Введение

Лутеций — химический элемент с символом Lu и атомным номером 71. Это серебристо-белый металл, устойчивый к коррозии в сухом воздухе, но подверженный коррозии во влажном воздухе. Лутеций является последним элементом в серии лантаноидов и традиционно относится к редкоземельным элементам; его также можно классифицировать как первый элемент переходных металлов 6-го периода. Лутеций был независимо открыт в 1907 году французским ученым Жоржем Урбеном, австрийским минералогом бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом и американским химиком Чарльзом Джеймсом. Все эти исследователи обнаружили лютеций в виде примеси в минерале иттербии, который ранее считался состоящим исключительно из иттербия. Вскоре после этого возник спор о приоритете открытия, в котором Урбен и Вельсбах обвинили друг друга в публикации результатов, подвергшихся влиянию исследований другого; право на название было предоставлено Урбену, поскольку он опубликовал свои результаты раньше. Он выбрал название лютеций для нового элемента, но в 1949 году написание было изменено на лютеций. В 1909 году приоритет был окончательно признан за Урбеном, и его наименование было принято в качестве официального; однако название кассиопей (или позднее кассиопий) для элемента 71, предложенное Вельсбахом, использовалось многими немецкими учеными до 1950-х годов. Лутеций не является особенно распространенным элементом, хотя он встречается в земной коре значительно чаще, чем серебро. У него немного специфических применений. Лутеций-176 — относительно распространенный (2,5%) радиоактивный изотоп с периодом полураспада около 38 миллиардов лет, используемый для определения возраста минералов и метеоритов. Лутеций обычно встречается в ассоциации с иттрием и иногда используется в металлических сплавах и в качестве катализатора в различных химических реакциях. 177Lu DOTA TATE применяется для радионуклидной терапии (см. Ядерная медицина) при лечении нейроэндокринных опухолей. Лутеций обладает самой высокой твердостью по Бринеллю среди всех лантаноидов — 890–1300 МПа.

Физические свойства

Атом лютеция содержит 71 электрон, расположенных в конфигурации [Xe] 4f¹⁴5d¹6s². Лютеций обычно встречается в степени окисления +3, теряя два внешних 6s-электрона и один 5d-электрон. Атом лютеция является самым маленьким среди атомов лантаноидов из-за сжатия лантаноидов, и, как следствие, лютеций обладает наибольшей плотностью, температурой плавления и твердостью среди лантаноидов. Поскольку 4f-орбитали лютеция сильно стабилизированы, в химических реакциях и образовании связей участвуют только 5d- и 6s-орбитали; таким образом, он классифицируется как элемент d-блока, а не f-блока, и на этом основании некоторые рассматривают его не как лантаноид, а как переходный металл, подобно своим более легким аналогам скандию и иттрию.

Окислительные состояния

Лутеций обычно встречается в степени окисления +3, как и большинство других лантаноидов. Однако он также может находиться в степенях окисления 0, +1 и +2.

Изотопы

Лутеций встречается на Земле в виде двух изотопов: лютеций-175 и лютеций-176. Из этих двух, стабилен только первый, что делает элемент моноизотопным. Лютеций-176 распадается посредством бета-распада с периодом полураспада 3,78 года; он составляет около 2,5% природного лютеция. На сегодняшний день было охарактеризовано 40 синтетических радиоизотопов этого элемента с массовыми числами от 149 до 190; наиболее стабильными из них являются лютеций-174 с периодом полураспада 3,31 года и лютеций-173 с периодом полураспада 1,37 года. У всех остальных радиоактивных изотопов период полураспада менее 9 дней, а у большинства – менее получаса. Изотопы, легче стабильного лютеция-175, распадаются посредством захвата электронов (с образованием изотопов итербия), с некоторым испусканием альфа- и позитронов; более тяжелые изотопы распадаются преимущественно посредством бета-распада, образуя изотопы гафния. Элемент также имеет 43 известных ядерных изомера с массовыми числами 150, 151, 153–162 и 166–180 (не каждое массовое число соответствует единственному изомеру). Самыми стабильными из них являются лютеций-177m с периодом полураспада 160,4 дня и лютеций-174m с периодом полураспада 142 дня; их периоды полураспада больше, чем у основных состояний всех радиоактивных изотопов лютеция, за исключением лютеция-173, 174 и 176.

