک های کمیاب نیز نام گرفته اند. این نامگذاری به این دلیل است که اولین اعضای لانتانید ها که به صورت اکسید جمع آوری شد شبیه به اکسید های کلسیم و منیزیم بود. البته بعدها در گروه فلزات قلیایی خاکی قرار گرفتند. لانتانید ها در طبیعت به صورت کانی هایی مانند مونازیت، زنوتیم و گادولینیت یافته می شوند.
همانطور که گفته شد لانتانید ها نام گروهی از عناصر موجود در جدول تناوبی مندلیف است. این عناصر فلزاتی براق با واکنش پذیری بالا و کمیاب هستند. خواص این عناصر شبیه به لانتان ۵۷ است. این گروه از عناصر نمک های سه ظرفیتی محلول در آب با خواص شیمیایی یکسان به وجود می آورند. این عناصر قابل احیا کردن نیز هستند. این کار با استفاده از اثر کلسیم و لیتیم بر هالید بدون آب صورت می پذیرد. در مرحله بعد آن را در خلأ ذوب مجدد نموده و باقیمانده مواد احیا کننده تبخیر خواهد شد. این عناصر را می توان از حمام های نمک ذوب شده به صورت الکترولیتی نیز احیا کرد. لانتانید ها می توانند با برخی از ترکیبات آلی املاح آلی نیز تشکیل دهند.
خواص عنصر لوتسیم (لوتتیم)
از خواص عنصر لوتسیم می توان به سیمگون، سه ظرفیتی و مقاومت در برابر فرسودگی اشاره کرد. لوتسیم تقریبا در هوا پایدار است اما در رطوبت نه. این ماده به عنوان سنگین ترین و سخت ترین عنصر خاکی کمیاب به‌شمار می آید. به دلیل اینکه تولید این فلز در مقادیر مفید بسیار گران است، کاربرد تجاری بسیار کمی دارد. کاربرد عنصر لوتسیم پایدار در پالایشگاه ها و به عنوان کاتالیزور در کراکینگ بنزین صورت می گیرد. این ماده در دسته لانتانیدها قرار داشته و عنصری از فلزات واسطه داخلی است. برای شناخت خواص عنصر لوتسیم می توان مدل اتمی بور برای عنصر لوتسیم را بررسی نمود.
ایزوتوپ عنصر لوتسیم (لوتتیم)
در طبیعت تنها یک ایزوتوپ عنصر لوتسیم یعنیLu-175 پایدار است. فراوانی این ایزوتوپ طبیعی پایدار برابر با ۹۷,۴۱% است. این ماده ۳۳ ایزوتوپ پرتوزا هم دارد. پایدارترین رادیو ایزوتوپ عنصر لوتسیم، ۱۷۶Lu با نیمه عمر ۳,۷۸ سال و فراوانی طبیعی ۲,۵۹%، ۱۷۴Lu با نیمه عمری برابر با ۳,۳۱ سال و ۱۷۳Lu با نیمه عمر ۱,۳۷ سال است. ایزوتوپ های دیگر این ماده دارای نیمه عمری کمتر از ۹ روز هستند. نیمه عمر بیشتر آن ها نیز کمتر از نیم ساعت است.
عنصر لوتتیم دارای هشت حالت متا است. ایزوتوپ های لوتسیم از نظر وزن اتمی بین amu 149,973 (۱۵۰Lu) و amu 961,183 (۱۸۴Lu) قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه قبل از فراوان ترین ایزوتوپ پایدار یعنی ۱۷۵Lu جذب الکترون است. البته با مقداری ارسال الکترون مثبـت و آلفا نیز همراه است. اولین حالت بعد از فروپاشی نیز ارسال بتا است. محصول فروپاشی اولیه قبل از ۱۷۵Lu ایزوتوپ های عنصر ۷۰ (ایتربیم) و محصولات اولیه بعد از آن ایزوتوپ های عنصر ۷۲ است.
کاربرد عنصر لوتسیم (لوتتیوم)
به دلیل دشواری تولید و قیمت بالا این ماده کاربرد تجاری بسیار کمی دارد. عنصر لوتسیم حتی از بیشتر لانتانید ها نیز کمیاب تر است. اما به طور کلی از لحاظ شیمیایی تفاوت چندانی با سایر لانتانیدها ندارد.
