Lutetium

Lutetium (lat. lutetium) on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Lu ja järjestysluku 71. Lutetium on lantanoidien sarjan viimeinen alkuaine ja se kuuluu harvinaisiin maametalleihin. Se on eräs harvinaisimmista lantanoideista ja se esiintyy tavallisesti yttriumin kanssa. Sitä käytetään joskus metalliseoksissa, iänmäärityksessä ja katalyyttinä.[3][4][5][6]

ytterbium ← lutetium → hafnium
Y
↑
Lu
↓
Lr  
 
 


Yleistä
Nimilutetium
TunnusLu
Järjestysluku71
Luokkalantanoidi
Lohkof-lohko
Ryhmä-
Jakso6
Tiheys9,841 · 103 kg/m3
Kovuus2,6 (Mohsin asteikko)
Värihopeisen valkea
Löytövuosi, löytäjä1907, Georges Urbain ja Carl Auer von Welsbach
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)174,9668(1)[1]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)175 (217) pm
Kovalenttisäde187±8 pm pm
Orbitaalirakenne[Xe] 4f145d16s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 9, 2
Hapetusluvut+III
Kiderakenneheksagonaalinen tiivispakkaus (hcp)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuotokiinteä
Sulamispiste1 936 K (1 663[2] °C)
Kiehumispiste3 675 K (3 402[2] °C)
Höyrystymislämpö414[2] kJ/mol
Sulamislämpönoin 22 kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus1,27 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti0,154 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus1,8×106 S/m
Lämmönjohtavuus16,4 W/(m·K)
CAS-numero7439-94-3
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Lutetiumia

Lutetium on hopeanvalkoinen korroosiota kestävä kolmiarvoinen metalli, joka on suhteellisen vakaa ilmassa ja on harvinaisista maametalleista raskain ja kovin.[7] Joskus lutetium luokitellaan ryhmän 3 siirtymäalkuaineeksi.[8]

Lutetiumia on hyvin kallista tuottaa suuria määriä, ja siksi sen kaupallinen käyttö on vähäistä.[7] Sitä tuotetaan vuosittain vain noin 10 tonnia ja se on harvinaisista maametalleista kalleinta: puhtaan (99,9 %) lutetiumin hinta vuonna 2016 oli noin 100 USD/g, mikä tekee siitä kalliimpaa kuin paremmin tunnetut arvometallit kulta, hopea tai platina.[6][9]

Historia
Carl Auer von Welsbach

Lutetium on saanut nimensä Pariisin muinaisen latinalaisen nimen Lutetia mukaan.[9]

Lutetiumin löysivät vuonna 1907 toisistaan riippumattomasti ranskalainen Pariisin Sorbonnen yliopiston kemisti Georges Urbain, itävaltalainen mineralogi, paroni Carl Auer von Welsbach ja yhdysvaltalainen kemisti Charles James. Urbain kutsui aluksi ainetta nimellä lutecium, mutta se muutettiin vuonna 1949 lutetiumiksi[10]. Auer eristi lutetiumia yttriumoksidista ja kutsui sitä nimellä cassiopeium Kassiopeia-tähtikuvion (lat. Cassiopeia) mukaan. New Hampshiren yliopistossa toimiva Charles James oli samoihin aikoihin tuottanut jo suuria määriä lutetiumia, mutta koska hän oli varovainen tulostensa julkaisemisen kanssa, alkuaineen löytämisen kunnia meni Urbainille ja Auerille.[11][12][13]

Ensimmäisen kerran puhdasta lutetiummetallia valmistettiin vasta vuonna 1953.[11]

Lutetiumin inflaatiolla korjattu reaalinen hinta on pysynyt hieman yli 10 000 USD/kg tason suurimman osan ajasta 1950-luvun loppupuolelta aina vuoteen 1998 saakka.[14]

Fysikaaliset ominaisuudet
Lutetiumin kidehilan rakenne

Puhtaana metallina lutetium on hopeanvalkoista ja suhteellisen pysyvää ilmassa. Lutetium on paramagneettista kaikissa lämpötiloissa aina sulamispisteeseensä 1 936 K (1 663 °C) asti. Siitä tulee suprajohtavaa 0,022 K (−273,128 °C) lämpötilassa ja yli 4,5 GPa paineessa.[3]

Lutetiumilla on vain yksi allotrooppinen muoto, jonka kiderakenne on heksagonaalinen tiivispakkaus. Hilavakiot ovat a = 350,52 pm ja c = 554,94 pm huoneenlämpötilassa.[3]

Isotoopit

Luonnon lutetium koostuu kahdesta isotoopista: pysyvästä 175Lu (97,4 %) ja radioaktiivisesta 176Lu (2,6 %, puoliintumisaika 3,76×1010 vuotta). Tätä radioaktiivista isotooppia voidaan käyttää meteoriittien iän määritykseen. Se on heikko beetasäteilijä[8].

