Le lutécium, élément atomique n°71 de symbole Lu : étymologie, découverte, propriétés, isotopes, abondance, utilisations et toxicité.

Propriétés physiques du lutécium

Le lutécium dispose du numéro atomique le plus élevé. Cependant, le phénomène de contraction des lanthanides le place comme le plus petit élément de cette famille. Son rayon atomique est de 175 pm. De tous les lanthanides, sa densité, son point de fusion et son point d’ébullition sont aussi les plus élevés. Ils sont respectivement de 9,841 g·cm^-3, de 1 663 °C et de 3 402 °C. Le lutécium et les métaux de transition, en particulier l’yttrium et le scandium, ont des propriétés structurelles et physiques similaires. Malgré ces caractéristiques, le lanthane se trouve sous l’yttrium dans le tableau périodique. En effet, ce dernier se place en tête du bloc d et le lutécium est le dernier élément du bloc f. Une erreur d’appréciation de la configuration électronique de ces éléments en est la cause. D’après les récentes études spectroscopiques les 71 électrons du lutécium sont effectivement classés suivant la configuration [Xe] 4f¹⁴5d¹6s². Lors d’une réaction chimique, l’atome du lutécium perd les trois électrons des orbitales s et d. Ce phénomène est inhabituel, car les réactions de la majorité des lanthanides impliquent les électrons de l’orbitale f. Actuellement, d’un commun accord, le lutécium, et non plus le lanthane, commence le bloc d. Voici d’autres propriétés du lutécium :

• 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 ;
• énergie de fusion : 18,6 kJ·mol^-1 ;
• énergie de vaporisation : 355,9 kJ·mol^-1 ;
• pression de vapeur : 2 460 Pa à 1 936 K ;
• structure cristalline : hexagonale compacte ;
• volume molaire : 17,78×10^-6 m³·mol^-1.

Cet élément, portant le N° CAS 7439-94-3 et le N° ECHA 100.028.275, a une masse atomique de 174,966 8 ± 0,000 1 u. Son rayon atomique et son rayon de covalence sont respectivement de 175 pm (217 pm) et de 187 ± 8 pm. L’état d’oxydation de son atome est 3. À l’échelle de Pauling, son électronégativité est 1,27. L’oxyde de lutécium est considéré comme un composé basique.

Le lutécium dispose de cinq énergies d’ionisation. La première est de 5,425 86 eV et la deuxième s’élève à 13,9 eV. La troisième, la quatrième et la cinquième énergie d’ionisation sont successivement 20,959 4 eV, 45,25 eV et 66,8 eV.

Propriétés chimiques et composés

Le lutécium réagit particulièrement avec la plupart des non-métaux, à des températures élevées. Il se modifie par l’oxygène : lentement dans des conditions normales et plus rapidement en présence d’humidité. Le lutécium brûle à partir de 150 °C et forme des oxydes. Ce métal se décompose facilement dans les acides faibles et forme des solutions incolores renfermant des ions trivalents.

On trouve l’élément à l’état d’oxydation +3 dans les composés de lutécium. La plupart des sels de lutécium ont des solutions incolores. À l’exception notable de l’iodure, ils forment des solides cristallins blancs, après dessiccation. Pendant la cristallisation, les sels solubles tels que l’acétate, le nitrate et le sulfate forment des hydrates. Le carbonate, le fluorure, l’hydroxyde, l’oxalate, l’oxyde et le phosphate sont insolubles dans l’eau.

Isotopes

Le seul isotope stable de cet élément chimique est le lutécium 175. Les Lu 176, 177 et 178 sont les plus instables. On obtient l’isotope ¹⁷⁷Lu, de période 6,7 jours, par une activation neutronique de ¹⁷⁶Lu. Cet isotope ¹⁷⁷Lu émet un rayonnement β⁻. Dans la médecine nucléaire, il est utilisé pour traiter certaines tumeurs neuroendocrines. L’Institut Laue-Langevin le produit pour le compte d’une société privée.

Les différents isotopes ont chacun leurs propres caractéristiques. L’isotope ¹⁷³Lu est radioactif et se désintègre en un autre isotope avec une période de demi-vie de 1,37 an. Son mode de désintégration ε représente l’émission d’un positron. Son énergie de désintégration est de 0,671 MeV et le produit obtenu est le ¹⁷³Yb. La période de demi- vie du ¹⁷⁴Lu dure 3,31 ans. Son mode de désintégration est ε. Son énergie de désintégration permettant d’obtenir du ¹⁷³Yb est de 1,374 MeV. Le ¹⁷⁵Lu, avec 104 neutrons, ne subit pas de désintégration radioactive. La proportion naturelle stable de cet isotope dans la nature est de 97,41 %. Le pourcentage 2,59 % et 3,78×1010 ans définissent respectivement la proportion naturelle et la période de demi-vie de l’isotope ¹⁷⁶Lu. Son mode de désintégration β- correspond à l’émission d’un électron. Son énergie de désintégration s’élève à 1,193 MeV. Le ¹⁷⁶Hf est l’isotope produit lors de sa désintégration radioactive.

Abondance naturelle et production

Avec le thulium, le lutécium est le lanthanide le plus rare. Il est présent dans la croûte terrestre, à hauteur de 0,5 partie par million. Pourtant, il est plus courant que certains métaux tels que l’argent, le bismuth et le mercure. On rencontre souvent le lutécium avec la plupart des autres terres rares. Cependant, cet élément n’est jamais pur. En plus, il est difficile de le séparer des autres éléments. La monazite, de formule grossière (Ce,La,Th)PO₄, constitue le principal minerai commercial du lutécium. Il en contient 0,003 %. Les principales mines se trouvent en Australie, au Brésil, aux États-Unis, en Inde, en République populaire de Chine et au Sri Lanka. Le lutécium pur n’a été isolé qu’au XX^e siècle. Il reste très difficile à obtenir, car il fait partie des terres rares les plus chères. Le lutécium est produit dans le monde à hauteur de 10 t.