Lutetium

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.

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

Lutetiumia on hyvin kallista tuottaa suuria määriä, ja siksi sen kaupallinen käyttö on vähäistä. 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.

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 () 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.

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

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

Lutetiummetalli on sangen elektropositiivista ja reagoi hitaasti kylmän ja nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen lutetiumhydroksidia Lu(OH)3 ja vetykaasua:
2 Lu + 6 H2O → 2 Lu(OH)3 + 3 H2

Lutetium muodostaa yhdisteitä kaikkien halogeenien kanssa:
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 

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.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

Periodictable: Technical data for Lutetium  

PubChem: Lutetium 
Webmineral: Mineral Species containing Lutetium (Lu) 
Mindat: The Mineralogy of Lutetium 

Alkuaineet
Metallit
54 Kemia