Lutesyum

Lutesyum, ₇₁Lu

Lutesyum
Telaffuz	/ljuːˈtiːʃiəm/ ​(lew-TEE-shee-əm)
Görünüm	gümüş beyazı
Standart atom ağırlığı Ar, std(Lu)	7002174966800000000♠174.9668(1)
Periyodik tablodaki Lutesyum
– ↑ Lu ↓ Lr iterbiyum ← lutesyum → hafniyum
Atom numarası (Z)	71
Grup	grup n/a (bazen 3. grup olarak kabul edilir)
Period	periyot 6
Blok	f-blok (bazen d-blok olarak kabul edilir)
Element kategorisi	Lantanid, bazen bir geçiş metali olarak kabul edilir
Elektron konfigürasyonu	[Xe] 4f14 5d1 6s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 32, 9, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1925 K ​(1652 °C, ​3006 °F)
Kaynama noktası	3675 K ​(3402 °C, ​6156 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	9.841 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	9.3 g/cm3
Isı entalpisi	ca. 22 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	414 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	26.86 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1906 2103 2346 (2653) (3072) (3663)
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	0, +1, +2, +3 (bir zayıf baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.27
İyonlaşma enerjisi	1.: 523.5 kJ/mol 2.: 1340 kJ/mol 3.: 2022.3 kJ/mol
Atom yarıçapı	deneysel: 174 pm
Kovalent yarıçapı	187±8 pm
lutesyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​yakın altıgen paketleme (hcp)
Termal Genleşme	poly: 9.9 µm/(m·K) (r.t.)
Termal iletkenlik	16.4 W/(m·K)
Elektriksel direnç	poly: 582 nΩ·m (r.t.)
Manyetik sıralama	paramanyetik
Young modülü	68.6 GPa
Kayma modülü	27.2 GPa
Bulk modülü	47.6 GPa
Poisson oranı	0.261
Vickers sertliği	755–1160 MPa
Brinell sertliği	890–1300 MPa
CAS Numarası	7439-94-3
Tarihçe
Adlandırma	Lutetia'dan sonra, Latince için: Paris, Roma döneminde
Keşfeden	Carl Auer von Welsbach ve Georges Urbain (1906)
İlk izolasyon	Carl Auer von Welsbach (1906)
Adlandıran	Georges Urbain (1906)
lutesyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 173Lu syn 1.37 y ε 173Yb 174Lu syn 3.31 y ε 174Yb 175Lu 97.401% kararlı 176Lu 2.599% 3.78×1010 y β− 176Hf

Lutesyum, sembolü Lu ve atom numarası 71 olan kimyasal bir elementtir. Gümüşi beyaz bir metaldir, kuru havada korozyona direnir, ancak nemli havada değil. Lutesyum, lantanit serisindeki son elementtir ve geleneksel olarak nadir toprak elementleri arasında sayılır. Lutesyum bazen 6. periyot geçiş metallerinin ilk elementi olarak kabul edilir, ancak lantan daha sık olarak kabul edilir.

Lutesyum, 1907'de Fransız bilim adamı Georges Urbain, Avusturyalı mineralog Baron Carl Auer von Welsbach ve Amerikalı kimyager Charles James tarafından bağımsız olarak keşfedildi. Tüm bu araştırmacılar, daha önce tamamen iterbiyumdan oluştuğu düşünülen ytterbia mineralinde bir safsızlık olarak lutesyum buldular. Keşfin önceliğine ilişkin tartışma kısa bir süre sonra ortaya çıktı, Urbain ve Welsbach birbirlerini diğerinin yayınlanan araştırmasından etkilenen sonuçları yayınlamakla suçladılar; Adlandırma onuru, sonuçlarını daha önce yayınladığı için Urbain'e gitti. Yeni element için lutecium adını seçti, ancak 1949'da 71 elementinin yazılışı lutesyum olarak değiştirildi. 1909'da öncelik nihayet Urbain'e verildi ve isimleri resmi isimler olarak kabul edildi; ancak, Welsbach tarafından önerilen element 71 için cassiopeium (veya daha sonra cassiopium) adı 1950'lere kadar birçok Alman bilim adamı tarafından kullanıldı.

