O lutécio é sintetizado nas estrelas principalmente pelo processo s (captura lenta de nêutrons) que ocorre em estrelas AGB (gigantes assintóticas) de baixa a média massa. Como o último lantânido estável e o elemento mais pesado da série, representa o ponto final da cadeia de produção de terras raras por captura de nêutrons. O lutécio apresenta uma contribuição muito baixa do processo r (captura rápida de nêutrons), estimada em menos de 5-10% de sua abundância solar, o que o torna, juntamente com o itérbio, um dos traçadores mais puros do processo s.
A abundância cósmica do lutécio é de cerca de 3,5×10⁻¹³ vezes a do hidrogênio em número de átomos, o que o torna uma das terras raras menos abundantes, comparável ao túlio e cerca de 2,3 vezes menos abundante que o itérbio. Sua extrema raridade é explicada por vários fatores: seu número atômico ímpar (71) segundo a regra de Oddo-Harkins, sua posição no final da cadeia de captura de nêutrons onde as seções de choque de captura tornam-se mais fracas, e o fato de ser o lantânido estável mais pesado (o próximo, o promécio, é radioativo).
O lutécio é um traçador importante do processo s, particularmente para estudar as etapas finais da nucleossíntese por captura de nêutrons. A razão lutécio/europio (Lu/Eu) nas estrelas é extremamente sensível à contribuição do processo s, já que o europio é dominado pelo processo r. Uma razão Lu/Eu elevada é uma assinatura característica de estrelas enriquecidas em elementos do processo s. Além disso, certas linhas espectrais do lutécio são sensíveis à temperatura, permitindo que este elemento seja usado como "termômetro" para determinar as temperaturas das atmosferas estelares em certas estrelas particulares.
A detecção do lutécio nas atmosferas estelares é difícil devido à sua raridade, mas foi realizada em várias estrelas graças a espectrógrafos modernos de alta resolução. As linhas do íon Lu II são as mais utilizadas. Em geoquímica, o lutécio, com seu isótopo radioativo Lu-176 (meia-vida de 37,8 bilhões de anos), é usado para datação de rochas (sistema Lu-Hf). Este sistema de datação é particularmente útil para o estudo da formação inicial da crosta terrestre e da evolução do manto, já que o lutécio e o háfnio têm comportamentos geoquímicos distintos durante os processos magmáticos.
O lutécio recebe seu nome de Lutetia, o nome latino da cidade de Paris. Este nome foi escolhido pelo químico francês Georges Urbain, que descobriu o elemento, para homenagear sua cidade natal. É um dos poucos elementos nomeados em homenagem a Paris, juntamente com o frâncio (também descoberto em Paris). O uso do nome latino Lutetia lembra as origens históricas da cidade, fundada pelos Parisii, um povo gaulês.
O lutécio foi descoberto quase simultaneamente e de forma independente por três pesquisadores em 1907. O químico francês Georges Urbain (1872-1938) conseguiu separar a iterbia de Marignac em dois óxidos: o neo-itérbio (que finalmente manteve o nome itérbio) e o lutécio. Quase ao mesmo tempo, o químico austríaco Carl Auer von Welsbach (1858-1929), inventor do manto de incandescência, separou os mesmos óxidos e os nomeou aldebarânio e cassiopeio. Enquanto isso, o químico americano Charles James (1880-1928), trabalhando na Universidade de New Hampshire, também conseguiu a separação. Após uma controvérsia, foi o nome "lutécio" proposto por Urbain que foi finalmente adotado internacionalmente, embora a grafia "lutetium" seja usada em alguns países anglófonos.
A separação do lutécio do itérbio foi um dos desafios analíticos mais difíceis da química das terras raras, devido à grande semelhança de suas propriedades químicas. Os três descobridores usaram métodos de cristalização fracionada extremamente trabalhosos, que exigiam milhares de repetições. Urbain usou principalmente a cristalização fracionada de nitratos, enquanto von Welsbach usou a de bromatos. Somente com o desenvolvimento das técnicas de troca iônica na década de 1950 é que o lutécio de alta pureza tornou-se relativamente acessível.
O lutécio está presente na crosta terrestre em uma concentração média de cerca de 0,5 ppm (partes por milhão), o que o torna uma das terras raras mais raras, comparável ao túlio e ao promécio (mas este último está praticamente ausente por ser radioativo). É cerca de 6 vezes menos abundante que o itérbio. Os principais minérios que contêm lutécio são a monazita ((Ce,La,Nd,Lu,Th)PO₄) e a bastnasita ((Ce,La,Nd,Lu)CO₃F), onde representa tipicamente 0,003 a 0,01% do teor total de terras raras, e a xenotima (YPO₄) onde pode estar ligeiramente mais concentrado. Também é encontrado na euxenita e na gadolinita.
