Кіріспе

Лутеций – химиялық элемент, символы Lu, атомдық нөмірі 71. Ол күміс-ақ түсті металл, құрғақ ауада коррозияға төзімді, бірақ ылғалды ауада – жоқ. Лутеций лантаноидтар қатарындағы соңғы элемент, дәстүрлі түрде сирек кездесетін жер элементтеріне жатады; сонымен қатар, оны 6-шы кезеңдің ауыспалы металдарының бірінші элементі деп санауға болады. Лутецийді 1907 жылы француз ғалымы Жорж Урбен, австриялық минералог Карл Ауер фон Велсбах және американдық химик Чарльз Джеймс тәуелсіз түрде ашты. Бұл зерттеушілердің барлығы лютецийді иттербия минералындағы қоспа ретінде тапты, бұрын ол тек иттербийден тұрады деп есептелген. Ашылу басымдығы үшін дау көп ұзамай туды, Урбен мен Велсбах бір-бірін екіншісінің жарияланған зерттеулерінің нәтижесінде нәтижелерді жариялаған деп айыптады; атау құрметі Урбенге тиді, өйткені ол өз нәтижелерін ертерек жариялаған. Ол жаңа элемент үшін лютеций деген атты таңдады, бірақ 1949 жылы оның жазылуы лютеций деп өзгертілді. 1909 жылы басымдық ресми түрде Урбенге берілді және оның аты қабылданды; алайда, Велсбах ұсынған 71-ші элемент үшін кассиопей (немесе кейінірек кассиопий) деген атау 1950-ші жылдарға дейін көптеген неміс ғалымдары қолданды. Лутеций аса көп таралған элемент емес, бірақ ол Жер қыртысында күмістен әлдеқайда көп кездеседі. Оның арнайы қолданылуы шектеулі. Лутеций-176 – салыстырмалы түрде көп таралған (2,5%) радиоактивті изотоп, жартылай ыдырау периоды шамамен 38 миллиард жыл, ол минералдар мен метеориттердің жасын анықтау үшін қолданылады. Лутеций көбінесе иттрий элементімен бірге кездеседі және кейде металл қорытпаларында, сондай-ақ түрлі химиялық реакцияларда катализатор ретінде қолданылады. 177Lu DOTA TATE нейроэндокриндік ісіктерді емдеу үшін радионуклидтік терапияда қолданылады (Ядролық медицина қараңыз). Лутецийдің Бринелл қаттылығы барлық лантаноидтардың арасында ең жоғары – 890–1300 МПа.

Физикалық қасиеттері

Лютеций атомында 71 электрон бар, олар [Xe] 4f¹⁴5d¹6s² конфигурациясында орналасқан. Лютеций көбінесе 3+ тотығу күйінде кездеседі, оның екі ең сыртқы 6s және бір 5d электроны жоғалған. Лантанидтер арасында лютецийдің атомы ең кішкентай, себебі лантанидтер жиырылуының нәтижесінде лютецийдің тығыздығы, балқу температурасы және қаттылығы ең жоғары. Лютецийдің 4f орбиталдары өте тұрақты болғандықтан, химиялық реакциялар мен байланыстарға тек 5d және 6s орбиталдары қатысады; осылайша ол f блогы емес, d блогы элементі ретінде сипатталады. Сондықтан кейбір ғалымдар оны лантаноид деп санамай, оның жеңіл аналогтары – скандий және иттрий сияқты өтпелі металл деп есептейді.

Тотықтандыру күйлері

Лутеций көбінесе басқа лантандылар сияқты +3 тотығу күйінде табылады. Дегенмен, ол 0, +1 және +2 күйлерінде де кездесуі мүмкін.

Изотоптар

Лутеций Жер бетінде екі изотоп түрінде кездеседі: лутеций-175 және лутеций-176. Осы екеуінің ішінде тек біріншісі ғана тұрақты, бұл элементті моноизотоптық етеді. Екіншісі, лутеций-176, бета-ыдырау арқылы 3,78 жылдық жартылай ыдырау мерзімімен ыдырайды; ол табиғи лутецийдің шамамен 2,5% құрайды. Бүгінгі күнге дейін элементтің 40 синтетикалық радиоизотобы сипатталған, олардың массалық саны 149-дан 190-ға дейін ауыспалы; ең тұрақты изотоптар – 3,31 жылдық жартылай ыдырау мерзімімен лутеций-174 және 1,37 жылдық жартылай ыдырау мерзімімен лутеций-173. Қалған радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау мерзімі 9 күннен кем, ал олардың көпшілігі жартылай ыдырау мерзімі жарты сағаттан да аз. Тұрақты лутеций-175-тен жеңіл изотоптар электронды тұтқындау арқылы (итербий изотоптарын жасау үшін) ыдырайды, сондай-ақ альфа және позитрондық эмиссия да болады; ал ауыр изотоптар негізінен бета-ыдырау арқылы ыдырайды, гафний изотоптарын шығарады. Элементтің сонымен қатар 43 белгілі ядролық изомері бар, олардың массалары 150, 151, 153–162 және 166–180 (әрбір массалық сан бір ғана изомерге сәйкес келмейді). Олардың ең тұрақтылары – 160,4 күндік жартылай ыдырау мерзімімен лутеций-177m және 142 күндік жартылай ыдырау мерзімімен лутеций-174m; бұл лутеций-173, 174 және 176 изотоптарынан басқа барлық радиоактивті лутеций изотоптарының негізгі күйлерінің жартылай ыдырау мерзімінен ұзақ.

