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lutecio

El lutecio es un elemento químico ; tiene símbolo Lu y número atómico 71. Es un metal de color blanco plateado , que resiste la corrosión en aire seco, pero no en aire húmedo. El lutecio es el último elemento de la serie de los lantánidos y tradicionalmente se cuenta entre los elementos de tierras raras ; también se puede clasificar como el primer elemento de los metales de transición del sexto período . [6]

El lutecio fue descubierto de forma independiente en 1907 por el científico francés Georges Urbain , el mineralogista austriaco barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James . [7] Todos estos investigadores encontraron lutecio como una impureza en el mineral iterbia , que anteriormente se pensaba que estaba compuesto enteramente de iterbio . La disputa sobre la prioridad del descubrimiento se produjo poco después, con Urbain y Welsbach acusándose mutuamente de publicar resultados influenciados por las investigaciones publicadas por el otro; el honor del nombre fue para Urbain, ya que había publicado sus resultados anteriormente. Eligió el nombre lutecio para el nuevo elemento, pero en 1949 se cambió la ortografía a lutecio . En 1909 finalmente se concedió la prioridad a Urbain y sus nombres fueron adoptados como oficiales; sin embargo, el nombre cassiopeium (o más tarde cassiopium ) para el elemento 71 propuesto por Welsbach fue utilizado por muchos científicos alemanes hasta la década de 1950. [8]

El lutecio no es un elemento especialmente abundante, aunque es mucho más común que la plata en la corteza terrestre. Tiene pocos usos específicos. El lutecio-176 es un isótopo radiactivo relativamente abundante (2,5%) con una vida media de unos 38 mil millones de años, utilizado para determinar la edad de minerales y meteoritos . El lutecio suele aparecer asociado con el elemento itrio [9] y, en ocasiones, se utiliza en aleaciones metálicas y como catalizador en diversas reacciones químicas. 177 Lu-DOTA-TATE se utiliza para la terapia con radionúclidos (ver Medicina nuclear ) en tumores neuroendocrinos. El lutecio tiene la dureza Brinell más alta de todos los lantánidos, entre 890 y 1300 MPa . [10]

Características

Propiedades físicas

Un átomo de lutecio tiene 71 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 . [11] El lutecio generalmente se encuentra en el estado de oxidación 3+, habiendo perdido sus dos 6 más externos y el único electrón 5d. El átomo de lutecio es el más pequeño entre los átomos de lantánidos, debido a la contracción de los lantánidos , [12] y, como resultado, el lutecio tiene la mayor densidad, punto de fusión y dureza de los lantánidos. [13] Como los orbitales 4f del lutecio están altamente estabilizados, sólo los orbitales 5d y 6s participan en reacciones químicas y enlaces; [14] [15] por lo tanto, se caracteriza como un elemento del bloque d en lugar de un bloque f, [16] y sobre esta base algunos consideran que no es un lantánido en absoluto, sino un metal de transición como sus congéneres más ligeros, el escandio. e itrio . [17] [18]

Propiedades químicas y compuestos.

Los compuestos de lutecio casi siempre contienen el elemento en el estado de oxidación 3+. [19] Las soluciones acuosas de la mayoría de las sales de lutecio son incoloras y forman sólidos cristalinos blancos al secarse, con la excepción común del yoduro, que es marrón. Las sales solubles, como nitrato, sulfato y acetato, forman hidratos tras la cristalización. El óxido , hidróxido, fluoruro, carbonato, fosfato y oxalato son insolubles en agua. [20]

El lutecio metálico es ligeramente inestable en el aire en condiciones estándar, pero arde fácilmente a 150 °C para formar óxido de lutecio. Se sabe que el compuesto resultante absorbe agua y dióxido de carbono , y puede usarse para eliminar vapores de estos compuestos de atmósferas cerradas. [21] Se hacen observaciones similares durante la reacción entre el lutecio y el agua (lenta cuando está fría y rápida cuando está caliente); En la reacción se forma hidróxido de lutecio. [22] Se sabe que el lutecio metálico reacciona con los cuatro halógenos más ligeros para formar trihaluros ; excepto el fluoruro, son solubles en agua.

El lutecio se disuelve fácilmente en ácidos débiles [21] y ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones de lutecio incoloros, que están coordinados por entre siete y nueve moléculas de agua, siendo el promedio [Lu(H 2 O) 8,2 ] 3+ . [23]

2 Lu + 3 H 2 ASI 4 → 2 Lu 3+ + 3 ASI QUE2-4+ 3 H 2 ↑

Estados de oxidación

El lutecio generalmente se encuentra en el estado de oxidación +3, como la mayoría de los otros lantánidos. Sin embargo, también puede estar en los estados 0, +1 y +2.