Lutesyum, yer kabuğunda gümüşten önemli ölçüde daha yaygın olmasına rağmen, özellikle bol bir element değildir. Birkaç özel kullanımı vardır. Lutesyum-176, minerallerin ve meteorların yaşını belirlemek için kullanılan, yarı ömrü yaklaşık 38 milyar yıl olan, nispeten bol (%2,5) bir radyoaktif izotoptur. Lutesyum genellikle itriyum elementi ile bağlantılı olarak oluşur ve bazen metal alaşımlarında ve çeşitli kimyasal reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılır. 177Lu-DOTA-TATE, nöroendokrin tümörlerde radyonüklid tedavisi için kullanılır (bkz. Nükleer tıp). Lutesyum, 890–1300 MPa'da herhangi bir lantanit arasında en yüksek Brinell sertliğine sahiptir.

Tarihçe

Latince Lutetia'dan (Paris) türetilen Lutesyum, 1907'de Fransız bilim adamı Georges Urbain, Avusturyalı mineralog Baron Carl Auer von Welsbach ve Amerikalı kimyager Charles James tarafından bağımsız olarak keşfedildi. İsviçreli kimyager Jean Charles Galissard de Marignac'ın tamamen iterbiyumdan oluştuğunu düşündüğü ytterbia'da bir kirlilik olarak buldular. Bilim adamları elementler için farklı isimler önerdiler: Urbain neoytterbium ve lutecium'u seçerken, Welsbach aldebaranium ve cassiopeium'u (Aldebaran ve Cassiopeia'dan sonra) seçti. Bu makalelerin her ikisi de diğer adamı yazarın sonuçlarına göre sonuçları yayınlamakla suçladı.

Daha sonra yeni element isimlerinin atfedilmesinden sorumlu olan Uluslararası Atom Ağırlıkları Komisyonu, 1909 yılında Urbain'e öncelik vererek ve onun isimlerini resmi isimler olarak benimseyerek, lutesyumun Marignac'ın iterbiyumundan ayrılmasının ilk olarak Urbain tarafından tanımlanmıştır; Urbain'in isimleri tanındıktan sonra, neoytterbium iterbiyuma dönüştürüldü. 1950'lere kadar, Almanca konuşan bazı kimyagerler, Welsbach'ın adıyla, cassiopeium ile lutesyum adını verdiler; 1949'da, 71 öğesinin yazılışı lutesyum olarak değiştirildi. Bunun nedeni, Welsbach'ın 1907 lutesyum örneklerinin saf olması, Urbain'in 1907 örneklerinin ise sadece lutetium izleri içermesiydi. Bu daha sonra Urbain'i, celtium adını verdiği, aslında çok saf lutesyum olan 72. elementi keşfettiğini düşünmeye sevk etti. Urbain'in 72. element üzerindeki çalışmasının daha sonra itibarını yitirmesi, Welsbach'ın 71. element üzerindeki çalışmasının yeniden değerlendirilmesine yol açtı, böylece element, Almanca konuşulan ülkelerde bir süre cassiopeium olarak yeniden adlandırıldı. Öncelikli argümanın dışında kalan Charles James, çok daha büyük ölçekte çalıştı ve o sırada en büyük lutesyum arzına sahipti. Saf lutesyum metal ilk olarak 1953'te üretildi.

Özellikleri

Fiziki ozellikleri

Bir lutesyum atomu, Xe] 4f¹⁴5d¹6s² konfigürasyonunda düzenlenmiş 71 elektrona sahiptir. Kimyasal bir reaksiyona girerken, atom en dıştaki iki elektronunu ve tek 5d-elektronunu kaybeder. Lutesyum atomu, lantanit kasılması nedeniyle lantanit atomları arasında en küçük olanıdır ve sonuç olarak lutesyum, lantanitlerin en yüksek yoğunluğuna, erime noktasına ve sertliğine sahiptir.

Kimyasal özellikler ve bileşikler

Lutesyum bileşikleri her zaman oksidasyon durumunda +3 element içerir. Çoğu lutesyum tuzunun sulu çözeltileri renksizdir ve genel iyodür istisnası dışında, kuruduktan sonra beyaz kristalli katılar oluşturur. Nitrat, sülfat ve asetat gibi çözünür tuzlar, kristalleşme üzerine hidratlar oluşturur. Oksit, hidroksit, florür, karbonat, fosfat ve oksalat suda çözünmez.

