El lutecio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso s (captura lenta de neutrones) que ocurre en las estrellas AGB (rama asintótica de las gigantes) de masa baja a media. Como el último lantánido estable y el elemento más pesado de la serie, representa el punto final de la cadena de producción de tierras raras por captura de neutrones. El lutecio presenta una contribución muy baja del proceso r (captura rápida de neutrones), estimada en menos del 5-10% de su abundancia solar, lo que lo convierte, junto con el iterbio, en uno de los trazadores más puros del proceso s.
La abundancia cósmica del lutecio es de aproximadamente 3,5×10⁻¹³ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo convierte en una de las tierras raras menos abundantes, comparable al tulio y aproximadamente 2,3 veces menos abundante que el iterbio. Su extrema rareza se explica por varios factores: su número atómico impar (71) según la regla de Oddo-Harkins, su posición al final de la cadena de captura de neutrones donde las secciones eficaces de captura se vuelven más débiles, y el hecho de que es el lantánido estable más pesado (el siguiente, el prometio, es radiactivo).
El lutecio es un trazador importante del proceso s, particularmente para estudiar las etapas finales de la nucleosíntesis por captura de neutrones. La relación lutecio/europio (Lu/Eu) en las estrellas es extremadamente sensible a la contribución del proceso s, ya que el europio está dominado por el proceso r. Una relación Lu/Eu alta es una firma característica de estrellas enriquecidas en elementos del proceso s. Además, ciertas líneas espectrales del lutecio son sensibles a la temperatura, lo que permite utilizar este elemento como "termómetro" para determinar las temperaturas de las atmósferas estelares en ciertas estrellas particulares.
La detección del lutecio en las atmósferas estelares es difícil debido a su rareza, pero se ha logrado en varias estrellas gracias a los espectrógrafos modernos de alta resolución. Las líneas del ion Lu II son las más utilizadas. En geoquímica, el lutecio, con su isótopo radiactivo Lu-176 (vida media de 37.800 millones de años), se utiliza para la datación de rocas (sistema Lu-Hf). Este sistema de datación es particularmente útil para el estudio de la formación temprana de la corteza terrestre y la evolución del manto, ya que el lutecio y el hafnio tienen comportamientos geoquímicos distintos durante los procesos magmáticos.
El lutecio toma su nombre de Lutetia, el nombre latino de la ciudad de París. Este nombre fue elegido por el químico francés Georges Urbain, quien descubrió el elemento, para honrar su ciudad natal. Es uno de los pocos elementos nombrados en honor a París, junto con el francio (también descubierto en París). El uso del nombre latino Lutetia recuerda los orígenes históricos de la ciudad, fundada por los Parisii, un pueblo galo.
El lutecio fue descubierto casi simultáneamente e independientemente por tres investigadores en 1907. El químico francés Georges Urbain (1872-1938) logró separar la iterbia de Marignac en dos óxidos: el neo-iterbio (que finalmente conservó el nombre iterbio) y el lutecio. Casi al mismo tiempo, el químico austriaco Carl Auer von Welsbach (1858-1929), inventor del manto de incandescencia, separó los mismos óxidos y los nombró aldebaranio y casiopeo. Por su parte, el químico estadounidense Charles James (1880-1928), que trabajaba en la Universidad de New Hampshire, también logró la separación. Tras una controversia, fue el nombre "lutecio" propuesto por Urbain el que finalmente se adoptó internacionalmente, aunque en algunos países anglófonos se utiliza la ortografía "lutetium".
La separación del lutecio del iterbio fue uno de los desafíos analíticos más difíciles de la química de las tierras raras, debido a la gran similitud de sus propiedades químicas. Los tres descubridores utilizaron métodos de cristalización fraccionada extremadamente laboriosos, que requerían miles de repeticiones. Urbain utilizó principalmente la cristalización fraccionada de nitratos, mientras que von Welsbach utilizó la de bromatos. Solo con el desarrollo de las técnicas de intercambio iónico en la década de 1950 el lutecio de alta pureza se volvió relativamente accesible.
