Luteci

El luteci és un element químic de nombre atòmic 71, el símbol químic del qual és Lu. Pertany al 6è període de la taula periòdica i és el darrer element de la sèrie dels lantanoides, i amb ells forma part del conjunt de les terres rares. Fou descobert el 1907 de forma independent per G. Urbain, C. Auer von Welsbach i C. James. S'empra com a fosforòfor en equips de raigs X. El radioisòtop luteci 177 s'empra en radioteràpia.

Luteci
71Lu
iterbi ← luteci → hafni Y ↑ Lu ↓ Lr Taula periòdica
Aspecte
Blanc platejat Luteci dendrític subliminat i un cub d'1 cm³ Línies espectrals del luteci
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Luteci, Lu, 71
Categoria d'elements	Lantànids (de vegades és considerat un metall de transició)
Grup, període, bloc	n/d, 6, d
Pes atòmic estàndard	174,9668(4)
Configuració electrònica	[Xe] 6s2 4f14 5d1 2, 8, 18, 32, 9, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	9,841 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	9,3 g·cm−3
Punt de fusió	1.925 K, 1.652 °C
Punt d'ebullició	3.675 K, 3.402 °C
Entalpia de fusió	ca. 22 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	414 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	26,86 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 1.906 2.103 2.346 (2.653) (3.072) (3.663)
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	3, 2, 1 (òxid bàsic feble)
Electronegativitat	1,27 (escala de Pauling)
Energies d'ionització	1a: 523,5 kJ·mol−1
	2a: 1.340 kJ·mol−1
	3a: 2.022,3 kJ·mol−1
Radi atòmic	174 pm
Radi covalent	187±8 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Ordenació magnètica	Paramagnètic[1]
Resistivitat elèctrica	(t, a,) (poli) 582 nΩ·m
Conductivitat tèrmica	16,4 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(t, a,) (poli) 9,9 µm/(m·K)
Mòdul d'elasticitat	68,6 GPa
Mòdul de cisallament	27,2 GPa
Mòdul de compressibilitat	47,6 GPa
Coeficient de Poisson	0,261
Duresa de Vickers	1.160 MPa
Duresa de Brinell	893 MPa
Nombre CAS	7439-94-3
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del luteci
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 173Lu sin 1,37 a ε 0,671 173Yb 174Lu sin 3,31 a ε 1,374 174Yb 175Lu 97,41% 175Lu és estable amb 104 neutrons 176Lu 2,59% 3,78×1010 a β− 1,193 176Hf

Història

• Descobridors del luteci.
• 
  Georges Urbain
• 
  Carl Auer von Welsbach
• 
  Charles James

L'inici de l'estudi de les anomenades terres rares s'inicià el 1787, quan el militar il·lustrat Carl Axel Arrhenius (1757-1824) trobà en una pedrera d'Ytterby (Suècia) un estrany mineral de color negre que l'anomenà «pedra pesada d'Ytterby» (gadolinita-(Y), ytterbita o yttrita). El químic suís Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) analitzà una mostra i arribà a la conclusió errònia que es tractava d'un nou metall desconegut amb impureses. Marignac no podia saber que en la seva composició es trobaven deu elements de les terres rares (escandi, itri, gadolini, terbi, disprosi, holmi, erbi, tuli i luteci), perquè els mitjans experimentals de la seva època no estaven prou desenvolupats. Però gràcies a les millores en els mètodes d'anàlisi espectral i en els processos electrolítics que es desenvoluparen a partir del 1860 es detectaren evidències de l'existència de tots ells, encara que hagueren de passar cent vint anys fins que el luteci es pogués identificar com un element nou.^[2]

El luteci fou descobert de forma independent el 1907 pel científic francès Georges Urbain (1872-1938),^[3] pel mineralogista austríac Carl Auer von Welsbach (1858-1929)^[4] i pel químic britànic establert als Estats Units Charles James (1880-1928).^[5] Independentment, detectaren el luteci com a impuresa de l'iterbi, que havia sigut considerat pel químic suís Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) i la majoria dels seus col·legues, un element químic pur.^[6]

La separació del luteci de l'iterbi de Marignac fou descrita per primera vegada per Urbain havent prevalgut el nom que aquest li donà al nou element descobert, del llatí Lutetia (primer nom de París). La prioritat del reconeixement com un nou element generà discussions entre ells, perquè s'acusaven mútuament de plagi.^[3][7][2] Urbain escollí el nom neoiterbi per anomenar l'element que quedava a l'iterbi després d'haver-li llevat el luteci.^[8] Welsbach havia optat per anomenar-los aldebarani a l'iterbi sense el luteci i cassiopei al luteci.^[9] El 1949 es decidí conservar el nom d'iterbi i anomenar al nou element luteci.^[10][2]

Estat natural i obtenció

Cristalls de prosxenkoïta-(Y).