Yhteensä lutetiumille tunnetaan 34 radioaktiivista isotooppia, pois lukien ydinisomeerit. Niiden massaluvut vaihtelevat välillä 150–184. Näistä isotoopeista pysyvin on edellä mainittu 176Lu, sen jälkeen seuraavat 174Lu puoliintumisajalla 3,31 vuotta ja 173Lu puoliintumisajalla 1,37 vuotta. Kaikkien muiden radioisotooppien puoliintumisajat jäävät alle yhdeksän päivän, useimpien alle muutaman tunnin. Lutetiumin isotoopit, joiden massaluku on pienempi kuin pysyvän isotoopin massaluku 175 hajoavat pääasiassa β+-hajoamisella, mutta joukossa on myös elektroninsieppauksella hajoavia nuklideja. Raskaammat isotoopit hajoavat pääasiassa β--hajoamisella hafniumin isotoopeiksi.[15]

Lutetiumilla on runsaasti ydinisomeereja ja niistä pitkäikäisimmät ovat 177mLu (puoliintumisaika 160,44 päivää), 174mLu (142 päivää) ja 176mLu (3,664 tuntia). Kaikkien muiden tunnettujen ydinisomeerien puoliintumisajat jäävät alle puoleen tuntiin.[15]

Kemialliset ominaisuudet

Lutetium esiintyy yhdisteissään aina hapetusluvulla +3. Useimpien lutetiumsuolojen vesiliuokset ovat värittömiä ja suolat muodostavat valkeita kiteitä kuivuessaan, poikkeuksena ruskea lutetiumjodidi LuI3[16]. Lutetium liukenee helposti laimeisiinkin happoihin. Vetyfluoridin vesiliuoksiin se kuitenkin on liukenematonta, koska metallin pinnalle muodostuu liukenematon suojaava lutetiumfluoridin LuF3 kerros.[3] Veteen liukenevat suolat, kuten lutetiumnitraatti, -sulfaatti ja -asetaatti muodostavat kidevedellisiä hydraatteja kiteytyessään.[17] Lutetiumoksidi, -hydroksidi, -fluoridi, -karbonaatti, -fosfaatti ja -oksalaatti eivät liukene veteen.[17]

Lutetiumoksidi Lu2O3 on tärkein alkuaineen yhdiste. Lutetiummetalli tummuu hitaasti ilmassa lutetiumoksidiksi.[18]

Lutetiummetalli on sangen elektropositiivista ja reagoi hitaasti kylmän ja nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen lutetiumhydroksidia Lu(OH)3 ja vetykaasua:[18]

2 Lu + 6 H2O → 2 Lu(OH)3 + 3 H2

Lutetium muodostaa yhdisteitä kaikkien halogeenien kanssa:[18]

2 Lu (s) + 3 F2 (g) → 2 LuF3 (s) (valkoinen suola)
2 Lu (s) + 3 Cl2 (g) → 2 LuCl3 (s) (valkoinen)
2 Lu (s) + 3 Br2 (g) → 2 LuBr3 (s) (valkoinen)
2 Lu (s) + 3 I2 (g) → 2 LuI3 (s) (ruskea)

Esiintyminen ja tuotanto
Monatsiitti sisältää pieniä määriä lutetiumia

Lutetiumia on maankuoressa vain 0,5 miljoonasosaa, maaperän pinta-aineksissa 0,3 miljoonasosaa. Merivedessä lutetiumia on 0,3 biljoonasosaa. Vaikka lutetium on harvinainen alkuaine, se on kuitenkin yleisempää kuin hopea.[8]

Lutetiumia esiintyy pääosin samoissa mineraaleissa kuin muitakin lantanoideja. Kaikissa mineraaleissa sen pitoisuudet ovat pieniä. Esimerkiksi monatsiitti sisältää lutetiumia vain 0,003 %.[11]

Lutetiumin arvioidut maailmanlaajuiset varannot ovat 200 000 tonnia. Sen vuotuinen tuotanto on 10 tonnia lutetiumoksidin muodossa. Tärkeimmät tuotantoalueet ovat Kiina, Yhdysvallat, Brasilia, Intia, Sri Lanka ja Australia.[11]

Mineraaleista lutetium erotetaan liuotinuutolla ja ioninvaihdolla.[3][19] Metallista lutetiumia saadaan kuumentamalla lutetiumkloridia tai lutetiumfluoridia alkalimetallin tai maa-alkalimetallin, kuten kalsiumin kanssa.[11][9]

