Lutetium

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
YtterbiumLutetiumHafnium
Y

Lu

Lr  
 
 
Lu-TableImage.png
Yleistä
Nimi Lutetium
Tunnus Lu
Järjestysluku 71
Luokka lantanoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä -
Jakso 6
Tiheys9,841×103 kg/m3
Kovuus2,6 (Mohsin asteikko)
Värihopeisen valkea
Löytövuosi, löytäjä 1907, Georges Urbain ja Carl Auer von Welsbach
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)174,9668(1)[1]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)175 (217) pm
Kovalenttisäde187±8 pm pm
Orbitaalirakenne[Xe] 4f145d16s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 9, 2
Hapetusluvut+III
Kiderakenneheksagonaalinen tiivispakkaus (hcp)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste1936 K (1663[2] °C)
Kiehumispiste3675 K (3402[2] °C)
Höyrystymislämpö414[2] kJ/mol
Sulamislämpönoin 22 kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus1,27 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,154 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus1,8×106 S/m
Lämmönjohtavuus16,4 W/(m×K)
CAS-numero7439-94-3
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Lutetiumia

Lutetium (lat. 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.[3][4][5][6]

Lutetium on hopeanvalkoinen korroosiota kestävä kolmiarvoinen metalli, joka on suhteellisten vakaa ilmassa ja on harvinaisista maametalleista raskain ja kovin.[7] Joskus lutetium luokitellaan ryhmän 3 siirtymäalkuaineeksi.[8]

Alkuainetta on hyvin kallista tuottaa suuria määriä ja siksi sen kaupallinen käyttö on vähäistä.[7] Sitä tuotetaan vuosittain vain noin 10 tonnia ja se on maailman kalleinta metallia: sen kilohinta on (2006) yli 60 000€, mikä tekee siitä kalliimpaa kuin yleisemmät arvometallit kulta tai platina.[6]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Carl Auer von Welsbach

Lutetiumin, joka on saanut nimensä Pariisin latinalaisen nimen "Lutetia" mukaan, 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[9]. 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.[10][11][12]

Ensimmäisen kerran puhdasta lutetiummetallia valmistettiin vasta 1953.[10]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lutetiumin kidehilan rakenne

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.[3]

Lutetiumilla on vain yksi allotrooppinen muoto, jonka kiderakenne on heksagonaalinen tiivispakkaus. Hilavakiot ovat a = 350,52 pm ja c = 554,94 pm huoneenlämpötilassa.[3]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[8]. Yhteensä lutetiumille tunnetaan 34 radioaktiivista isotooppia, poislukien ydinisomeerit. Niiden massaluvut vaihtelevat välillä 150–184. Kaikista epästabiilein isotooppi on 150Lu, jonka puoliintumisaika on 45 millisekuntia, pysyvin on 176Lu.[3] Lutetiumin isotoopit, joiden massaluku on alle 175 hajoavat pääasiassa β+-hajoamisella, mutta joukossa on myös elektroninsieppauksella hajoavia nuklideja. Raskaammat isotoopit hajoavat β--hajoamisella.[13]

Kemialliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lutetium esiintyy yhdisteissään aina hapetusluvulla +3. Useimpien lutetiumsuolojen vesiliuokset ovat värittömiä ja suolat muodostavat valkeita kiteitä kuivuessaan, poikkeuksena ruskea lutetiumjodidi LuI3[14]. Lutetium liukenee helposti laimeisiinkin happoihin. Vetyfluoridin vesiliuoksiin se kuitenkin on liukenematonta, koska metallin pinnalle muodostuu liukenematon suojaava lutetiumfluoridikerros.[3] Veteen liukenevat suolat, kuten lutetiumnitraatti, -sulfaatti ja -asetaatti muodostavat kidevedellisiä hydraatteja kiteytyessään.[15] Lutetiumoksidi, -hydroksidi, -fluoridi, -karbonaatti, -fosfaatti ja -oksalaatti eivät liukene veteen.[15] Lutetiumoksidi Lu2O3 on tärkein alkuaineen yhdiste.