El lutecio está presente en la corteza terrestre a una concentración media de aproximadamente 0,5 ppm (partes por millón), lo que lo convierte en una de las tierras raras más raras, comparable al tulio y al prometio (pero este último está prácticamente ausente por ser radiactivo). Es aproximadamente 6 veces menos abundante que el iterbio. Los principales minerales que contienen lutecio son la monacita ((Ce,La,Nd,Lu,Th)PO₄) y la bastnasita ((Ce,La,Nd,Lu)CO₃F), donde representa típicamente del 0,003 al 0,01% del contenido total de tierras raras, y la xenotima (YPO₄) donde puede estar ligeramente más concentrado. También se encuentra en la euxenita y la gadolinita.
La producción mundial de óxido de lutecio (Lu₂O₃) es de aproximadamente 10 a 20 toneladas por año, lo que lo convierte en una de las tierras raras menos producidas. Debido a su extrema rareza y sus aplicaciones especializadas de muy alto valor añadido, el lutecio es una de las tierras raras más caras, con precios típicos de 5.000 a 15.000 dólares por kilogramo de óxido (o más para calidades de alta pureza). China domina ampliamente la producción, pero incluso allí, el lutecio se produce en cantidades mínimas.
El lutecio metálico se produce principalmente por reducción metalotérmica del fluoruro de lutecio (LuF₃) con calcio metálico en atmósfera inerte de argón. La producción anual mundial de lutecio metálico es de solo unos cientos de kilogramos. El reciclaje del lutecio es prácticamente inexistente debido a las cantidades ínfimas utilizadas y a la extrema dificultad de recuperarlo de los productos finales complejos.
El lutecio (símbolo Lu, número atómico 71) es el decimoquinto y último elemento de la serie de los lantánidos, cerrando las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 71 protones, generalmente 104 neutrones (para el isótopo estable más abundante \(\,^{175}\mathrm{Lu}\)) y 71 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s². Esta configuración presenta una subcapa 4f completamente llena (14 electrones) y un electrón en la subcapa 5d, lo que distingue al lutecio de los otros lantánidos y lo acerca químicamente a los elementos del grupo 3 (escandio, itrio).
El lutecio es un metal plateado, brillante, relativamente duro y denso. Entre los lantánidos, es uno de los más duros y densos (9,84 g/cm³). Presenta una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente, a diferencia del iterbio que tiene una estructura cúbica centrada en las caras. El lutecio es paramagnético a temperatura ambiente debido al electrón no apareado en la subcapa 5d. Presenta los puntos de fusión y ebullición más altos de todos los lantánidos.
El lutecio se funde a 1663 °C (1936 K) y hierve a 3402 °C (3675 K). Estos puntos de fusión y ebullición excepcionalmente altos lo convierten en el lantánido más refractario. El lutecio presenta una transformación alotrópica a 1675 °C donde su estructura cristalina pasa de hexagonal compacta (HC) a cúbica centrada en el cuerpo (CC). Su conductividad eléctrica es mediocre, unas 20 veces inferior a la del cobre. El lutecio es un buen conductor de calor para un lantánido.
El lutecio es relativamente estable en aire seco a temperatura ambiente, pero se oxida lentamente para formar óxido Lu₂O₃. Se oxida más rápidamente cuando se calienta y arde para formar el óxido: 4Lu + 3O₂ → 2Lu₂O₃. El lutecio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de lutecio(III) Lu(OH)₃ y desprender hidrógeno. Se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos. El metal debe conservarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte.
Punto de fusión del lutecio: 1936 K (1663 °C) - el más alto de los lantánidos.
Punto de ebullición del lutecio: 3675 K (3402 °C) - el más alto de los lantánidos.
Densidad: 9,84 g/cm³ - uno de los lantánidos más densos.