کاربرد عنصر لوتسیم (لوتتیوم) پایدار می تواند به عنوان کاتالیزور در فرایند پالایش نفت در پالایشگاه ها استفاده شود.
این ماده می تواند در برنامه های آلکیلاسیون، هیدروژناسیون و پلیمریزاسیون نیز به کار رود.
کاربرد گارنت آلومینیوم لوتتیوم (Al۵Lu۳O۱۲) برای استفاده به عنوان ماده لنز در لیتوگرافی غوطه ور با ضریب شکست بالا پیشنهاد شده است.
مقدار کمی از این عنصر به گارنتین گالیم (GGG) اضافه می شود. GGG در دستگاه های حافظه حباب مغناطیسی استفاده می شود.
اکسید سیلیکات لوتسیم دوپ شده سریم (LSO) ترکیبی برای ردیاب های توموگرافی انتشار پوزیترون کاربرد دارد.
کاربرد گارنت آلومینیوم لوتتیوم (LuAG) به عنوان فسفر در لامپ های LED وجود دارد.
(LuTaO۴) متراکم ترین ماده سفید پایدار شناخته شده است. این ویژگی ترکیب عنصر لوتسیم آن را به یک میزبان ایده آل برای فسفر های اشعه X مبدل می سازد.
خطرات عنصر لوتسیم (لوتتیم)
مانند سایر فلزات خاکی کمیاب این ماده نیز دارای درجه مسمومیت کمی است. اما با این فلز و بخصوص ترکیبات آن باید بسیار با احتیاط رفتار شود. برای مثال، استنشاق فلوراید لوتسیم خطرناک بوده و این ترکیب باعث تحریک پوست می شود.
ترکیب نیترات لوتتیم می تواند خطرناک باشد. زیرا ممکن است پس از گرم شدن منفجر شده و بسوزد.
پودر اکسید لوتسیم در صورت استنشاق یا بلع سمی است.
گرده فلزی این عنصر خطر آتش زایی و انفجار به همراه دارد. لوتسیم هیچگونه نقش بیولوژیکی در بدن انسان ندارد. اما ممکن است به افزایش متابولیسم کمک کند.
سخن آخر
جهان هستی از عناصر مختلفی شکل گرفته است. این عناصر در حیات انسان و همه موجودات زده نقش اساسی دارند. مندلیف عناصر شیمیایی را در جدولی طبقه بندی نمود تا شناخت آن ها آسان تر شود. عناصر موجود در جدول تناوبی از لحاظ خواص فیزیکی و شیمیایی با هم تفاوت هایی دارند. وجود این تفاوت ها به دلیل خواص متفاوت آنهاست. ویژگی و خواص متفاوت، کاربرد متنوع عناصر را به وجود آورده است. اغلب عناصری که در یک گروه از جدول تناوبی مندلیف قرار گرفته اند خواصی شبیه به هم دارند. برای آگاهی از جایگاه عناصر می توان به جدول تناوبی مندلیف مراجعه نمود. در این جدول تمام عناصر جایگاه ویژه ای دارند.
نکته
عناصر شیمیایی در گروه ها و دوره هایی مرتب شده اند. با شناخت بهتر عناصر جدول تناوبی می توان به کاربرد و ویژگی عناصر بهتر پی برد. با شناخت بیشتر، مسیر بهتری در جهت ارتقا علم باز خواهد شد. کاربرد مختلف عناصر در صنعت و سلامت و پزشکی و کشاورزی و… با شناخت کامل آن ها امکان پذیر خواهد بود. دانشمندان همواره در تلاش بوده اند تا شناخت بیشتری از این عناصر به دست آورند. گسترش بیشتر علم به گسترش و پیشرفت بیشتر بشر می انجامد.
لازم به ذکر است که در شرایط استاندارد، عناصر جدول تناوبی مندلیف می توانند حالت های مختلفی را داشته باشند. جامد، مایع، گاز، حالت های مختلف این عناصر است. برخی از عناصر این جدول به عنوان فلز و برخی نافلز و برخی از عناصر نیز شبه فلز هستند. اهمیت بالای عناصر شیمیایی در زندگی و صنعت و آینده بشر منجر شده تا نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به معرفی و بررسی کامل عناصر بپردازد. برای آشنایی با ویژگی و کاربرد و تاریخچه عناصر می توانید به سایت نشریه علمی جهان شیمی فیزیک مراجعه کنید.