Käyttö

Lutetiumilla on vain vähäistä käyttöä tieteellisen tutkimuksen ulkopuolella.[11] Sitä on käytetty katalyyttinä öljyntuotannossa raakaöljyn krakkauksessa[20] ja joissain alkyloinneissa ja polymeroinneissa.[9] Sitä voidaan myös käyttää katalyyttinä joissain hydrogenointiprosesseissa, joissa vetyä lisätään kasviöljyyn kovetetun lopputuotteen aikaansaamiseksi.[20]

Lutetiumin isotooppi 177Lu säteilee korkeaenergisia beetahiukkasia. Sitä on tutkittu käytettäväksi sädehoidossa.[4]

Eräs lutetiumin teksafyriinikompleksi, moteksafiinilutetium, on kliinisissä kokeissa. Sitä tutkitaan käytettäväksi eturauhas- ja rintasyöpien, melanooman, silmänpohjan rappeuman ja sepelvaltimotaudin fotodynaamisissa hoidoissa.[21] Se toimii herkistimenä, joka tuottaa soluille myrkyllisiä happiradikaaleja säteilytettäessä infrapunavalolla.[22].

Lutetiumalumiinigranaattia (LuAG, Al5Lu3O12) on tutkittu käytettäväksi korkean taitekertoimen linsseihin immersiolitografiassa,[23] jota käytetään mikropiirien valmistamiseen.[24] Lutetiumalumiinigranaattia on käytetty myös väriaineena joissain LED-valoissa ja optisena väliaineena lasereissa. Myös lutetiumoksisulfidia (Lu2O2S) on tutkittu lasereita varten.[25]

Lutetiumia on käytetty douppausaineena gadoliniumgalliumgranaatissa (GGG, Gd3Ga5O12), jota on joskus käytetty tietokoneteknologiassa, tarkemmin magneettisissa kuplamuisteissa.[11][26]

Lutetiumtantalaatti (LuTaO4) on tihein tunnettu väriltään valkoinen pysyvä materiaali (tiheys 9,81 g/cm3)[27]. Tämän takia sitä on suunniteltu käytettäväksi röntgensäteilyalueen fosforoivana aineena.[28][29] Ainoa vielä tiheämpi valkoinen aine on toriumdioksidi (tiheys 10,0 g/cm3), mutta se on radioaktiivista, mikä vaikeuttaa sen käyttöä tekniikassa.

Biologinen rooli ja käyttöturvallisuus

Lutetiumilla ei ole minkäänlaista biologista roolia eikä se ole kovin myrkyllistä ihmiselle. Sen joidenkin suolojen on tosin todettu kiihdyttävän aineenvaihduntaa. Veteen liukenevat suolat voivat olla lievästi myrkyllisiä suurina annoksina, mutta liukenemattomat eivät ollenkaan.[4] Lutetiumin myrkyllisyydestä ei ole kovin paljon tietoa, joten sen käsittelyyn on suositeltu varovaisuutta.[9]

Lutetiumin yhdisteiden kokonaismääriä ihmiskehossa ei tiedetä tarkalleen, mutta ne ovat hyvin pieniä. Kasvien juuret eivät ota lutetiumia maaperästä juuri lainkaan, joten se ei pääse rikastumaan ravintoketjussa. Eräiden vihannesten lutetiumpitoisuuksiksi on mitattu 10 biljoonasosaa kuivapainosta. Ihmisen ravinnosta saamat määrät ovat todennäköisesti mikrogrammoja vuodessa.[4]

Lutetiumyhdisteiden myrkyllisyys ja käyttöturvallisuus

Lutetiumkloridin akuutiksi myrkyllisyydeksi rotilla on saatu LD50-arvo 315 mg/kg vatsaontelonsisäisesti (intraperitoneaalisesti) ja 7 100 mg/kg suun kautta annosteltuna.[30]

Lutetiumfluoridi ärsyttää ihoa ja on myrkyllistä hengitettynä.[20]

Jauhemainen tai pölymäinen lutetiumoksidi voi olla myrkyllistä hengitettynä tai syötynä.[20]

Lutetiumnitraatti muodostaa tulipalo- ja räjähdysvaaran sitä kuumennettaessa.[20]

Lähteet
  • Emsley, John: Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, s. 240–242. Oxford University Press, 2001. ISBN 0198503407. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  • Krebs, Robert E: The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide, s. 302–304. Greenwood Publishing Group, 2006. ISBN 978-0-313-33438-2. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  • Greenwood, N. N. & Earnshaw, A.: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)