Қолданбалар

Өндірістің қиындығы мен жоғары бағасының салдарынан лютецийдің коммерциялық қолданылуы өте шектеулі, әсіресе ол көптеген басқа лантаноидтардан сирек кездеседі, бірақ химиялық қасиеттері айқайсыз ерекшеленбейді. Дегенмен, тұрақты лютеций мұнай өңдеу зауыттарында мұнайды крекингтеуде катализатор ретінде, сондай-ақ алкилдеу, сутектік толықтыру және полимерлеу процестерінде қолданылуы мүмкін. Азот қосылған лютеций гидриді 10 кбар қысымда бөлме температурасындағы суперөткізгіштер жасауға қатысты болуы мүмкін. Лютеций алюминий гранаты (Al5Lu3O12) жоғары сындыру көрсеткіші бар линзалық материал ретінде иммерсиялық литографияда қолдануға ұсынылған. Сонымен қатар, магниттік көпіршік жады құрылғыларында қолданылатын гадолиний галлий гранатына лютецийдің аз мөлшерде допанты қосылады. Цериймен допингтелген лютеций оксиортосиликаты қазіргі уақытта позитрон-эмиссиялық томографияда (ПЭТ) детектерге арналған басым қосылыс болып табылады. Лютеций алюминий гранаты (LuAG) жарықдиодты шамдарда люминофор ретінде қолданылады. Тұрақты лютецийден басқа, оның радиоактивті изотоптарының да ерекше қолданыстары бар. Жарамды жартылай өмір кезеңі мен ыдырау жолы лютеций-176-ны таза бета-эмиттер ретінде, нейтрондық сәулелендіруге ұшыраған лютецийді және лютеций-гафний жүйесін метеориттерді даулау үшін пайдалануға мүмкіндік берді. Октреотатқа (соматостатиннің аналогы) байланысты синтетикалық изотоп лютеций-177 нейроэндокриндік ісіктерді бағытталған радионуклидтік терапиясында тәжірибелік түрде қолданылады. Шындығында, лютеций-177 нейроэндокриндік ісіктерді емдеуде және сүйек ауруының жеңілдетуінде радионуклид ретінде жиі қолданылуда. Зерттеулер лютеций иондық атомдық сағаттардың қазіргі барлық атомдық сағаттардан жоғары дәлдік бере алатынын көрсетеді. Лютеций танталаты (LuTaO4) – белгілі ең тығыз тұрақты ақ материал (тізімі 9,81 г/см3) және сондықтан рентгендік люминофорлар үшін өте қолайлы материал. Одан тығыз ақ материал – торий диоксиді ғана (тізімі 10 г/см3), бірақ оның құрамындағы торий радиоактивті. Лютеций сонымен қатар рентген сәулелерін көрінетін жарыққа айналдыратын бірнеше сцинтилляциялық материалдардың құрамына кіреді. Ол LYSO, LuAg және лютеций йодиді сцинтилляторларының құрамында болады. Лутеций (177Lu) випивотид тетраксетан – простата қатерлі ісігіне қарсы терапия, 2022 жылы FDA мақұлдаған.

Сақтық шаралары

Басқа сирек кездесетін металдар сияқты, лютецийдің де уыттылығы төмен деп есептеледі, бірақ оның қосылыстарын сақтықпен қолдану керек: мысалы, лютеций фторидін тыныспен алу қауіпті, ал қосылысы теріні тітіркендіреді. Лутеций нитраты қыздырғанда жарылып, өртеніп кетуі мүмкін болғандықтан қауіпті болуы мүмкін. Лутеций оксидінің ұнтағын жұтқанда немесе ішке алғанда да уытты болады. Басқа сирек кездесетін металдар сияқты, лютецийдің биологиялық қызметі белгісіз, бірақ ол тіпті адам организмінде де кездеседі, негізінен сүйектерде, ал бауыр мен бүйректерде азырақ шоғырланады. Лутеций тұздары табиғатта басқа лантаноид тұздарымен бірге табылады; бұл элемент адам ағзасындағы барлық лантаноидтардың арасында ең сирек кездесетіні болып табылады. Адамдардың тамақтануында лютецийдің мөлшері зерттелмеген, сондықтан орташа адам қанша мөлшерде алатыны белгісіз, бірақ есептеулер көрсеткендей, жылына бірнеше микрограмм ғана сіңіріледі, бұл өсімдіктердің сіңіретін шағын мөлшерінен түседі. Ерігіш лютеций тұздары аз дәрежеде улы, ал ерімейтін тұздары улы емес.