Lutetiummetalli tummuu hitaasti ilmassa lutetiumoksidiksi.[16]

Lutetiummetalli on sangen elektropositiivista ja reagoi hitaasti kylmän ja nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen lutetiumhydroksidia Lu(OH)3 ja vetykaasua:[16]

2 Lu + 6 H2O → 2 Lu(OH)3 + 3 H2

Lutetium muodostaa yhdisteitä kaikkien halogeenien kanssa:[16]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Monatsiitti sisältää pieniä määriä lutetiumia

Lutetiumia esiintyy pääosin samoissa mineraaleissa kuin muitakin lantanoideja. Tärkeimmät tuotantoalueet ovat Kiina, Yhdysvallat, Brasilia, Intia, Sri Lanka ja Australia. Lutetiumin pitoisuudet ovat pieniä kaikissa mineraaleissa, esimerkiksi monatsiitti sisältää lutetiumia vain 0,003 %. Arvioidut maailmanlaajuiset varannot ovat 200 000 tonnia.[10] Mineraaleista lutetium erotetaan liuotinuutolla ja ioninvaihdolla.[3][17].

Lutetiumia on maankuoressa vain 0,5 ppm. Se on kuitenkin yleisempää kuin hopea. Merivedessä lutetiumia on 0,3 ppt ja maaperän pinta-aineksissa noin 0,3 ppm.[8]

Vuotuinen tuotanto on 10 tonnia lutetiumoksidin muodossa. Metallista lutetiumia saadaan kuumentamalla lutetiumfluoridia LuF3 kalsiumin kanssa.[10]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lutetiumia voidaan käyttää katalyyttinä muun muassa öljyteollisuudessa ja erilaisiin tutkimustarkoituksiin.[10]

Isotooppia 177Lu, joka emittoi korkeaenergisia β-hiukkasia, on tutkittu käytettäväksi radioterapiassa.[4] Eräs lutetiumin teksafyriinikompleksi, moteksafiinilutetium, on kliinisissä kokeissa. Sitä tutkitaan käytettäväksi eturauhas- ja rintasyöpien, melanooman, silmänpohjan rappeuman ja sepelvaltimotaudin fotodynaamisissa hoidoissa.[18]

Lutetiumalumiinigranaattia (LuAG, Al5Lu3O12) on tutkittu käytettäväksi korkean taitekertoimen linsseihin immersiolitografiassa.[19] Sitä on myös käytetty väriaineena joissain LED-valoissa ja optisena väliaineena lasereissa. Myös lutetiumoksisulfidia (Lu2O2S) on tutkittu lasereita varten.[20]

Lutetiumia on käytetty douppausaineena gadoliniumgalliumgranaatissa (GGG, Gd3Ga5O12), jota on joskus käytetty magneettisissa kuplamuisteissa.[10][21]

Lutetiumtantalaatti (LuTaO4) on tihein tunnettu pysyvä valkoinen materiaali (tiheys 9,81 g/cm3)[22] ja tämän takia sitä on suunniteltu käytettäväksi röntgensäteilyalueen fosforina.[23][24] Ainoa vielä tiheämpi valkoinen aine on toriumdioksidi (tiheys 10 g/cm3), mutta se on radioaktiivista.

Biologinen rooli ja käyttöturvallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lutetiumilla ei ole minkäänlaista biologista roolia, eikä se ole kovin myrkyllistä. Sen joidenkin suolojen on tosin todettu kiihdyttävän aineenvaihduntaa. Veteen liukenevat suolat voivat olla lievästi myrkyllisiä suurina annoksina, mutta liukenemattomat eivät ollenkaan. 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 ppt kuivapainosta. Ihmisen ravinnosta saamat määrät ovat todennäköisesti mikrogrammoja vuodessa.[4]

Lutetiumkloridin akuutiksi myrkyllisyydeksi rotilla on saatu LD50-arvo 315 mg/kg intraperitoneaalisesti ja 7 100 mg/kg suun kautta annosteltuna.[25]

