Lutecio

El lutecio es un elemento químico con el 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 cuenta entre las tierras raras. El lutecio generalmente se considera el primer elemento de los metales de transición del sexto período por parte de quienes estudian el tema, aunque ha habido cierta controversia sobre este punto.

El lutecio fue descubierto de forma independiente en 1907 por el científico francés Georges Urbain, el mineralogista austriaco Baron Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James. Todos estos investigadores encontraron lutecio como una impureza en el mineral iterbio, que anteriormente se pensaba que consistía enteramente en 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 del nombramiento 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.

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 38 000 millones de años, que se utiliza para determinar la edad de minerales y meteoritos. El lutecio generalmente ocurre en asociación con el elemento itrio y, a veces, se usa en aleaciones metálicas y como catalizador en varias reacciones químicas. Lu-DOTA-TATE se utiliza para la terapia con radionucleidos (ver Medicina nuclear) en tumores neuroendocrinos. El lutecio tiene la dureza Brinell más alta de todos los lantánidos, entre 890 y 1300 MPa.

Características

Propiedades físicas

Un átomo de lutecio tiene 71 electrones, dispuestos en la configuración [Xe] 4f 5d 6s. Al entrar en una reacción química, el átomo pierde sus dos electrones 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 y, como resultado, el lutecio tiene la mayor densidad, punto de fusión y dureza de los lantánidos.

Propiedades químicas y compuestos.

Los compuestos de lutecio contienen siempre el elemento en el estado de oxidación +3. 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. 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.

El lutecio metálico es ligeramente inestable en el aire en condiciones estándar, pero se quema rápidamente 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 los vapores de estos compuestos de atmósferas cerradas. Se hacen observaciones similares durante la reacción entre el lutecio y el agua (lenta cuando está fría y rápida cuando está caliente); hidróxido de lutecio se forma en la reacción. Se sabe que el lutecio metálico reacciona con los cuatro halógenos más ligeros para formar trihaluros; todos ellos (excepto el fluoruro) son solubles en agua.

El lutecio se disuelve fácilmente en ácidos débiles y ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones incoloros de lutecio, que están coordinados por entre siete y nueve moléculas de agua, siendo el promedio [Lu(H ₂ O) _8,2 ].2 Lu + 3 H ₂ SO ₄ → 2 Lu + 3 SO2−4+ 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, solo el primero es estable, lo que hace que el elemento sea monoisotópico. El último, el lutecio-176, se desintegra mediante desintegración beta con una vida media de 3,78 × 10 años; constituye alrededor del 2,5% del lutecio natural. Hasta la fecha, se han caracterizado 34 radioisótopos sintéticos del elemento, con un número de masa de 149 a 184; 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 isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 9 días, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a media hora.Los isótopos más livianos que el lutecio-175 estable se descomponen mediante la captura de electrones (para producir isótopos de iterbio), con algo de emisión alfa y de positrones; los isótopos más pesados ​​se desintegran principalmente a través de la desintegración beta, produciendo isótopos de hafnio.

El elemento también tiene 43 isómeros nucleares, 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; estos son más largos que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos de lutecio radiactivo excepto el lutecio-173, 174 y 176.

Historia

El lutecio, derivado del latín Lutetia (París), fue descubierto de forma independiente en 1907 por el científico francés Georges Urbain, el mineralogista austriaco Baron Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James. Lo encontraron como una impureza en el iterbio, que el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac pensó que consistía enteramente en iterbio. Los científicos propusieron diferentes nombres para los elementos: Urbain eligió neoytterbium y lutecium, mientras que Welsbach eligió aldebaranium y cassiopeium (después de Aldebaran y Cassiopeia). Ambos artículos acusaron al otro hombre de publicar resultados basados ​​en los del autor.

La Comisión Internacional de Pesos Atómicos, que entonces era responsable de la atribución de los nuevos nombres de elementos, resolvió la disputa en 1909 al otorgar prioridad a Urbain y adoptar sus nombres como nombres oficiales, basándose en el hecho de que la separación del lutecio del iterbio de Marignac fue descrito por primera vez por Urbain; después de que se reconocieron los nombres de Urbain, el neoytterbium se revirtió a iterbium. Hasta la década de 1950, algunos químicos de habla alemana llamaron al lutecio con 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 1907 de Welsbach habían sido puras, mientras que las muestras de 1907 de Urbain solo contenían trazas de lutecio.Esto más tarde indujo a Urbain a pensar erróneamente que había descubierto el elemento 72, al que llamó celtium, que en realidad era lutecio muy puro. El posterior descrédito del trabajo de Urbain sobre el elemento 72 condujo a una reevaluación del trabajo de Welsbach sobre el elemento 71, por lo que el elemento pasó a llamarse cassiopeium en los países de habla alemana durante algún tiempo. Charles James, que se mantuvo al margen del argumento de la prioridad, trabajaba a una escala mucho mayor y poseía el mayor suministro de lutecio en ese momento. El lutecio metálico puro se produjo por primera vez en 1953.

Ocurrencia y producción

Se encuentra 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 un subproducto del procesamiento del mineral de fosfato de tierras raras monacita (Ce,La,...)PO₄, que tiene concentraciones de solo 0,0001% del elemento, no mucho más altas que la abundancia de lutecio en la corteza terrestre de alrededor de 0,5 mg/kg. Actualmente no se conocen minerales dominantes de lutecio. 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. 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 unos 10.000 dólares estadounidenses por kilogramo, o aproximadamente una cuarta parte del precio del oro.

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 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 principales componentes, 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 por cristalización. El lutecio se separa por intercambio iónico. En este proceso, los iones de tierras raras se absorben en una resina de intercambio iónico adecuada mediante el intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. A continuación, las sales de lutecio se eliminan selectivamente por lavado con un agente complejante adecuado. Luego se obtiene lutecio metálico por reducción de LuCl3 o LuF3 anhidro _por un _metal alcalino o un metal alcalinotérreo.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 usar como catalizador en el craqueo de petróleo en refinerías y también se puede usar en aplicaciones de alquilación, hidrogenación y polimerización.

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

Además 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 usara como un emisor beta puro, usando lutecio que ha sido expuesto a la activación de neutrones y en meteoritos de datación con lutecio-hafnio. El isótopo sintético lutecio-177 unido al octreotato (un análogo de la somatostatina) se utiliza experimentalmente en la terapia con radionúclidos dirigidos a los tumores neuroendocrinos. De hecho, el lutecio-177 se está utilizando cada vez más como radionúclido en la terapia de tumores neuroendrocínicos y en la paliación del dolor óseo. Las investigaciones indican que los relojes atómicos de iones de lutecio podrían proporcionar una mayor precisión que cualquier reloj atómico existente.

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

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. 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 se ingiere.

Al igual que los 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. 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. Las dietas humanas no han sido monitoreadas para determinar el contenido de lutecio, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es solo de varios microgramos por año, todos provenientes de pequeñas cantidades tomadas por las plantas. Las sales de lutecio solubles son levemente tóxicas, pero las insolubles no lo son.