Estructura cristalina a temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
Dureza: Relativamente duro entre los lantánidos.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Lutecio-175 — \(\,^{175}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 104 | 174,940771 u | ≈ 97,41 % | Estable | Isótopo estable mayoritario del lutecio natural. |
| Lutecio-176 — \(\,^{176}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 105 | 175,942686 u | ≈ 2,59 % | 3,78×10¹⁰ años | Radiactivo beta menos (β⁻) con vida media extremadamente larga. Utilizado en geocronología (sistema Lu-Hf). |
| Lutecio-177 — \(\,^{177}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 106 | 176,943758 u | Sintético | ≈ 6,65 días | Radiactivo (β⁻). Isótopo médico mayor utilizado en radioterapia dirigida (teragnóstico). |
| Lutecio-177m — \(\,^{177m}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 106 | 176,943758 u | Sintético | ≈ 160,4 días | Isómero nuclear metaestable de Lu-177. Emisor gamma utilizado en investigación y calibración. |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El lutecio tiene 71 electrones repartidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s² presenta una subcapa 4f completamente llena (14 electrones) y un electrón en la subcapa 5d. Esta configuración también se puede escribir como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(3), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones repartidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones repartidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye a la pantalla electrónica.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones repartidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 32 electrones repartidos en 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹. La subcapa 4f completamente llena y la presencia de un electrón 5d caracterizan la química del lutecio.
Capa P (n=6): contiene 3 electrones en las subcapas 6s² y 5d¹ (aunque 5d pertenece a la capa n=5, está energéticamente cerca de 6s).
El lutecio tiene efectivamente 17 electrones de valencia: catorce electrones 4f¹⁴, dos electrones 6s² y un electrón 5d¹. Sin embargo, el lutecio presenta casi exclusivamente el estado de oxidación +3 en sus compuestos estables. En este estado, el lutecio pierde sus dos electrones 6s y su electrón 5d para formar el ion Lu³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴. Este ion tiene una subcapa 4f completamente llena y es diamagnético, lo que es único entre los iones lantánidos trivalentes (todos los demás son paramagnéticos).
A diferencia de algunos lantánidos como el europio o el iterbio, el lutecio no forma un estado de oxidación +2 estable en condiciones normales. Algunos compuestos de lutecio(II) han sido sintetizados en condiciones extremas pero son muy inestables. El estado +3 es, por lo tanto, el único significativo químicamente. Esta estabilidad exclusiva del estado +3, combinada con el pequeño radio iónico de Lu³⁺ (100,1 pm para una coordinación 8, el más pequeño de todos los lantánidos), confiere al lutecio una química distintiva que lo acerca más al itrio y al escandio que a los otros lantánidos.
La química del lutecio está, por lo tanto, dominada por el estado +3. El ion Lu³⁺ forma complejos generalmente incoloros en solución acuosa (la transición 4f → 4f está prohibida y es muy débil). Sus sales son diamagnéticas. El pequeño radio iónico de Lu³⁺ le confiere una alta densidad de carga, lo que se traduce en una química de coordinación con una preferencia por los ligandos donadores de oxígeno y una tendencia a formar complejos con números de coordinación más altos.
El lutecio metálico es relativamente estable en aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa protectora de óxido de Lu₂O₃. A alta temperatura (por encima de 200 °C), se oxida rápidamente y arde para formar el óxido: 4Lu + 3O₂ → 2Lu₂O₃. El óxido de lutecio(III) es un sólido blanco con una estructura cúbica de tipo C-tierra rara. En polvo fino, el lutecio es pirofórico y puede inflamarse espontáneamente en el aire.
El lutecio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de lutecio(III) Lu(OH)₃ y desprender hidrógeno gaseoso: 2Lu + 6H₂O → 2Lu(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita como un sólido blanco gelatinoso poco soluble. Como con otros lantánidos, la reacción no es violenta pero es observable a largo plazo.
El lutecio reacciona con todos los halógenos para formar los trihaluros correspondientes: 2Lu + 3F₂ → 2LuF₃ (fluoruro blanco); 2Lu + 3Cl₂ → 2LuCl₃ (cloruro blanco). El lutecio se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con desprendimiento de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Lu³⁺: 2Lu + 6HCl → 2LuCl₃ + 3H₂↑.
El lutecio reacciona con el hidrógeno a temperatura moderada (300-400 °C) para formar LuH₂, luego LuH₃ a mayor temperatura. Con el azufre, forma el sulfuro Lu₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro LuN, y con el carbono para formar el carburo LuC₂. El lutecio también forma numerosos complejos de coordinación con ligandos orgánicos, aunque esta química está menos desarrollada que para algunos otros lantánidos debido a su alto costo.
