Lutetium

Historia

Lutetium on saanut nimensä Pariisin muinaisen latinalaisen nimen Lutetia mukaan.
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. 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.
Ensimmäisen kerran puhdasta lutetiummetallia valmistettiin vasta vuonna 1953.
Lutetiumin inflaatiolla korjattu reaalinen hinta on pysynyt hieman yli 10 000 USD/kg tason suurimman osan ajasta 1950-luvun loppupuolelta aina vuoteen 1998 saakka.

Fysikaaliset ominaisuudet

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

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.
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.
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.

Esiintyminen ja tuotanto

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.
Lutetiumia esiintyy pääosin samoissa mineraaleissa kuin muitakin lantanoideja. Kaikissa mineraaleissa sen pitoisuudet ovat pieniä. Esimerkiksi monatsiitti sisältää lutetiumia vain 0,003 %.
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.
Mineraaleista lutetium erotetaan liuotinuutolla ja ioninvaihdolla. Metallista lutetiumia saadaan kuumentamalla lutetiumkloridia tai lutetiumfluoridia alkalimetallin tai maa-alkalimetallin, kuten kalsiumin kanssa.

Käyttö

Lutetiumilla on vain vähäistä käyttöä tieteellisen tutkimuksen ulkopuolella. Sitä on käytetty katalyyttinä öljyntuotannossa raakaöljyn krakkauksessa ja joissain alkyloinneissa ja polymeroinneissa. Sitä voidaan myös käyttää katalyyttinä joissain hydrogenointiprosesseissa, joissa vetyä lisätään kasviöljyyn kovetetun lopputuotteen aikaansaamiseksi.
Lutetiumin isotooppi ¹⁷⁷Lu säteilee korkeaenergisia beetahiukkasia. Sitä on tutkittu käytettäväksi sädehoidossa. 
Eräs lutetiumin teksafyriinikompleksi, moteksafiinilutetium, on kliinisissä kokeissa. Sitä tutkitaan käytettäväksi eturauhas- ja rintasyöpien, melanooman, silmänpohjan rappeuman ja sepelvaltimotaudin fotodynaamisissa hoidoissa. Se toimii herkistimenä, joka tuottaa soluille myrkyllisiä happiradikaaleja säteilytettäessä infrapunavalolla.
Lutetiumalumiinigranaattia (LuAG, Al₅Lu₃O₁₂) on tutkittu käytettäväksi korkean taitekertoimen linsseihin immersiolitografiassa, jota käytetään mikropiirien valmistamiseen. Lutetiumalumiinigranaattia on käytetty myös väriaineena joissain LED-valoissa ja optisena väliaineena lasereissa. Myös lutetiumoksisulfidia (Lu₂O₂S) on tutkittu lasereita varten.
Lutetiumia on käytetty douppausaineena gadoliniumgalliumgranaatissa (GGG, Gd₃Ga₅O₁₂), jota on joskus käytetty tietokoneteknologiassa, tarkemmin magneettisissa kuplamuisteissa.
Lutetiumtantalaatti (LuTaO₄) on tihein tunnettu väriltään valkoinen pysyvä materiaali (tiheys 9,81 g/cm³). Tämän takia sitä on suunniteltu käytettäväksi röntgensäteilyalueen fosforoivana aineena. 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. Lutetiumin myrkyllisyydestä ei ole kovin paljon tietoa, joten sen käsittelyyn on suositeltu varovaisuutta.
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.

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.
Lutetiumfluoridi ärsyttää ihoa ja on myrkyllistä hengitettynä.
Jauhemainen tai pölymäinen lutetiumoksidi voi olla myrkyllistä hengitettynä tai syötynä.
Lutetiumnitraatti muodostaa tulipalo- ja räjähdysvaaran sitä kuumennettaessa.