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Lutecio

El lutecio es un elemento químico de símbolo Lu y número atómico 71. Es un metal 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 lo incluye entre los elementos de tierras raras ; también se lo puede clasificar como el primer elemento de los metales de transición del sexto período . [7]

El lutecio fue descubierto independientemente en 1907 por el científico francés Georges Urbain , el mineralogista austríaco Barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James . [8] Todos estos investigadores encontraron el lutecio como una impureza en el mineral iterbio , que anteriormente se pensaba que consistía completamente de iterbio y oxígeno. La disputa sobre la prioridad del descubrimiento ocurrió poco después, con Urbain y Welsbach acusándose mutuamente de publicar resultados influenciados por la investigación publicada del otro; el honor del nombre le correspondió a Urbain, ya que había publicado sus resultados antes. Eligió el nombre lutecio para el nuevo elemento, pero en 1949 la ortografía se cambió a lutecio . En 1909, la prioridad fue finalmente otorgada a Urbain y sus nombres fueron adoptados como oficiales; Sin embargo, el nombre casiopeio (o más tarde casiopio ) para el elemento 71 propuesto por Welsbach fue utilizado por muchos científicos alemanes hasta la década de 1950. [9]

El lutecio no es un elemento particularmente abundante, aunque es significativamente 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 al elemento itrio [10] y a veces se utiliza en aleaciones de metales y como catalizador en diversas reacciones químicas. 177 Lu-DOTA-TATE se utiliza para la terapia con radionúclidos (véase Medicina nuclear ) en tumores neuroendocrinos. El lutecio tiene la dureza Brinell más alta de todos los lantánidos, de 890 a 1300 MPa . [11]

Características

Propiedades físicas

Un átomo de lutecio tiene 71 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ] 4f 14 5d 1 6s 2 . [12] El lutecio se encuentra generalmente en el estado de oxidación 3+, habiendo perdido sus dos 6s 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 , [13] y, como resultado, el lutecio tiene la mayor densidad, punto de fusión y dureza de los lantánidos. [14] Como los orbitales 4f del lutecio están altamente estabilizados, solo los orbitales 5d y 6s están involucrados en reacciones químicas y enlaces; [15] [16] por lo que se caracteriza como un elemento del bloque d en lugar de un elemento del bloque f, [17] 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 y el itrio . [18] [19]

Propiedades y compuestos químicos

Los compuestos de lutecio casi siempre contienen el elemento en el estado de oxidación 3+. [20] 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 el nitrato, el sulfato y el acetato, forman hidratos al cristalizar. El óxido , el hidróxido, el fluoruro, el carbonato, el fosfato y el oxalato son insolubles en agua. [21]

El metal lutecio 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. [22] Se hacen observaciones similares durante la reacción entre el lutecio y el agua (lenta cuando está frío y rápida cuando está caliente); en la reacción se forma hidróxido de lutecio. [23] Se sabe que el metal lutecio 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 [22] 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+ . [24]

2 Lu + 3 H 2 ASI 4 → 2 Lu 3+ + 3 ASI QUE2−4+ 3H2 ↑

Estados de oxidación

El lutecio se encuentra generalmente 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, solo el primero es estable, lo que hace que el elemento sea monoisotópico . El último, lutecio-176, se desintegra mediante desintegración beta con una vida media de3,78 × 10 10  años ; constituye aproximadamente el 2,5% del lutecio natural. [6] Hasta la fecha, se han caracterizado 40 radioisótopos sintéticos del elemento, cuyo número de masa varía de 149 a 190; [6] [25] 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. [6] Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 9 días, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a media hora. [6] Los isótopos más ligeros que el lutecio-175 estable se desintegran mediante captura de electrones (para producir isótopos de iterbio ), con alguna emisión alfa y de positrones ; los isótopos más pesados ​​se desintegran principalmente mediante desintegración beta, produciendo isótopos de hafnio. [6]

El elemento también tiene 43 isómeros nucleares conocidos , con masas de 150, 151, 153-162 y 166-180 (no cada número másico corresponde a un solo isómero). Los más estables de ellos son el lutecio-177m, con una vida media de 160,4 días, y el lutecio-174m, con una vida media de 142 días; estas son más largas que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos radiactivos del lutecio, excepto el lutecio-173, 174 y 176. [6]

Historia

El lutecio, derivado del latín Lutetia ( París ), fue descubierto independientemente en 1907 por el científico francés Georges Urbain , el mineralogista austríaco Barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James. [26] [27] Lo encontraron como una impureza en la iterbia , que el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac pensaba que consistía completamente de iterbio . [28] Los científicos propusieron diferentes nombres para los elementos: Urbain eligió neoyterbio y lutecio , [29] mientras que Welsbach eligió aldebaranium y cassiopeium (en honor a Aldebarán y Cassiopeia ). [30] Ambos artículos acusaron al otro hombre de publicar resultados basados ​​en los del autor. [31] [32] [33] [34] [35]