A produção mundial de óxido de lutécio (Lu₂O₃) é de cerca de 10 a 20 toneladas por ano, o que o torna um dos elementos de terras raras menos produzidos. Devido à sua extrema raridade e aplicações altamente especializadas e de alto valor agregado, o lutécio é uma das terras raras mais caras, com preços típicos de 5.000 a 15.000 dólares por quilograma de óxido (ou mais para graus de alta pureza). A China domina amplamente a produção, mas mesmo lá, o lutécio é produzido em quantidades mínimas.
O lutécio metálico é produzido principalmente por redução metalotérmica do fluoreto de lutécio (LuF₃) com cálcio metálico em atmosfera inerte de argônio. A produção anual mundial de lutécio metálico é de apenas algumas centenas de quilogramas. A reciclagem do lutécio é praticamente inexistente devido às quantidades ínfimas utilizadas e à extrema dificuldade de recuperá-lo de produtos finais complexos.
O lutécio (símbolo Lu, número atômico 71) é o décimo quinto e último elemento da série dos lantânidos, fechando as terras raras do bloco f da tabela periódica. Seu átomo tem 71 prótons, geralmente 104 nêutrons (para o isótopo estável mais abundante \(\,^{175}\mathrm{Lu}\)) e 71 elétrons com a configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s². Esta configuração apresenta uma subcamada 4f completamente preenchida (14 elétrons) e um elétron na subcamada 5d, o que distingue o lutécio dos outros lantânidos e o aproxima quimicamente dos elementos do grupo 3 (escândio, ítrio).
O lutécio é um metal prateado, brilhante, relativamente duro e denso. Entre os lantânidos, é um dos mais duros e densos (9,84 g/cm³). Apresenta uma estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) à temperatura ambiente, ao contrário do itérbio que tem uma estrutura cúbica de faces centradas. O lutécio é paramagnético à temperatura ambiente devido ao elétron não pareado na subcamada 5d. Apresenta os pontos de fusão e ebulição mais altos de todos os lantânidos.
O lutécio funde a 1663 °C (1936 K) e ferve a 3402 °C (3675 K). Estes pontos de fusão e ebulição excepcionalmente altos fazem dele o lantânido mais refratário. O lutécio apresenta uma transformação alotrópica a 1675 °C onde sua estrutura cristalina muda de hexagonal compacta (HC) para cúbica centrada no corpo (CC). Sua condutividade elétrica é medíocre, cerca de 20 vezes inferior à do cobre. O lutécio é um bom condutor de calor para um lantânido.
O lutécio é relativamente estável no ar seco à temperatura ambiente, mas oxida-se lentamente para formar óxido Lu₂O₃. Oxida-se mais rapidamente quando aquecido e queima para formar o óxido: 4Lu + 3O₂ → 2Lu₂O₃. O lutécio reage lentamente com água fria e mais rapidamente com água quente para formar hidróxido de lutécio(III) Lu(OH)₃ e liberar hidrogênio. Dissolve-se facilmente em ácidos minerais diluídos. O metal deve ser armazenado sob óleo mineral ou em atmosfera inerte.
Ponto de fusão do lutécio: 1936 K (1663 °C) - o mais alto dos lantânidos.
Ponto de ebulição do lutécio: 3675 K (3402 °C) - o mais alto dos lantânidos.
Densidade: 9,84 g/cm³ - um dos lantânidos mais densos.
Estrutura cristalina à temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
Dureza: Relativamente duro entre os lantânidos.
| Isótopo / Notação | Prótons (Z) | Nêutrons (N) | Massa atômica (u) | Abundância natural | Meia-vida / Estabilidade | Decaimento / Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Lutécio-175 — \(\,^{175}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 104 | 174,940771 u | ≈ 97,41 % | Estável | Isótopo estável majoritário do lutécio natural. |
| Lutécio-176 — \(\,^{176}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 105 | 175,942686 u | ≈ 2,59 % | 3,78×10¹⁰ anos | Radioativo beta menos (β⁻) com meia-vida extremamente longa. Utilizado em geocronologia (sistema Lu-Hf). |
| Lutécio-177 — \(\,^{177}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 106 | 176,943758 u | Sintético | ≈ 6,65 dias | Radioativo (β⁻). Isótopo médico major utilizado em radioterapia direcionada (teragnóstico). |
| Lutécio-177m — \(\,^{177m}\mathrm{Lu}\,\) | 71 | 106 | 176,943758 u | Sintético | ≈ 160,4 dias | Isômero nuclear metaestável de Lu-177. Emissor gama utilizado em pesquisa e calibração. |
N.B.:
Camadas eletrônicas: Como os elétrons estão organizados ao redor do núcleo.