Isótopos

El lutecio se encuentra en la Tierra en forma de dos isótopos: lutecio-175 y lutecio-176. De estos dos, sólo el primero es estable, lo que hace que el elemento sea monoisotópico . Este último, el lutecio-176, se desintegra mediante desintegración beta con una vida media de3,78 × 10 10  años ; constituye aproximadamente el 2,5% del lutecio natural. [5] Hasta la fecha, se han caracterizado 40 radioisótopos sintéticos del elemento, cuyo número másico oscila entre 149 y 190; [5] [24] Los isótopos más estables son el lutecio-174 con una vida media de 3,31 años y el lutecio-173 con una vida media de 1,37 años. [5] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 9 días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a media hora. [5] Los isótopos más ligeros que el lutecio-175 estable se desintegran mediante captura de electrones (para producir isótopos de iterbio ), con cierta emisión de alfa y positrones ; los isótopos más pesados ​​se desintegran principalmente mediante desintegración beta, produciendo isótopos de hafnio. [5]

El elemento también tiene 43 isómeros nucleares conocidos , con masas de 150, 151, 153–162 y 166–180 (no todos los números de masa corresponden a un solo isómero). Los más estables son el lutecio-177m, con una vida media de 160,4 días, y el lutecio-174m, con una vida media de 142 días; éstas son más largas que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos radiactivos de lutecio excepto el lutecio-173, 174 y 176. [5]

Historia

El lutecio, derivado del latín Lutetia ( París ), fue descubierto de forma independiente en 1907 por el científico francés Georges Urbain , el mineralogista austriaco barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James. [25] [26] Lo encontraron como una impureza en la iterbia , que el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac pensaba que estaba compuesta enteramente de iterbio . [27] Los científicos propusieron diferentes nombres para los elementos: Urbain eligió neoiterbio y lutecio , [28] mientras que Welsbach eligió aldebaranio y casiopeio (después de Aldebarán y Casiopea ). [29] Ambos artículos acusaron al otro hombre de publicar resultados basados ​​en los del autor. [30] [31] [32] [33] [34]

La Comisión Internacional de Pesos Atómicos , que entonces era responsable de la atribución de nuevos nombres de elementos, resolvió la disputa en 1909 concediendo prioridad a Urbain y adoptando sus nombres como oficiales, basándose en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac era descrito por primera vez por Urbano; [27] después de que se reconocieran los nombres de Urbain, el neoyterbio se revirtió a iterbio. Un problema obvio con esta decisión es que Urbain estaba en la Comisión Internacional de Pesos Atómicos. [35] Hasta la década de 1950, algunos químicos de habla alemana llamaban al lutecio por el nombre de Welsbach, casiopeio ; en 1949, la ortografía del elemento 71 se cambió a lutecio. La razón de esto fue que las muestras de lutecio de Welsbach de 1907 eran puras, mientras que las muestras de Urbain de 1907 sólo contenían trazas de lutecio. [36] Esto más tarde indujo a Urbain a pensar que había descubierto el elemento 72, al que llamó celcio, que en realidad era lutecio muy puro. El posterior descrédito del trabajo de Urbain sobre el elemento 72 llevó a una reevaluación del trabajo de Welsbach sobre el elemento 71, de modo que el elemento pasó a llamarse cassiopeio en los países de habla alemana durante algún tiempo. [36] Charles James, que se mantuvo al margen del argumento de la prioridad, trabajó en una escala mucho mayor y poseía el mayor suministro de lutecio en ese momento. [37] El lutecio metálico puro se produjo por primera vez en 1953. [37]

Ocurrencia y producción

Monacita

El lutecio, que se encuentra con casi todos los demás metales de tierras raras, pero nunca solo, es muy difícil de separar de otros elementos. Su principal fuente comercial es el subproducto del procesamiento de la monacita , mineral de fosfato de tierras raras ( Ce , La ,...) P O
4, que tiene concentraciones de sólo el 0,0001% del elemento, [21] no mucho más altas que la abundancia de lutecio en la corteza terrestre de aproximadamente 0,5 mg/kg. Actualmente no se conocen minerales con predominio de lutecio. [38] Las principales zonas mineras son China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia. La producción mundial de lutecio (en forma de óxido) es de unas 10 toneladas al año. [37] El lutecio metálico puro es muy difícil de preparar. Es uno de los metales de tierras raras más raros y caros, con un precio de alrededor de 10.000 dólares por kilogramo, o aproximadamente una cuarta parte del precio del oro . [39] [40]