La Comisión Internacional de Pesos Atómicos , que entonces era responsable de la atribución de nuevos nombres de elementos, resolvió la disputa en 1909 otorgando prioridad a Urbain y adoptando sus nombres como oficiales, basándose en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac fue descrita por primera vez por Urbain; [28] después de que se reconocieran los nombres de Urbain, el neoyterbio volvió a ser iterbio. Un problema obvio con esta decisión es que Urbain estaba en la Comisión Internacional de Pesos Atómicos. [36] Hasta la década de 1950, algunos químicos de habla alemana llamaban al lutecio por el nombre de Welsbach, cassiopeium ; 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 habían sido puras, mientras que las muestras de Urbain de 1907 solo contenían trazas de lutecio. [37] Esto llevó más tarde a Urbain a pensar erróneamente que había descubierto el elemento 72, al que llamó celtio, que en realidad era lutecio muy puro. El descrédito posterior 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 casiopeio en los países de habla alemana durante algún tiempo. [37] Charles James, que se mantuvo al margen del argumento de prioridad, trabajó a una escala mucho mayor y poseía el mayor suministro de lutecio en ese momento. [38] El metal lutecio puro se produjo por primera vez en 1953. [38]

Ocurrencia y producción

Monacita

El lutecio, que se encuentra junto 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 como subproducto del procesamiento del mineral de fosfato de tierras raras monacita ( Ce , La ,...) P O
4, que tiene concentraciones de solo 0,0001% del elemento, [22] 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. [39] Las principales áreas mineras son China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia. La producción mundial de lutecio (en forma de óxido) es de aproximadamente 10 toneladas por año. [38] El metal lutecio puro es muy difícil de preparar. Es uno de los metales de tierras raras más raros y más caros, con un precio de aproximadamente US$10.000 por kilogramo, o aproximadamente una cuarta parte del del oro . [40] [41]

Los minerales triturados se tratan con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos solubles en agua de tierras raras. El torio precipita de la solución como 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 por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los componentes principales, el cerio , cuyo óxido es insoluble en HNO3 . Varios metales de tierras raras, incluido el lutecio, se separan como una sal doble con nitrato de amonio por cristalización. El lutecio se separa por intercambio iónico . En este proceso, los iones de tierras raras se adsorben en una resina de intercambio iónico adecuada mediante intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. Luego, las sales de lutecio se eliminan selectivamente con un agente complejante adecuado. El metal lutecio se obtiene luego por reducción de Lu Cl 3 o Lu F 3 anhidro con un metal alcalino o un metal alcalinotérreo . [21]

2 LuCl 3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl 2

El 177 Lu se produce por activación neutrónica del 176 Lu o indirectamente por activación neutrónica del 176 Yb seguida de desintegración beta . La vida media de 6,693 días permite el transporte desde el reactor de producción hasta el punto de uso sin una pérdida significativa de actividad. [42]

Aplicaciones

Pequeñas cantidades de lutecio tienen muchos usos especiales.

Isótopos estables

El lutecio estable se puede utilizar como catalizador en el craqueo de petróleo en refinerías y también se puede utilizar en aplicaciones de alquilación, hidrogenación y polimerización . [43]

Se ha propuesto el uso del granate de lutecio y aluminio ( Al 5 Lu 3 O 12 ) como material para lentes en litografías de inmersión de alto índice de refracción . [44] Además, se añade una pequeña cantidad de lutecio como dopante al granate de gadolinio y galio , que se utiliza en dispositivos de memoria de burbuja magnética . [45] El oxiortosilicato de lutecio dopado con cerio es actualmente el compuesto preferido para 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]

El tantalato de lutecio (LuTaO 4 ) es el material blanco estable más denso conocido (densidad 9,81 g/cm 3 ) [50] y, por lo tanto, es un anfitrión ideal para fósforos de rayos X. [51] [52] 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 también es 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 .

Las investigaciones indican que los relojes atómicos de iones de lutecio podrían proporcionar una mayor precisión que cualquier reloj atómico existente. [53]

Isótopos inestables

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 sido expuesto a la activación de neutrones y en la datación de lutecio-hafnio para datar meteoritos . [54]

El isótopo 177 Lu emite partículas beta de baja energía y rayos gamma y tiene una vida media de alrededor de 7 días, características positivas para aplicaciones comerciales, especialmente en medicina nuclear terapéutica. [42] El isótopo sintético lutecio-177 unido a octreotato (un análogo de la somatostatina ), se utiliza experimentalmente en la terapia con radionúclidos dirigida a tumores neuroendocrinos . [55] El lutecio-177 se utiliza como radionúclido en la terapia de tumores neuroendocrinos y en la paliación del dolor óseo. [56] [57]

El tetraxetan vipivotide de lutecio ( 177 Lu) 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. [22] El nitrato de lutecio puede ser peligroso, ya que puede explotar y arder una vez calentado. El polvo de óxido de lutecio también es tóxico si se inhala o se ingiere. [22]

Al igual que los demás metales de tierras raras, el lutecio no tiene ninguna función biológica conocida, pero se encuentra incluso en los seres humanos, concentrándose en los huesos y, en menor medida, en el hígado y los riñones. [38] 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. [38] No se ha monitoreado el contenido de lutecio en la dieta humana, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es de solo 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. [38]

Véase también

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