El luteci és un element poc abundant a l'escorça terrestre, ocupa la posició 60 per ordre d'abundància dels elements químics, amb una concentració mitjana de 0,5 ppm. Tanmateix, és set vegades més abundant que l'argent.^[11] Es troba a la natura amb la majoria de la resta de lantanoides, però mai en solitari de forma nativa, i és el menys abundant de tots els elements presents en la naturalesa. La principal mena de luteci comercialment explotable és la monazita-(Ce) (Ce, La, etc.)PO₄ que conté un 0,003% de luteci. Els minerals que en contenen més del 2 % són la prosxenkoïta-(Y) 2,40 %, la gagarinita-(Ce)  2,20 % i la maoniupingita-(Ce) 2,11 %.^[12]

No s'aconseguí obtenir el metall pur fins a finals del segle xx, car és extremadament difícil de preparar. El procediment emprat és l'intercanvi iònic (reducció de clorur de luteci o fluorur de luteci anhidre amb metall alcalí o metall alcalinoterri. Anualment a tot el món se n'obtenen al voltant de 10 t en forma d'òxid de luteci.^[11]

Propietats

Propietats físiques

El luteci és un metall, sòlid a temperatura ambient, amb una densitat de 9,841 g/cm³ a 25 °C, un punt de fusió de 1 663 °C i un punt d'ebullició de 3 402 °C. Té lluïssor metàl·lica, de color blanc argentat.^[13] És paramagnètic des de −273 °C fins al seu punt de fusió, amb una susceptibilitat magnètica pràcticament independent de la temperatura des de −269 °C a 27 °C. A temperatures inferiors a 0,022 K (−273,128 °C) esdevé superconductor si la pressió supera els 45 kbars. La seva configuració electrònica és ${\displaystyle [Xe]4f^{14}5d^{1}6s^{2}}$, on destaca que té tots els orbitals ${\displaystyle 4f}$ completament ocupats. És monomòrfic amb una estructura cristal·lina hexagonal compacte.^[6]

Propietats químiques

Òxid de luteci(III) ${\displaystyle {\ce {Lu2O3}}}$.

El luteci presenta estats d'oxidació +2 i +3, essent aquest darrer el més habitual. És força electropositiu (electronegativitat de Pauling 1,27).^[2] S'oxida lentament exposat a l'aire i es crema fàcilment per formar l'òxid de luteci(III):^[14]

$${\displaystyle {\ce {4Lu + 3O2 -> 2Lu2O3}}}$$Reacciona lentament amb aigua freda i força ràpidament amb aigua calenta per formar hidròxid de luteci(III):^[14]

$${\displaystyle {\ce {2 Lu(s) + 6 H2O(l) -> 2 Lu(OH)3(aq) + 3 H2(g)}}}$$

Reacciona amb tots els halògens donant els corresponents halogenurs de luteci(3+):^[14]

Nitrat de luteci(III) ${\displaystyle {\ce {Lu(NO3)3}}}$.

$${\displaystyle {\ce {2 Lu (s) + 3 F2 (g) -> 2 LuF3 (s) [blanc]}}}$$$${\displaystyle {\ce {2 Lu (s) + 3 Cl2 (g) -> 2 LuCl3 (s) [blanc]}}}$$$${\displaystyle {\ce {2 Lu (s) + 3 Br2 (g) -> 2 LuBr3 (s) [blanc]}}}$$$${\displaystyle {\ce {2 Lu (s) + 3 I2 (g) -> 2 LuI3 (s) [marro]}}}$$Es dissol fàcilment en àcid sulfúric diluït per formar solucions que contenen els ions luteci(3+), que existeixen com a complexos ${\displaystyle {\ce {[Lu(OH2)9]^3+}}}$.^[14]