Los minerales triturados se tratan con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. El torio precipita de la solución en forma de hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles. Los oxalatos se convierten en óxidos mediante recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los componentes principales, el cerio , cuyo óxido es insoluble en HNO 3 . Varios metales de tierras raras, incluido el lutecio, se separan como una sal doble con nitrato de amonio mediante cristalización. El lutecio se separa mediante intercambio iónico . En este proceso, los iones de tierras raras se absorben en una resina de intercambio iónico adecuada mediante intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúpricos presentes en la resina. A continuación se lavan selectivamente las sales de lutecio mediante un agente complejante adecuado. El lutecio metálico se obtiene entonces mediante la reducción de Lu Cl 3 o Lu F 3 anhidro por un metal alcalino o alcalinotérreo . [20]

2 LuCl 3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl 2

Aplicaciones

Debido a la dificultad de producción y al alto precio, el lutecio tiene muy pocos usos comerciales, especialmente porque es más raro que la mayoría de los otros lantánidos pero químicamente no es muy diferente. Sin embargo, el lutecio estable se puede utilizar como catalizador en el craqueo de petróleo en refinerías y también en aplicaciones de alquilación, hidrogenación y polimerización . [41] Un hidruro de lutecio dopado con nitrógeno puede desempeñar un papel en la creación de superconductores a temperatura ambiente a 10 kbar. [42] [43]

Se ha propuesto el uso del granate de lutecio aluminio ( Al 5 Lu 3 O 12 ) como material de lente en litografía de inmersión de alto índice de refracción . [44] Además, se agrega una pequeña cantidad de lutecio como dopante al granate de gadolinio y galio , que se utiliza en dispositivos de memoria de burbujas magnéticas . [45] El oxiortosilicato de lutecio dopado con cerio es actualmente el compuesto preferido para los detectores en tomografía por emisión de positrones (PET). [46] [47] El granate de lutecio y aluminio (LuAG) se utiliza como fósforo en bombillas de diodos emisores de luz. [48] ​​[49]

Aparte del lutecio estable, sus isótopos radiactivos tienen varios usos específicos. La vida media adecuada y el modo de desintegración hicieron que el lutecio-176 se utilizara como un emisor beta puro, utilizando lutecio que ha estado expuesto a la activación de neutrones , y en la datación con lutecio-hafnio para fechar meteoritos . [50] El isótopo sintético lutecio-177 unido al octreotato (un análogo de la somatostatina ) se utiliza experimentalmente en la terapia con radionúclidos dirigidos a tumores neuroendocrinos . [51] De hecho, el lutecio-177 está experimentando un uso cada vez mayor como radionúclido en la terapia de tumores neuroendocrinos y en el alivio del dolor óseo. [52] [53] Las investigaciones indican que los relojes atómicos de iones de lutecio podrían proporcionar mayor precisión que cualquier reloj atómico existente. [54]

El tantalato de lutecio (LuTaO 4 ) es el material blanco estable más denso conocido (densidad 9,81 g/cm 3 ) [55] y, por lo tanto, es un huésped ideal para los fósforos de rayos X. [56] [57] El único material blanco más denso es el dióxido de torio , con una densidad de 10 g/cm 3 , pero el torio que contiene es radiactivo.

El lutecio es también un compuesto de varios materiales centelleantes , que convierten los rayos X en luz visible. Forma parte de los centelleadores LYSO , LuAg y yoduro de lutecio .

Lutecio (177Lu) vipivotida tetraxetan es una terapia para el cáncer de próstata , aprobada por la FDA en 2022. [58]

Precauciones

Al igual que otros metales de tierras raras, se considera que el lutecio tiene un bajo grado de toxicidad, pero sus compuestos deben manipularse con cuidado: por ejemplo, la inhalación de fluoruro de lutecio es peligrosa y el compuesto irrita la piel. [21] El nitrato de lutecio puede ser peligroso ya que puede explotar y quemarse una vez que se calienta. El polvo de óxido de lutecio también es tóxico si se inhala o ingiere. [21]

Al igual que otros metales de tierras raras, el lutecio no tiene ningún papel biológico conocido, pero se encuentra incluso en humanos, concentrándose en los huesos y, en menor medida, en el hígado y los riñones. [37] Se sabe que las sales de lutecio se encuentran junto con otras sales de lantánidos en la naturaleza; el elemento es el menos abundante en el cuerpo humano de todos los lantánidos. [37] No se ha monitoreado el contenido de lutecio en las dietas humanas, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es solo de unos pocos microgramos por año, todos provenientes de pequeñas cantidades absorbidas por las plantas. Las sales solubles de lutecio son levemente tóxicas, pero las insolubles no lo son. [37]

Ver también

Referencias

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