Viitteet
  1. Meija, Juris et al.: Atomic Weights of the Elements 2013 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2016, 88. vsk, nro 3, s. 273. IUPAC. Artikkelin verkkoversio (pdf). Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  2. Greenwood & Earnshaw s. 1233 Viite Googlen teoshaussa
  3. Lutetium Encyclopædia Britannica Online. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  4. Emsley s. 240
  5. Krebs s. 302
  6. Hamilo, Marko: Pariisin nimikkoaine on metalleista kallein Helsingin Sanomat. 14.3.2006. Arkistoitu . Viitattu 8.7.2010.
  7. Karamäki, E. M.: Epäorgaaniset kemikaalit, s. 98. Kustannusliike Tietoteos, 1983. ISBN 951-9035-61-3.
  8. Emsley s. 242
  9. Haynes, William M. (toim.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, s. 4–21. 97. painos. CRC Press, 2016. ISBN 9781439814628. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 4.4.2018). (englanniksi)
  10. Greenwood & Earnshaw s. 1229 Viite Googlen teoshaussa
  11. Emsley s. 241
  12. Separation of Rare Earth Elements by Charles James 29.10.1999. American Chemical Society. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  13. Marion James: UNH Magazine – The Life and Work of Charles James syksy 2010. UNH Magazine. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  14. Hedrick, James B: Metal Prices in the United States through 1998: Rare-Earths (pdf) USGS. Viitattu 2.4.2018. (englanniksi)
  15. Audi, G. et al.: The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C, 2017, 41. vsk, nro 3, s. 030001-1-030001-138. IOP Publishing. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001. Artikkelin verkkoversio (pdf). Viitattu 20.4.2018. (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
  16. Greenwood & Earnshaw s. 1241 Viite Googlen teoshaussa
  17. Ganjali, Mohammad Reza; Gupta, Vinod Kumar; Faridbod, Farnoush & Norouzi, Parviz: Lanthanides Series Determination by Various Analytical Methods. Elsevier, 2016. ISBN 978012420095. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  18. WebElements: Lutetium: reactions of elements webelements.com. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  19. Ian McGill: Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 29.1.2018
  20. Krebs s. 304
  21. Dabrowiak, James C.: Metals in Medicine, s. 283. John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1119191308. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  22. Zhiping Chen, Kathryn W. Woodburn, Can Shi, Daniel C. Adelman, Campbell Rogers, Daniel I. Simon: Photodynamic Therapy With Motexafin Lutetium Induces Redox-Sensitive Apoptosis of Vascular Cells. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology, 2001, 21. vsk, nro 5, s. 759–764. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 4.4.2018. (englanniksi)
  23. Wei, Yayi & Brainard, Robert L.: Advanced Processes for 193-NM Immersion Lithography, s. 12. SPIE Press, 2009. ISBN 0-8194-7557-2. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  24. Ojanperä, Veijo: Immersio mahdollistaa 45 nanometriä Tivi. 28.9.2005. Alma Media Oyj. Viitattu 10.4.2018.
  25. Koechner, Walter: Solid-state laser engineering, s. 43. Springer, 2006. ISBN 0-387-29094-X. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  26. Nielsen, J.W.; Blank, S.L.; Smith, D.H.; Vella-Coleiro, G.P.; Hagedorn, F.B.; Barns, R.L. & Biolsi, W.A.: Three garnet compositions for bubble domain memories. Journal of Electronic Materials, 1974, 3. vsk, nro 3, s. 693–707. Springer. doi:10.1007/BF02655293. Bibcode:1974JEMat...3..693N. (englanniksi)
  27. Blasse, G.; Dirksen, G.J.; Brixner, L.H. & Crawford, M.K.: Luminescence of materials based on LuTaO4. Journal of Alloys and Compounds, 1994, 209. vsk, nro 1–2, s. 1–6. Elsevier. doi:10.1016/0925-8388(94)91069-3. (englanniksi)
  28. Shionoya, Shigeo & Yen, William M.: Phosphor Handbook, s. 846. CRC Press, 1998. ISBN 0-8493-7560-6. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  29. Gupta, Chiranjib Kumar & Krishnamurthy, Nagaiyar: Extractive Metallurgy of Rare Earths, s. 31. CRC Press, 2004. ISBN 0-415-33340-7. archive.org: verkkoversio (viitattu 30.1.2018). (englanniksi)
  30. Haley, Thomas J.; Komesu, N.; Efros, M.; Koste L. & Upham, H.C.: Pharmacology and Toxicology of Lutetium Chloride. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1964, 53. vsk, nro 10, s. 1186–1188. Elsevier. doi:10.1002/jps.2600531011. (englanniksi)

    Aiheesta muualla
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.