Altres composts de luteci(3+) són: el nitrat de luteci(III) ${\displaystyle {\ce {Lu(NO3)3}}}$, el sulfat de luteci(III) ${\displaystyle {\ce {Lu2(SO4)3}}}$, el sulfur de luteci(III) ${\displaystyle {\ce {Lu2S3}}}$, el tetraborur de luteci ${\displaystyle {\ce {LuB6}}}$, el nitrur de luteci ${\displaystyle {\ce {LuN}}}$ o el tel·lur de luteci ${\displaystyle {\ce {Lu2Te3}}}$.^[13]

Isòtops

El luteci té un isòtop estable, luteci 175, amb una abundància natural del 97,41 %. L'altre isòtop natural és el luteci 176 (2,59 %), que té un període de semidesintegració de 3,76 × 10¹⁰ anys, superior a l'edat de l'univers que és 1,38 × 10¹⁰ anys i, per tant, se'l pot considerar pràcticament estable. S'han identificat altres 32 radioisòtops, sent els més estables el luteci 174 amb 3,31 anys de període de semidesintegració i el luteci 173 amb un període de semidesintegració d'1,37 anys. La resta d'isòtops radioactius tenen semivides inferiors a nou dies i la majoria de menys de mitja hora.^[15]

El principal mecanisme de desintegració dels isòtops més lleugers que l'estable és la captura electrònica (amb alguns casos de desintegració α) resultant-ne isòtops d'iterbi. Els isòtops més pesants que l'estable es desintegren per mitjà d'emissió beta donant com a resultat isòtops d'hafni.^[15] Per exemple:

$${\displaystyle {\ce {^184_71Lu -> ^184_72Hf + ^0_{-1}e}}}$$

Aplicacions

Indústria electrònica

Pantalles OLED corbades.

El luteci s'ha utilitzat com a dopant en el granat de gal·li i gadolini (GGG) per a fabricar els dispositius magnètics de les memòries d'ordinadors anomenades memòries de bombolla. Actualment, es fa servir en l'obtenció de LED orgànics (OLED) (díodes amb una capa de components orgànics que reaccionen i produeixen llum gràcies a una estimulació elèctrica), que ja s'usen en pantalles de telèfons mòbils i tauletes.^[16]

Indústria química

El luteci és fet servir com a catalitzador en la indústria del petroli en el procés de craqueig; en la hidrogenació (afegir una o més molècules d'hidrogen a un compost) i en processos de polimerització (obtenir un polímer mitjançant l'encadenament de monòmers base).^[16]

Medicina

El radiofàrmac edotreotida de luteci 177.

El tantalat de luteci ${\displaystyle {\ce {LuTaO4}}}$és el material blanc més dens (9,81 g/cm³) que es coneix. S'utilitza com a material fosforescent (fosforòfor) per als equips de raigs X i les làmpades de descàrrega d'alta intensitat. Els ortosilicats ${\displaystyle {\ce {Lu4Si3O12}}}$, ${\displaystyle {\ce {Lu2SiO5}}}$, ${\displaystyle {\ce {Lu_{2(1-x)}Y_{2x}SiO5}}}$ són emprats en medicina nuclear en els detectors de tomografia per emissió de positrons (PET), mitjançant el qual s'obté una imatge del cos humà on, en 20 minuts, apareixen diferenciades les zones sanes de les alterades, com a sensor dels fotons emesos pels protons del radioisòtop injectat al pacient.^[16] L'isòtop emprat és el luteci 176 que és natural.^[17][18]

El radioisòtop luteci 177 és un emissor beta d'energia mitjana amb una semivida de 6,7 dies i una energia màxima de 0,5 MeV (penetració màxima de teixits tous de 2 mm) que s'empra en radioteràpia administrat mitjançant radiofàrmacs.^[19] La desintegració és:

$${\displaystyle {\ce {^177_71Lu -> ^177_72Hf + ^0_{-1}e}}}$$

Precaucions

Igual que amb la resta de terres rares, se suposa que el metall té una baixa toxicitat, no obstant tant el luteci com, especialment, els seus compostos han de manipular-se amb la màxima precaució. Encara que no exerceix cap rol biològic en el cos humà, es creu que estimula el metabolisme.^[13]