Lutetium-pöly on palo- ja räjähdysherkkää.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Huomautukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Meija, Juris et al.: Atomic Weights of the Elements 2013 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2016, 88. vsk, nro 3, s. 273. IUPAC. Artikkelin verkkoversio (pdf) Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  2. a b c Greenwood & Earnshaw s. 1233 Viite Googlen teoshaussa
  3. a b c d e f Lutetium Encyclopædia Britannica Online. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  4. a b c Emsley s. 240
  5. Krebs s. 302
  6. a b Hamilo, Marko: Pariisin nimikkoaine on metalleista kallein Helsingin sanomat. 14.3.2006. Viitattu 8.7.2010.
  7. a b Karamäki, E. M.: Epäorgaaniset kemikaalit, s. 98. Kustannusliike Tietoteos, 1983. ISBN 951-9035-61-3.
  8. a b c Emsley s. 242
  9. Greenwood & Earnshaw s. 1229 Viite Googlen teoshaussa
  10. a b c d e f Emsley s. 241
  11. Separation of Rare Earth Elements by Charles James 29.10.1999. American Chemical Society. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  12. Marion James: UNH Magazine - The Life and Work of Charles James syksy 2010. UNH Magazine. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  13. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot & A.H. Wapstra: The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A, 2003, 729. vsk, nro 1, s. 3-128. Artikkelin verkkoversio Viitattu 29.1.2018. (englanniksi)
  14. Greenwood & Earnshaw s. 1241 Viite Googlen teoshaussa
  15. a b Ganjali, Mohammad Reza; Gupta, Vinod Kumar; Faridbod, Farnoush & Norouzi, Parviz: Lanthanides Series Determination by Various Analytical Methods. Elsevier, 2016. ISBN 978012420095. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  16. a b c WebElements: Lutetium: reactions of elements webelements.com. Viitattu 25.1.2018. (englanniksi)
  17. Ian McGill: Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 29.1.2018
  18. Dabrowiak, James C.: Metals in Medicine, s. 283. John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1119191308. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  19. Wei, Yayi & Brainard, Robert L.: Advanced Processes for 193-NM Immersion Lithography, s. 12. SPIE Press, 2009. ISBN 0-8194-7557-2. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  20. Koechner, Walter: Solid-state laser engineering, s. 43. Springer, 2006. ISBN 0-387-29094-X. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  21. Nielsen, J.W.; Blank, S.L.; Smith, D.H.; Vella-Coleiro, G.P.; Hagedorn, F.B.; Barns, R.L. & Biolsi, W.A.: Three garnet compositions for bubble domain memories. Journal of Electronic Materials, 1974, 3. vsk, nro 3, s. 693–707. Springer. doi:10.1007/BF02655293. Bibcode:1974JEMat...3..693N. (englanniksi)
  22. Blasse, G.; Dirksen, G.J.; Brixner, L.H. & Crawford, M.K.: Luminescence of materials based on LuTaO4. Journal of Alloys and Compounds, 1994, 209. vsk, nro 1-2, s. 1-6. Elsevier. doi:10.1016/0925-8388(94)91069-3. (englanniksi)
  23. Shionoya, Shigeo & Yen, William M.: Phosphor Handbook, s. 846. CRC Press, 1998. ISBN 0-8493-7560-6. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  24. Gupta, Chiranjib Kumar & Krishnamurthy, Nagaiyar: Extractive Metallurgy of Rare Earths, s. 31. CRC Press, 2004. ISBN 0-415-33340-7. archive.org: verkkoversio (viitattu 30.1.2018). (englanniksi)
  25. Haley, Thomas J.; Komesu, N.; Efros, M.; Koste L. & Upham, H.C.: Pharmacology and Toxicology of Lutetium Chloride. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1964, 53. vsk, nro 10, s. 1186-1188. Elsevier. doi:10.1002/jps.2600531011. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Lutetium.
Wikisanakirja
Wikisanakirjassa on tähän liittyvä sananselitys: lutetium.