O lutécio possui 71 elétrons distribuídos em seis camadas eletrônicas. Sua configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s² apresenta uma subcamada 4f completamente preenchida (14 elétrons) e um elétron na subcamada 5d. Esta configuração também pode ser escrita como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(3), ou de forma completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s².
Camada K (n=1): contém 2 elétrons na subcamada 1s. Esta camada interna está completa e é muito estável.
Camada L (n=2): contém 8 elétrons distribuídos em 2s² 2p⁶. Esta camada está completa, formando uma configuração de gás nobre (neônio).
Camada M (n=3): contém 18 elétrons distribuídos em 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta camada completa contribui para a blindagem eletrônica.
Camada N (n=4): contém 18 elétrons distribuídos em 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta camada forma uma estrutura estável.
Camada O (n=5): contém 32 elétrons distribuídos em 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d¹. A subcamada 4f completamente preenchida e a presença de um elétron 5d caracterizam a química do lutécio.
Camada P (n=6): contém 3 elétrons nas subcamadas 6s² e 5d¹ (embora 5d pertença à camada n=5, está energeticamentre próxima de 6s).
O lutécio possui efetivamente 17 elétrons de valência: catorze elétrons 4f¹⁴, dois elétrons 6s² e um elétron 5d¹. No entanto, o lutécio apresenta quase exclusivamente o estado de oxidação +3 em seus compostos estáveis. Neste estado, o lutécio perde seus dois elétrons 6s e seu elétron 5d para formar o íon Lu³⁺ com a configuração eletrônica [Xe] 4f¹⁴. Este íon possui uma subcamada 4f completamente preenchida e é diamagnético, o que é único entre os íons lantânidos trivalentes (todos os outros são paramagnéticos).
Ao contrário de alguns lantânidos como o európio ou o itérbio, o lutécio não forma um estado de oxidação +2 estável em condições normais. Alguns compostos de lutécio(II) foram sintetizados em condições extremas, mas são muito instáveis. O estado +3 é, portanto, o único quimicamente significativo. Esta estabilidade exclusiva do estado +3, combinada com o pequeno raio iônico de Lu³⁺ (100,1 pm para uma coordenação 8, o menor de todos os lantânidos), confere ao lutécio uma química distinta que o aproxima mais do ítrio e do escândio do que dos outros lantânidos.
A química do lutécio é, portanto, dominada pelo estado +3. O íon Lu³⁺ forma complexos geralmente incolores em solução aquosa (a transição 4f → 4f é proibida e muito fraca). Seus sais são diamagnéticos. O pequeno raio iônico de Lu³⁺ lhe confere uma alta densidade de carga, o que resulta em uma química de coordenação com preferência por ligantes doadores de oxigênio e uma tendência a formar complexos com números de coordenação mais altos.
O lutécio metálico é relativamente estável no ar seco à temperatura ambiente, formando uma fina camada protetora de óxido de Lu₂O₃. A alta temperatura (acima de 200 °C), oxida-se rapidamente e queima para formar o óxido: 4Lu + 3O₂ → 2Lu₂O₃. O óxido de lutécio(III) é um sólido branco com uma estrutura cúbica do tipo C-terra rara. Em pó fino, o lutécio é pirofórico e pode inflamar-se espontaneamente no ar.
O lutécio reage lentamente com água fria e mais rapidamente com água quente para formar hidróxido de lutécio(III) Lu(OH)₃ e liberar hidrogênio gasoso: 2Lu + 6H₂O → 2Lu(OH)₃ + 3H₂↑. O hidróxido precipita como um sólido branco gelatinoso pouco solúvel. Como com outros lantânidos, a reação não é violenta, mas é observável a longo prazo.
O lutécio reage com todos os halogênios para formar os tri-haletos correspondentes: 2Lu + 3F₂ → 2LuF₃ (fluoreto branco); 2Lu + 3Cl₂ → 2LuCl₃ (cloreto branco). O lutécio dissolve-se facilmente em ácidos minerais diluídos (clorídrico, sulfúrico, nítrico) com liberação de hidrogênio e formação dos sais correspondentes de Lu³⁺: 2Lu + 6HCl → 2LuCl₃ + 3H₂↑.
O lutécio reage com hidrogênio a temperatura moderada (300-400 °C) para formar LuH₂, depois LuH₃ a temperatura mais alta. Com enxofre, forma o sulfeto Lu₂S₃. Reage com nitrogênio a alta temperatura (>1000 °C) para formar o nitreto LuN, e com carbono para formar o carbeto LuC₂. O lutécio também forma numerosos complexos de coordenação com ligantes orgânicos, embora esta química seja menos desenvolvida do que para alguns outros lantânidos devido ao seu alto custo.