La propiedad más notable del lutecio es el pequeño tamaño y la alta estabilidad de su ion Lu³⁺. Con un radio iónico de solo 100,1 pm (para una coordinación 8), Lu³⁺ es el ion trivalente más pequeño de todas las tierras raras. Este pequeño tamaño, combinado con su alta carga, le da a Lu³⁺ una densidad de carga excepcionalmente alta. Esto resulta en una fuerte polarización de los ligandos, una alta afinidad por los ligandos duros (átomos donadores de oxígeno), y una tendencia a formar complejos con números de coordinación más altos. Estas propiedades se explotan en catálisis y en materiales avanzados.
El teragnóstico es un enfoque médico que combina la terapia y el diagnóstico utilizando el mismo agente o agentes similares. El lutecio-177 (¹⁷⁷Lu) es un isótopo radiactivo ideal para este enfoque. Emite partículas beta (β⁻) de energía media (máx. 497 keV, promedio 133 keV) que son terapéuticas, y rayos gamma de baja energía (113 keV y 208 keV) que permiten la imagen (gammagrafía). Así, la misma molécula marcada con Lu-177 puede tanto tratar el tumor (terapia) como visualizar su ubicación (diagnóstico).
La aplicación más establecida del Lu-177 es el tratamiento de tumores neuroendocrinos (TNE), en particular los tumores gastroenteropancreáticos. El tratamiento suele utilizar un análogo de la somatostatina (como DOTATATE o DOTATOC) conjugado con un quelato (DOTA) que fija firmemente el Lu-177. Esta molécula se dirige a los receptores de somatostatina que están sobreexpresados en la superficie de las células tumorales neuroendocrinas. Una vez inyectado, el compuesto se une a las células tumorales, entregando una dosis alta de radiación localmente mientras preserva los tejidos sanos.
El Lu-177 también se utiliza para tratar el cáncer de próstata metastásico resistente a la castración (CPRCm). En este caso, se acopla al PSMA (antígeno específico de la membrana prostática), una proteína sobreexpresada en la superficie de las células cancerosas de próstata. El ¹⁷⁷Lu-PSMA-617 ha mostrado resultados prometedores en el tratamiento de pacientes con fracaso terapéutico, mejorando la supervivencia y la calidad de vida.
El Lu-177 se estudia para el tratamiento de otros cánceres, incluyendo cáncer de pulmón de células pequeñas, glioblastomas, cáncer de ovario y linfomas. Nuevos objetivos moleculares y vectores están en desarrollo para ampliar las indicaciones.
El Lu-177 se produce principalmente por irradiación neutrónica del iterbio-176 (¹⁷⁶Yb(n,γ)¹⁷⁷Yb → ¹⁷⁷Lu) en reactores nucleares, o por separación a partir del iterbio-176 objetivo tras la irradiación. Un método alternativo utiliza la irradiación directa del lutecio-176 (¹⁷⁶Lu(n,γ)¹⁷⁷Lu), pero produce Lu-177 con impurezas radiactivas. La creciente demanda de Lu-177 ha creado tensiones en el suministro y estimulado el desarrollo de nuevas capacidades de producción.
El lutecio se utiliza como promotor en los catalizadores de craqueo catalítico en lecho fluidizado (FCC), que transforman las fracciones pesadas del petróleo en productos más ligeros y valiosos (gasolina, diésel, productos petroquímicos). Las zeolitas de tipo Y, componente principal de los catalizadores FCC, suelen modificarse con tierras raras para mejorar su estabilidad térmica e hidrotermal, y su actividad catalítica. El lutecio, debido a su pequeño radio iónico y alta carga, es particularmente efectivo para estabilizar la estructura de la zeolita y modular su acidez.
Los iones Lu³⁺ sustituyen a los iones sodio en los sitios intercambiables de la zeolita. Su pequeño tamaño y alta carga crean fuertes campos electrostáticos que polarizan las moléculas de hidrocarburos, favoreciendo las reacciones de craqueo. Además, el lutecio aumenta la resistencia de la zeolita a la desactivación por vapor de agua a alta temperatura, lo que es crucial en las condiciones severas de las unidades FCC. Incluso en concentraciones muy bajas (típicamente menos del 0,1% en peso en el catalizador), el lutecio puede mejorar significativamente el rendimiento.
