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Lutecio

El lutecio es un elemento químico ; su símbolo es Lu y su número atómico es 71. Es un metal blanco plateado que resiste la corrosión en aire seco, pero no en aire húmedo. El lut...

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El lutecio es un elemento químico ; su símbolo es Lu y su número atómico es 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 incluye entre los elementos de tierras raras ; también puede clasificarse como el primer elemento de los metales de transición del sexto período . [ 8 ]

El lutecio fue descubierto independientemente en 1907 por el científico francés Georges Urbain , el mineralogista austriaco Barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James . [ 9 ] Todos estos investigadores encontraron lutecio como una impureza en el iterbio . 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 de nombrarlo recayó en Urbain, ya que había publicado sus resultados antes. Él eligió el nombre lutecio para el nuevo elemento en honor al nombre latino de París, Lutetia . [ 10 ] En 1949 la ortografía se cambió a lutecio . En 1909, la prioridad finalmente se le otorgó a Urbain y sus nombres fueron adoptados como los 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. [ 11 ]

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 radioisótopo relativamente abundante (2,6 %) con una vida media de aproximadamente 38 mil millones de años, utilizado para determinar la edad de minerales y meteoritos . El lutecio suele aparecer asociado con el itrio [ 12 ] y a veces se utiliza en aleaciones metálicas y como catalizador en diversas reacciones químicas. El 177Lu -DOTA-TATE se utiliza para la terapia con radionúclidos (véase Medicina nuclear ) en tumores neuroendocrinos. El lutecio tiene la mayor dureza Brinell de todos los lantánidos, entre 890 y 1300 MPa [ 13 ] .

Características

Propiedades físicas

Un átomo de lutecio tiene 71 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ]  4f 14 5d 1 6s 2 . [ 14 ] 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 lantánida , [ 15 ] y como resultado el lutecio tiene la mayor densidad, punto de fusión y dureza de los lantánidos. [ 16 ] Como los orbitales 4f del lutecio están altamente estabilizados, solo los orbitales 5d y 6s participan en reacciones químicas y enlaces; [ 17 ] [ 18 ] por lo tanto, se caracteriza como un elemento del bloque d en lugar de un elemento del bloque f, [ 19 ] y sobre esta base algunos consideran que no es un lantánido en absoluto, sino un metal de transición como sus congéneres más ligeros escandio e itrio . [ 20 ] [ 21 ]

Propiedades químicas y compuestos

Los compuestos de lutecio casi siempre contienen el elemento en estado de oxidación +3. [ 22 ] 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. [ 23 ]

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 utilizarse para eliminar los vapores de estos compuestos de atmósferas cerradas. [ 24 ] Se observan fenómenos similares durante la reacción entre el lutecio y el agua (lenta en frío y rápida en caliente); en la reacción se forma hidróxido de lutecio. [ 25 ] Se sabe que el lutecio metálico reacciona con los cuatro halógenos más ligeros para formar trihaluros ; excepto el fluoruro, son solubles en agua. [ 26 ]

El lutecio se disuelve fácilmente en ácidos débiles [ 24 ] y ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones de lutecio incoloros, los cuales están coordinados por entre siete y nueve moléculas de agua, siendo el promedio [ Lu(H 2 O) 8.2 ] 3+ . [ 27 ]

2 Lu + 3 H 2 SO 4 → 2 Lu 3+ + 3 SO 2− 4 + 3 H 2 ↑

isótopos

El lutecio se presenta en la Tierra en dos isótopos: lutecio-175 y lutecio-176. De estos dos, solo el primero es estable, lo que hace que el elemento sea monoisotópico . El segundo, lutecio-176, se desintegra por desintegración beta con una vida media de3,70 × 10 10  años ; constituye aproximadamente el 2,6% del lutecio natural. [ 7 ]

Hasta la fecha, se han caracterizado 40 radioisótopos sintéticos del elemento, con números másicos que van de 149 a 188; 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. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a 9 días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a media hora. Los isótopos más ligeros que el estable lutecio-175 se desintegran por captura electrónica (para producir isótopos de iterbio ), con cierta emisión alfa y de positrones ; los isótopos más pesados ​​se desintegran principalmente por desintegración beta, produciendo isótopos de hafnio . [ 7 ] Experimentos en la Instalación de Haces de Isótopos Raros han reportado lutecio-190 en fragmentos de platino-198 que colisionan con un blanco de carbono. [ 28 ]

El elemento también tiene 43 isómeros nucleares conocidos , de los cuales los más estables son el lutecio-177m3, con una vida media de 160,4 días, y el lutecio-174m con una vida media de 142 días; más larga que los estados fundamentales de todos los isótopos de lutecio excepto el 173-176. [ 7 ]

