Лутеций – 71 атомдық нөмірі бар химиялық элемент, сирек кездесетін жер элементі. 1907 ж. ашылған, тот баспайтын күмістей металл, қасиеттері туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Lutetium is a chemical element; it has symbol Lu and atomic number 71. It is a silvery white metal, which resists corrosion in dry air, but not in moist air. Lutetium is the last element in the lanthanide series, and it is traditionally counted among the rare earth elements; it can also be classified as the first element of the 6th period transition metals. Lutetium was independently discovered in 1907 by French scientist Georges Urbain, Austrian mineralogist Baron Carl Auer von Welsbach, and American chemist Charles James. All of these researchers found lutetium as an impurity in the mineral ytterbia, which was previously thought to consist entirely of ytterbium. The dispute on the priority of the discovery occurred shortly after, with Urbain and Welsbach accusing each other of publishing results influenced by the published research of the other; the naming honor went to Urbain, as he had published his results earlier. He chose the name lutecium for the new element, but in 1949 the spelling was changed to lutetium. In 1909, the priority was finally granted to Urbain and his names were adopted as official ones; however, the name cassiopeium (or later cassiopium) for element 71 proposed by Welsbach was used by many German scientists until the 1950s. Lutetium is not a particularly abundant element, although it is significantly more common than silver in the Earth's crust. It has few specific uses. Lutetium 176 is a relatively abundant (2.5%) radioactive isotope with a half life of about 38 billion years, used to determine the age of minerals and meteorites. Lutetium usually occurs in association with the element yttrium and is sometimes used in metal alloys and as a catalyst in various chemical reactions. 177Lu DOTA TATE is used for radionuclide therapy (see Nuclear medicine) on neuroendocrine tumours. Lutetium has the highest Brinell hardness of any lanthanide, at 890–1300 MPa.
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.
A lutetium atom has 71 electrons, arranged in the configuration [Xe] 4f145d16s2. Lutetium is generally encountered in the 3+ oxidation state, having lost its two outermost 6s and the single 5d electron. The lutetium atom is the smallest among the lanthanide atoms, due to the lanthanide contraction, and as a result lutetium has the highest density, melting point, and hardness of the lanthanides. As lutetium's 4f orbitals are highly stabilized only the 5d and 6s orbitals are involved in chemical reactions and bonding; thus it is characterized as a d block rather than an f block element, and on this basis some consider it not to be a lanthanide at all, but a transition metal like its lighter congeners scandium and yttrium.
Тотықтандыру күйлері
Лутеций көбінесе басқа лантандылар сияқты +3 тотығу күйінде табылады. Дегенмен, ол 0, +1 және +2 күйлерінде де кездесуі мүмкін.
Lutetium is usually found in the +3 oxidation state, like most other lanthanides. However, it can also be in the 0, +1 and +2 states as well.
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.
Lutetium occurs on the Earth in form of two isotopes: lutetium 175 and lutetium 176. Out of these two, only the former is stable, making the element monoisotopic. The latter one, lutetium 176, decays via beta decay with a half life of 3.78; it makes up about 2.5% of natural lutetium. To date, 40 synthetic radioisotopes of the element have been characterized, ranging in mass number from 149 to 190; the most stable such isotopes are lutetium 174 with a half life of 3.31 years, and lutetium 173 with a half life of 1.37 years. All of the remaining radioactive isotopes have half lives that are less than 9 days, and the majority of these have half lives that are less than half an hour. Isotopes lighter than the stable lutetium 175 decay via electron capture (to produce isotopes of ytterbium), with some alpha and positron emission; the heavier isotopes decay primarily via beta decay, producing hafnium isotopes. The element also has 43 known nuclear isomers, with masses of 150, 151, 153–162, and 166–180 (not every mass number corresponds to only one isomer). The most stable of them are lutetium 177m, with a half life of 160.4 days, and lutetium 174m, with a half life of 142 days; these are longer than the half lives of the ground states of all radioactive lutetium isotopes except lutetium 173, 174, and 176.
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.
Because of production difficulty and high price, lutetium has very few commercial uses, especially since it is rarer than most of the other lanthanides but is chemically not very different. However, stable lutetium can be used as catalysts in petroleum cracking in refineries and can also be used in alkylation, hydrogenation, and polymerization applications. A nitrogen doped lutetium hydride may have a role in creating room temperature superconductors at 10 kbar. Lutetium aluminium garnet (|Al5Lu3O12) has been proposed for use as a lens material in high refractive index immersion lithography. Additionally, a tiny amount of lutetium is added as a dopant to gadolinium gallium garnet, which is used in magnetic bubble memory devices. Cerium doped lutetium oxyorthosilicate is currently the preferred compound for detectors in positron emission tomography (PET). Lutetium aluminium garnet (LuAG) is used as a phosphor in light emitting diode light bulbs. Aside from stable lutetium, its radioactive isotopes have several specific uses. The suitable half life and decay mode made lutetium 176 used as a pure beta emitter, using lutetium which has been exposed to neutron activation, and in lutetium–hafnium dating to date meteorites. The synthetic isotope lutetium 177 bound to octreotate (a somatostatin analogue), is used experimentally in targeted radionuclide therapy for neuroendocrine tumors. Indeed, lutetium 177 is seeing increased usage as a radionuclide in neuroendocrine tumor therapy and bone pain palliation. Research indicates that lutetium ion atomic clocks could provide greater accuracy than any existing atomic clock. Lutetium tantalate (LuTaO4) is the densest known stable white material (density 9.81 g/cm3) and therefore is an ideal host for X ray phosphors. The only denser white material is thorium dioxide, with density of 10 g/cm3, but the thorium it contains is radioactive. Lutetium is also a compound of several scintillating materials, which convert X rays to visible light. It is part of LYSO, LuAg and lutetium iodide scintillators. Lutetium (177Lu) vipivotide tetraxetan is a therapy for prostate cancer, FDA approved in 2022.
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.
Like other rare earth metals, lutetium is regarded as having a low degree of toxicity, but its compounds should be handled with care nonetheless: for example, lutetium fluoride inhalation is dangerous and the compound irritates skin. Lutetium nitrate may be dangerous as it may explode and burn once heated. Lutetium oxide powder is toxic as well if inhaled or ingested. Similarly to the other rare earth metals, lutetium has no known biological role, but it is found even in humans, concentrating in bones, and to a lesser extent in the liver and kidneys. Lutetium salts are known to occur together with other lanthanide salts in nature; the element is the least abundant in the human body of all lanthanides. Human diets have not been monitored for lutetium content, so it is not known how much the average human takes in, but estimations show the amount is only about several micrograms per year, all coming from tiny amounts absorbed by plants. Soluble lutetium salts are mildly toxic, but insoluble ones are not.