Lutesyum metali, standart koşullarda havada hafif kararsızdır, ancak 150 °C'de kolayca yanarak lutesyum oksit oluşturur. Elde edilen bileşiğin su ve karbon dioksiti emdiği bilinmektedir ve bu bileşiklerin buharlarını kapalı atmosferlerden uzaklaştırmak için kullanılabilir. Benzer gözlemler, lutesyum ile su arasındaki reaksiyon sırasında yapılır (soğukta yavaş ve sıcakken hızlı); Reaksiyonda lutesyum hidroksit oluşur.Lutesyum metalinin en hafif dört halojenle reaksiyona girerek trihalojenür oluşturduğu bilinmektedir; hepsi (florür hariç) suda çözünür.

Lutesyum zayıf asitlerde kolayca çözünür ve sülfürik asidi seyrelterek renksiz lutesyum iyonlarını içeren çözeltiler oluşturur ve bu çözeltiler yedi ila dokuz su molekülü arasında koordine edilir, ortalama [Lu(H₂O)_8.2]³⁺ olur.

2 Lu + 3 H₂SO₄ → 2 Lu³⁺ + 3 SO2–
4 + 3 H₂↑

İzotoplar

Lutesyum, Dünya'da iki izotop şeklinde oluşur: lutesyum-175 ve lutesyum-176. Bu ikisinden yalnızca birincisi kararlıdır ve elementi monoizotopik yapar. Sonuncusu olan lutesyum-176, beta bozunması yoluyla bozulur ve yarılanma ömrü 3.78×10¹⁰ yıldır; doğal lutesyumun yaklaşık %2,5'ini oluşturur. Bugüne kadar, 149.973 (lutesyum-150) ile 183.961 (lutesyum-184) arasında değişen, elementin 32 sentetik radyoizotopu karakterize edilmiştir; en kararlı bu tür izotoplar, yarılanma ömrü 3.31 yıl olan lutesyum-174 ve yarılanma ömrü 1.37 yıl olan lutesyum-173'tür. Geri kalan tüm radyoaktif izotopların yarılanma ömürleri 9 günden azdır ve bunların çoğunun yarım saatten az yarı ömürleri vardır. Elektron yakalama yoluyla (iterbiyum izotopları üretmek için) kararlı lutesyum-175 bozunumundan daha hafif izotoplar, bir miktar alfa ve pozitron emisyonu ile; daha ağır izotoplar, hafniyum izotopları üreterek, öncelikle beta bozunması yoluyla bozunur.

Element ayrıca 150, 151, 153-162, 166-180 kütleli 42 nükleer izomere sahiptir (her kütle numarası sadece bir izomere karşılık gelmez). Bunların en stabil olanları 160.4 günlük yarı ömre sahip lutesyum-177m ve yarı ömür 142 günlük olan lutesyum-174m'dir; bunlar, lutesyum-173, 174 ve 176 hariç tüm radyoaktif lutesyum izotoplarının temel durumlarının yarı ömürlerinden daha uzundur.

Oluşum ve üretim

Neredeyse tüm diğer nadir toprak metallerinde bulunan ancak hiçbir zaman tek başına bulunmayan lutesyumun diğer elementlerden ayrılması çok zordur. Başlıca ticari kaynağı, lutesyum bolluğundan çok daha yüksek olmayan, elementin yalnızca %0,0001'i konsantrasyonuna sahip nadir toprak fosfat minerali monazit (Ce,La,...)PO
4'ün işlenmesinden elde edilen bir yan üründür. Dünya kabuğunda yaklaşık 0.5 mg/kg.

Şu anda lutesyum baskın mineraller bilinmemektedir. Ana maden alanları Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Brezilya, Hindistan, Sri Lanka ve Avustralya'dır. Dünya lutesyum üretimi (oksit formunda) yılda yaklaşık 10 tondur. Saf lutesyum metalinin hazırlanması çok zordur. Kilogram başına yaklaşık 10.000 ABD doları veya altının yaklaşık dörtte biri fiyatıyla nadir bulunan ve en pahalı olan toprak metallerinden biridir.

Ezilmiş mineraller, nadir toprakların suda çözünür sülfatlarını üretmek için sıcak konsantre sülfürik asit ile işlenir. Toryum, hidroksit olarak çözeltiden çökelir ve uzaklaştırılır. Bundan sonra çözelti, nadir toprakları çözünmeyen oksalatlarına dönüştürmek için amonyum oksalat ile işlenir. Oksalatlar tavlama ile oksitlere dönüştürülür. Oksitler, oksitleri HNO₃'te çözünmeyen ana bileşenlerden biri olan seryumu hariç tutan nitrik asitte çözülür. Lutesyum da dahil olmak üzere birkaç nadir toprak metali, kristalleştirme yoluyla amonyum nitrat ile çift tuz olarak ayrılır. Lutesyum, iyon değişimi ile ayrılır. Bu işlemde, nadir toprak iyonları, reçinede bulunan hidrojen, amonyum veya bakır iyonları ile değiştirilerek uygun iyon değişim reçinesine emilir. Lutesyum tuzları daha sonra uygun kompleks yapıcı ajan ile seçici olarak yıkanır. Lutesyum metal daha sonra susuz LuCl₃ veya LuF3'ün bir alkali metal veya alkali toprak metal ile indirgenmesiyle elde edilir.