Historia

Tres científicos participaron en el descubrimiento del lutecio: [ 29 ] el científico francés Georges Urbain , [ 10 ] el mineralogista austriaco Barón Carl Auer von Welsbach , [ 30 ] y el químico estadounidense Charles James. [ 31 ] [ 32 ] Encontraron lutecio como una impureza en la iterbia , que el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac creía que estaba compuesta enteramente de iterbio . De los tres, Urbain fue el primero en publicar, seguido de Welsbach; James estaba a punto de publicar cuando se enteró del trabajo de Urbain, y posteriormente renunció a su reclamo y no publicó. [ 33 ] A pesar de mantenerse al margen del debate sobre la prioridad, James trabajó a una escala mucho mayor y poseía la mayor reserva de lutecio en ese momento. [ 34 ]

Urbain y Welsbach propusieron nombres diferentes. Urbain eligió neoiterbio para iterbio y lutecio para el nuevo elemento. [ 35 ] Welsbach eligió aldebaranio y casiopeio (en honor a Aldebarán y Casiopea ). Ambos autores acusaron al otro de publicar resultados basados ​​en su trabajo. [ 36 ] [ 37 ] La Comisión Internacional de Pesos Atómicos , que entonces era responsable de la atribución de los nombres de los nuevos elementos, resolvió la disputa en 1909 otorgando prioridad a Urbain y adoptando su elección de nombre, derivado del latín Lutetia ( París ). [ 38 ] Esta decisión se basó en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac fue descrita por primera vez por Urbain. [ 10 ] [ 30 ] Welsbach había logrado la separación antes que Urbain, pero Urbain había publicado 44 días antes. Dado que Urbain formaba parte de la comisión que tomó la decisión, su objetividad podía ser cuestionada; además, Welsbach protestó alegando que la evidencia espectral de Urbain era débil y argumentó que el lutecio de su rival era muy impuro, pero fue en vano. [ 33 ] Después de que se reconocieran los nombres de Urbain, el neoiterbio volvió a denominarse iterbio. [ 39 ]

La controversia se calmó después de 1910, solo para reavivarse con el descubrimiento del elemento 72. Urbain afirmó en 1911 haber descubierto una nueva tierra rara llamada celtio y la identificó como el elemento 72. Sin embargo, Niels Bohr había demostrado, a partir de su teoría cuántica, que el elemento 72 debía ser un elemento del grupo 4 y no una tierra rara, y basándose en una idea de Fritz Paneth , el amigo de Bohr, George de Hevesy, trabajó con Dirk Coster para buscarlo en minerales de circonio . Lo lograron, descubriendo el hafnio en 1923. Este anuncio de descubrimiento, al estar en conflicto directo con el celtio de Urbain, desató una controversia sobre el elemento 72 durante la década de 1920; las investigaciones resultantes sobre la naturaleza del celtio de Urbain, dado que no era lo mismo que el hafnio, reabrieron el caso del elemento 71. [ 40 ]

Los físicos Hans M. Hansen y Sven Werner , del instituto de Bohr en Copenhague, descubrieron en 1923 que las muestras de casiopio de Welsbach de 1907 eran puro elemento 71, mientras que las muestras de lutecio de Urbain de 1907 solo contenían trazas del elemento 71 y sus muestras de 1911 identificadas como celtio eran en realidad puro elemento 71, lo que confirmaba la crítica de Welsbach. [ 33 ] [ 40 ] Los físicos de Copenhague iniciaron entonces una campaña para devolver la prioridad del elemento 71 a Welsbach y sustituir el nombre de lutecio por casiopio, escribiéndole a Welsbach en 1923 sobre sus intenciones. Esta campaña tuvo éxito en la literatura de física, pero a pesar del fuerte apoyo alemán y escandinavo al casiopio, el lutecio siguió presente en la mayor parte de la literatura química, y la Comisión Internacional de Pesos Atómicos aceptó en 1930 que el elemento 72 era hafnio, pero utilizó lutecio para el elemento 71. [ 33 ]

En 1949, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada decidió recomendar el nombre lutecio, ya que casiopio se utilizaba entonces solo en alemán y, a veces, en neerlandés, y era un nombre difícil de adaptar a otros idiomas. No obstante, se aclaró que esto no pretendía ser una declaración de prioridad. La grafía lutecio de Urbain se cambió a lutecio , para derivar el nombre del latín Lutetia en lugar del francés Lutèce . [ 41 ] El metal lutecio puro se produjo por primera vez en 1953. [ 34 ]