Приложения

Из-за сложности производства и высокой стоимости лютеций имеет ограниченное количество коммерческих применений, особенно учитывая, что он реже большинства других лантаноидов, но химически от них не сильно отличается. Однако стабильный лютеций может использоваться в качестве катализатора в процессах крекинга нефти на нефтеперерабатывающих заводах, а также в реакциях алкилирования, гидрирования и полимеризации. Гидрид лютеция, легированный азотом, может сыграть роль в создании сверхпроводников при комнатной температуре под давлением 10 кбар. Лутециевый алюминиевый гранат (LuAl5O12) предложен для использования в качестве материала линз в литографии с иммерсией и высоким показателем преломления. Кроме того, небольшое количество лютеция добавляется в качестве легирующей примеси в гадолиниевый галлиевый гранат, который применяется в устройствах магнитной пузырьковой памяти. Оксиортосиликат лютеция, легированный церием, в настоящее время является предпочтительным соединением для детекторов в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Алюминиевый гранат лютеция (LuAG) используется в качестве люминофора в светодиодных лампах. Помимо стабильного лютеция, его радиоактивные изотопы имеют ряд специфических применений. Благодаря подходящему периоду полураспада и типу распада, лютеций-176 используется как чистый бета-излучатель, получаемый путем нейтронной активации лютеция, а также в методе лютеций-гафний датирования для определения возраста метеоритов. Синтетический изотоп лютеция-177, конъюгированный с октреотатом (аналогом соматостатина), экспериментально применяется в таргетной радионуклидной терапии нейроэндокринных опухолей. Действительно, лютеций-177 все шире используется в качестве радионуклида в терапии нейроэндокринных опухолей и для паллиативного лечения костных болей. Исследования показывают, что атомные часы на основе ионов лютеция могут обеспечить более высокую точность, чем любые существующие атомные часы. Танталат лютеция (LuTaO4) является самым плотным известным стабильным белым материалом (плотность 9,81 г/см3) и, следовательно, является идеальной матрицей для рентгеновских люминофоров. Единственный более плотный белый материал – это диоксид тория, с плотностью 10 г/см3, но содержащийся в нем торий является радиоактивным. Лютеций также входит в состав нескольких сцинтилляционных материалов, которые преобразуют рентгеновское излучение в видимый свет. Он является компонентом сцинтилляторов LYSO, LuAG и йодида лютеция. Лютеций (177Lu) випивотид тетраксетан – это препарат для лечения рака предстательной железы, одобренный FDA в 2022 году.

Меры предосторожности

Как и другие редкоземельные металлы, лютеций считается малотоксичным, но обращаться с его соединениями следует с осторожностью. Например, вдыхание фторида лютеция опасно и вызывает раздражение кожи. Нитрат лютеция может быть опасен, поскольку при нагревании способен взрываться и воспламеняться. Порошок оксида лютеция также токсичен при вдыхании или проглатывании. Подобно другим редкоземельным металлам, лютеций не имеет известной биологической роли, однако он обнаруживается даже в организме человека, концентрируясь в костях, и в меньшей степени в печени и почках. Соли лютеция в природе встречаются вместе с другими солями лантаноидов; этот элемент является наименее распространенным в организме человека среди всех лантаноидов. Содержание лютеция в пищевых продуктах не исследовалось, поэтому неизвестно, какое количество лютеция потребляет человек в среднем, но оценки показывают, что это всего несколько микрограммов в год, поступающих с небольшими количествами, поглощаемыми растениями. Растворимые соли лютеция обладают умеренной токсичностью, а нерастворимые – нет.