2 LuCl₃ + 3 Ca → 2 Lu + 3 CaCl₂

Uygulama

Üretim zorluğu ve yüksek fiyat nedeniyle, lutesyum, özellikle diğer lantanitlerin çoğundan daha nadir olduğu, ancak kimyasal olarak çok farklı olmadığı için çok az ticari kullanıma sahiptir. Bununla birlikte, stabil lutesyum, rafinerilerde petrol ayırmada katalizör olarak kullanılabilir ve ayrıca alkilasyon, hidrojenasyon ve polimerizasyon uygulamalarında da kullanılabilir.

Lutesyum alüminyum granat (Al₅Lu₃O₁₂), yüksek kırılma indeksli daldırma litografisinde lens malzemesi olarak kullanılmak üzere önerilmiştir. Ek olarak, manyetik balon bellek cihazlarında kullanılan gadolinyum galyum garnet'e (GGG) katkı maddesi olarak çok az miktarda lutesyum eklenir. Seryum katkılı lutesyum oksiortosilikat (LSO) şu anda pozitron emisyon tomografisinde (PET) detektörler için tercih edilen bileşiktir. Lutesyum alüminyum granat (LuAG), LED ampullerde fosfor olarak kullanılır.

Stabil lutesyumun yanı sıra, radyoaktif izotoplarının birkaç özel kullanımı vardır. Uygun yarılanma ömrü ve bozunma modu, lutesyum-176'yı nötron aktivasyonuna maruz bırakılmış olan lutesyum kullanarak saf beta yayıcı olarak ve günümüz meteorlarına kadar lutesyum-hafniyum tarihlemesinde kullandı. Oktreotata (bir somatostatin analoğu) bağlanan sentetik izotop lutetium-177, nöroendokrin tümörler için hedeflenen radyonüklid terapisinde deneysel olarak kullanılır. Gerçekte, lutesyum-177, nöroendrosin tümör tedavisi ve kemik ağrısı palyasyonunda bir radyonüklid olarak artan kullanım görüyor. Araştırmalar, lutesyum iyon atomik saatlerinin mevcut atom saatlerinden daha fazla doğruluk sağlayabileceğini gösteriyor.

Lutesyum tantalat (LuTaO₄), bilinen en yoğun stabil beyaz materyaldir (yoğunluk 9.81 g/cm³) ve bu nedenle X ışını fosforları için ideal bir konaktır. Tek yoğun beyaz malzeme, yoğunluğu 10 g/cm³ olan toryum dioksittir, ancak içerdiği toryum radyoaktiftir.

Önlemler

Diğer nadir toprak metalleri gibi, lutesyum da düşük derecede toksisiteye sahip olarak kabul edilir, ancak yine de bileşikleri dikkatle kullanılmalıdır: örneğin, lutesyum florür solunması tehlikelidir ve bileşik cildi tahriş eder. Lutesyum nitrat, ısıtıldığında patlayıp yanabileceğinden tehlikeli olabilir. Lutesyum oksit tozu, solunduğunda veya yutulduğunda da toksiktir.

Diğer nadir toprak metallerine benzer şekilde, lutesyumun bilinen bir biyolojik rolü yoktur, ancak insanlarda bile kemiklerde ve daha az ölçüde karaciğer ve böbreklerde yoğunlaşarak bulunur. Lutetium tuzlarının doğadaki diğer lantanit tuzları ile birlikte oluştuğu bilinmektedir; element, tüm lantanitlerin insan vücudunda en az bulunan elementtir. İnsan diyetleri, lutesyum içeriği açısından izlenmedi, bu nedenle ortalama bir insanın ne kadar aldığı bilinmemektedir, ancak tahminler, miktarın yılda sadece birkaç mikrogram olduğunu ve bunların tümü bitkiler tarafından alınan küçük miktarlardan elde edildiğini göstermektedir. Çözünür lutesyum tuzları hafif toksiktir, ancak çözünmeyenler değildir.