Ocurrencia y producción

Monacita

Presente junto con casi todos los demás metales de tierras raras, pero nunca solo, el lutecio 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 O4 , que tiene concentraciones de solo 0,0001% del elemento, [ 24 ] 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. [ 42 ] 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. [ 34 ] El metal lutecio puro es muy difícil de preparar. Es uno de los metales de tierras raras más raros y caros, con un precio de alrededor de US$10 000 por kilogramo, o aproximadamente una cuarta parte deloro. [ 43 ] [ 44 ]

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 como hidróxido y se elimina. Después, 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 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 cúpricos presentes en la resina. Las sales de lutecio se lavan selectivamente con un agente complejante adecuado. El lutecio metálico se obtiene entonces mediante la reducción de LuCl3 o LuF3 anhidros por un metal alcalino o un metal alcalinotérreo . [ 23 ]

2 LuCl 3 + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl 2

El 177Lu se produce por activación neutrónica del 176Lu o indirectamente por activación neutrónica del 176Yb seguida de desintegración beta . Su vida media de 6,693 días permite su transporte desde el reactor de producción hasta el punto de uso sin una pérdida significativa de actividad. [ 45 ]

Aplicaciones

Existen pocos usos comerciales específicos para el lutecio natural, y todos ellos implican pequeñas cantidades.

Isótopos estables

El lutecio estable puede utilizarse como catalizador en el craqueo de petróleo en refinerías y también en aplicaciones de alquilación, hidrogenación y polimerización . [ 46 ]

El granate de aluminio y lutecio ( Al₅Lu₃O₁₂ ) se ha propuesto para su uso como material de lente en litografía de inmersión de alto índice de refracción . [ 47 ] Además , se añade una pequeña cantidad de lutecio como dopante al granate de galio y gadolinio , que se utilizó en dispositivos de memoria de burbujas magnéticas . [ 48 ] El oxiorthosilicato de lutecio dopado con cerio es actualmente el compuesto preferido para detectores en tomografía por emisión de positrones (PET). [ 49 ] [ 50 ] El granate de aluminio y lutecio (LuAG) se utiliza como fósforo en bombillas LED. [ 51 ] [ 52 ]

El tantalato de lutecio (LuTaO₄ ) es el material blanco estable más denso conocido (densidad 9,81  g/cm³ ) [ 53 ] y , por lo tanto, es un huésped ideal para fósforos de rayos X. [ 54 ] [ 55 ] El único material blanco más denso es el dióxido de torio , con una densidad de 10  g/cm³ , pero el torio que contiene es radiactivo.

El lutecio también es un componente de varios materiales centelleadores 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. [ 56 ]

Isótopos inestables

La vida media y el modo de desintegración adecuados hicieron que el lutecio-176 se utilizara como emisor beta puro, utilizando lutecio que ha sido expuesto a activación neutrónica , y en la datación lutecio-hafnio para datar meteoritos . [ 57 ]

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. [ 45 ] El isótopo sintético lutecio-177 unido a octreotato (un análogo de la somatostatina ) se utiliza experimentalmente en la terapia con radionúclidos dirigida para tumores neuroendocrinos . [ 58 ] El lutecio-177 se utiliza como radionúclido en la terapia de tumores neuroendocrinos y en el alivio del dolor óseo. [ 59 ] [ 60 ]

El lutecio ( 177Lu ) vipivotida tetraxetán es una terapia para el cáncer de próstata , aprobada por la FDA en 2022. [ 61 ]

Precauciones

Al igual que otros metales de tierras raras, el lutecio se considera de baja toxicidad, pero sus compuestos deben manipularse con precaución: por ejemplo, la inhalación de fluoruro de lutecio es peligrosa y el compuesto irrita la piel. [ 24 ] El nitrato de lutecio puede ser peligroso, ya que puede explotar y arder al calentarse. El óxido de lutecio en polvo también es tóxico si se inhala o ingiere. [ 24 ]

Al igual que otros metales de tierras raras, el lutecio no tiene una función biológica conocida, pero se encuentra incluso en humanos, concentrándose en los huesos y, en menor medida, en el hígado y los riñones. [ 34 ] Se sabe que las sales de lutecio se presentan junto con otras sales de lantánidos en la naturaleza; este elemento es el menos abundante en el cuerpo humano de todos los lantánidos. [ 34 ] No se ha monitoreado el contenido de lutecio en la dieta humana, por lo que se desconoce la cantidad que ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es de solo unos pocos microgramos por año, provenientes de pequeñas cantidades absorbidas por las plantas. Las sales de lutecio solubles son ligeramente tóxicas, pero las insolubles no lo son. [ 34 ]

Véase también

Referencias

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