La mejora de la actividad y selectividad del catalizador FCC por el lutecio permite aumentar el rendimiento de gasolina, reducir la producción de subproductos no deseados y prolongar la vida útil del catalizador. Esto se traduce en ganancias económicas sustanciales para las refinerías. Aunque el lutecio es muy caro, las cantidades requeridas son tan pequeñas que su uso puede estar económicamente justificado en refinerías de gran capacidad.
Los centelleadores son materiales que emiten luz cuando son golpeados por radiaciones ionizantes. El lutecio forma parte de varios centelleadores de alto rendimiento:
Los cristales de LuAG (granate de aluminio y lutecio) dopados con iones activos como el cerio (Ce³⁺) o el praseodimio (Pr³⁺) se utilizan como medios amplificadores para láseres de alto rendimiento. Estos láseres se estudian para aplicaciones en mecanizado de precisión, medicina e investigación.
El óxido de lutecio (Lu₂O₃) se incorpora en ciertos vidrios ópticos especiales para aumentar su índice de refracción y dispersión. Estos vidrios se utilizan en lentes de cámaras de alta gama, microscopios y otros instrumentos ópticos de precisión donde la reducción de aberraciones cromáticas es crítica.
El sistema isotópico lutecio-176/hafnio-176 (¹⁷⁶Lu → ¹⁷⁶Hf, vida media 37.800 millones de años) se utiliza para datar eventos geológicos antiguos, en particular la diferenciación temprana de la corteza terrestre y el manto. Como el lutecio y el hafnio tienen comportamientos geoquímicos diferentes (el lutecio es más compatible que el hafnio en los minerales del manto), su relación evoluciona de manera diferente en la corteza y el manto, permitiendo rastrear la historia de la formación de la corteza continental.
El lutecio y sus compuestos presentan una baja toxicidad química, comparable a otros lantánidos. No se ha demostrado toxicidad aguda grave ni efectos cancerígenos. Como con otras tierras raras, la principal toxicidad estaría relacionada con la interferencia con el metabolismo del calcio en caso de exposición a altas dosis. El lutecio no tiene un papel biológico conocido.
En caso de exposición, el lutecio se comporta como otros lantánidos: se acumula principalmente en el hígado y los huesos, con una eliminación muy lenta. La exposición de la población general es extremadamente baja, prácticamente nula, debido a la extrema rareza del elemento y sus aplicaciones muy especializadas.
Para el isótopo Lu-177 utilizado en medicina nuclear, son necesarias precauciones estrictas de radioprotección durante la producción, preparación de radiofármacos, administración a pacientes y gestión de residuos. El personal médico debe seguir los protocolos de radioprotección para emisores beta/gamma. Los pacientes tratados con Lu-177 emiten radiación y a veces requieren precauciones especiales (limitación del contacto con familiares, gestión de excreciones) durante unos días después de la inyección.
Los impactos ambientales relacionados específicamente con el lutecio son despreciables debido a las cantidades mínimas producidas. El reciclaje del lutecio es prácticamente inexistente. Los residuos médicos que contienen Lu-177 se tratan como residuos radiactivos y se almacenan hasta su decaimiento completo (la vida media de 6,65 días significa que después de aproximadamente 10 vidas medias, es decir, 67 días, la actividad se reduce a menos del 0,1% de la actividad inicial). El desarrollo de métodos de reciclaje de lutecio a partir de residuos médicos o industriales es poco probable debido a los costos prohibitivos.
La exposición profesional está limitada a los muy pocos trabajadores involucrados en la producción de compuestos de lutecio, la fabricación de radiofármacos con Lu-177 y el uso médico de estos productos. Se aplican precauciones estándar para polvos metálicos (para el lutecio estable) y radioprotección (para el Lu-177). El número de personas expuestas es extremadamente bajo.
El átomo en todas sus formas: de la intuición antigua a la mecánica cuántica 