Referències

1. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, a Handbook of Chemistry and Physics. CRC press, 2000. ISBN 0849304814.
2. Pellón González, I. «Z = 71, lutecio, Lu. Un elemento muy escondido». An. Quím., 115, 2, 2019, pàg. 133. Arxivat de l'original el 2020-02-06 [Consulta: 6 febrer 2020].
3. Urbain, G «Un nouvel élément: le lutécium, résultant du dédoublement de l’ytterbium de Marignac». Compt. Rend. Hebd. Séances Acad. Sci., 145, 1907, pàg. 759–762.
4. v. Welsbach, C. Auer «Über die Elemente der Yttergruppe: I. Teil» (en alemany). Monatshefte für Chemie und verwandte Teile anderer Wissenschaften, 27, 8, 8-1906, pàg. 935–945. DOI: 10.1007/BF01525136. ISSN: 0343-7329.
5. James, C. «A NEW METHOD FOR THE SEPARATION OF THE YTTRIUM EARTHS.» (en anglès). Journal of the American Chemical Society, 29, 4, 4-1907, pàg. 495–499. DOI: 10.1021/ja01958a010. ISSN: 0002-7863.
6. «Lutetium | chemical element» (en anglès). Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, inc., 16-04-2019. [Consulta: 29 gener 2020].
7. Auer v. Welsbach, C. «Die Zerlegung des Ytterbiums in seine Elemente» (en alemany). Monatshefte für Chemie, 29, 2, 2-1908, pàg. 181–225. DOI: 10.1007/BF01558944. ISSN: 0026-9247.
8. Urbain, G. «Lutetium und Neoytterbium oder Cassiopeium und Aldebaranium: Erwiderung auf den Artikel des Herrn Auer v. Welsbach («Zur Zerlegung des Ytterbiums». Monatshefte für Chemie, XXX, p. 695; Vorgelegt in der Sitzung am 14. Oktober 1909)» (en alemany). Monatshefte für Chemie, 31, 10, 10-1910, pàg. I–VI. DOI: 10.1007/BF01530262. ISSN: 0026-9247.
9. Welsbach, C. Auer v. «Zur Zerlegung des Ytterbiums» (en alemany). Monatshefte für Chemie, 30, 9, 9-1909, pàg. 695–700. DOI: 10.1007/BF01517618. ISSN: 0026-9247.
10. «Periodic Table of Elements: Los Alamos National Laboratory». [Consulta: 29 gener 2020].
11. Emsley, John.. Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5.
12. Barthelmy, David. «Mineral Species sorted by the element Lu Lutetium». Mineralogy Database, 1997-2014. [Consulta: 29 gener 2020].
13. William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 94a edició. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2016. ISBN 978-1-4665-7114-3.
14. Winter, Mark. «Lutetium. Reactions of elements». Webelements. The University of Sheffield and WebElements Ltd., 1993-2023. [Consulta: 29 gener 2020].
15. «Z = 71». NuDat 3.0. National Nuclear Data Center (NNDC) at Brookhaven National Laboratory. [Consulta: 21 març 2023].^{[Enllaç no actiu]}
16. Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals: aplicacions i reciclatge. 3a. [Manresa]: Iniciativa Digital Politècnica, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3.
17. Omidvari, Negar; Cheng, Li; Leung, Edwin K.; Abdelhafez, Yasser G.; Badawi, Ramsey D. «Lutetium background radiation in total-body PET—A simulation study on opportunities and challenges in PET attenuation correction». Frontiers in Nuclear Medicine, 2, 10-08-2022, pàg. 963067. DOI: 10.3389/fnume.2022.963067. ISSN: 2673-8880. PMC: PMC9513593. PMID: 36172601.
18. Conti, Maurizio; Eriksson, Lars; Rothfuss, Harold; Sjoeholm, Therese; Townsend, David «Characterization of 176 Lu background in LSO-based PET scanners». Physics in Medicine and Biology, 62, 9, 07-05-2017, pàg. 3700–3711. DOI: 10.1088/1361-6560/aa68ca. ISSN: 0031-9155.
19. Wu, Tsai-Jung; Chiu, Hsiao-Yu; Yu, John; Cautela, Mafalda P.; Sarmento, Bruno Nanotechnologies for early diagnosis, in situ disease monitoring, and prevention. Elsevier, 2018, p. 1–92. ISBN 978-0-323-48063-5.

Enllaços externs

• Sistema periòdic, per Antonio Jiménez Arxivat 2003-12-07 a Wayback Machine. (castellà).

En altres projectes de Wikimedia:
Commons	Commons (Galeria)
Commons	Commons (Categoria)

Viccionari