A propriedade mais notável do lutécio é o pequeno tamanho e a alta estabilidade de seu íon Lu³⁺. Com um raio iônico de apenas 100,1 pm (para uma coordenação 8), Lu³⁺ é o íon trivalente mais pequeno de todas as terras raras. Este pequeno tamanho, combinado com sua alta carga, dá a Lu³⁺ uma densidade de carga excepcionalmente alta. Isto resulta em forte polarização dos ligantes, alta afinidade por ligantes duros (átomos doadores de oxigênio), e uma tendência a formar complexos com números de coordenação mais altos. Estas propriedades são exploradas em catálise e em materiais avançados.
O teragnóstico é uma abordagem médica que combina terapia e diagnóstico usando o mesmo agente ou agentes similares. O lutécio-177 (¹⁷⁷Lu) é um isótopo radioativo ideal para esta abordagem. Emite partículas beta (β⁻) de energia média (máx. 497 keV, média 133 keV) que são terapêuticas, e raios gama de baixa energia (113 keV e 208 keV) que permitem a imagem (cintilografia). Assim, a mesma molécula marcada com Lu-177 pode tanto tratar o tumor (terapia) quanto visualizar sua localização (diagnóstico).
A aplicação mais estabelecida do Lu-177 é o tratamento de tumores neuroendócrinos (TNE), especialmente os tumores gastroenteropancreáticos. O tratamento geralmente usa um análogo da somatostatina (como DOTATATE ou DOTATOC) conjugado a um quelato (DOTA) que fixa firmemente o Lu-177. Esta molécula tem como alvo os receptores de somatostatina que estão superexpressos na superfície das células tumorais neuroendócrinas. Uma vez injetado, o composto liga-se às células tumorais, entregando uma dose alta de radiação localmente enquanto poupa os tecidos sadios.
O Lu-177 também é usado para tratar o câncer de próstata metastático resistente à castração (CPRCm). Neste caso, é acoplado ao PSMA (antígeno específico da membrana prostática), uma proteína superexpressa na superfície das células cancerosas da próstata. O ¹⁷⁷Lu-PSMA-617 mostrou resultados promissores no tratamento de pacientes com falha terapêutica, melhorando a sobrevivência e a qualidade de vida.
O Lu-177 está sendo estudado para o tratamento de outros cânceres, incluindo câncer de pulmão de pequenas células, glioblastomas, câncer de ovário e linfomas. Novos alvos moleculares e vetores estão em desenvolvimento para ampliar as indicações.
O Lu-177 é produzido principalmente por irradiação neutrônica do itérbio-176 (¹⁷⁶Yb(n,γ)¹⁷⁷Yb → ¹⁷⁷Lu) em reatores nucleares, ou por separação a partir do itérbio-176 alvo após irradiação. Um método alternativo utiliza a irradiação direta do lutécio-176 (¹⁷⁶Lu(n,γ)¹⁷⁷Lu), mas produz Lu-177 com impurezas radioativas. A crescente demanda por Lu-177 criou tensões no fornecimento e estimulou o desenvolvimento de novas capacidades de produção.
O lutécio é usado como promotor em catalisadores de craqueamento catalítico em leito fluidizado (FCC), que transformam as frações pesadas do petróleo em produtos mais leves e valiosos (gasolina, diesel, produtos petroquímicos). As zeólitas do tipo Y, componente principal dos catalisadores FCC, são frequentemente modificadas com terras raras para melhorar sua estabilidade térmica e hidrotermal, e sua atividade catalítica. O lutécio, devido ao seu pequeno raio iônico e alta carga, é particularmente eficaz para estabilizar a estrutura da zeólita e modular sua acidez.
Os íons Lu³⁺ substituem os íons sódio nos sítios trocáveis da zeólita. Seu pequeno tamanho e alta carga criam fortes campos eletrostáticos que polarizam as moléculas de hidrocarbonetos, favorecendo as reações de craqueamento. Além disso, o lutécio aumenta a resistência da zeólita à desativação por vapor de água em alta temperatura, o que é crucial nas condições severas das unidades FCC. Mesmo em concentrações muito baixas (tipicamente menos de 0,1% em peso no catalisador), o lutécio pode melhorar significativamente o desempenho.
A melhora na atividade e seletividade do catalisador FCC pelo lutécio permite aumentar o rendimento de gasolina, reduzir a produção de subprodutos indesejados e prolongar a vida útil do catalisador. Isso resulta em ganhos econômicos substanciais para as refinarias. Embora o lutécio seja muito caro, as quantidades requeridas são tão pequenas que seu uso pode ser economicamente justificado em refinarias de grande capacidade.
Os cintiladores são materiais que emitem luz quando atingidos por radiações ionizantes. O lutécio faz parte de vários cintiladores de alto desempenho:
Os cristais de LuAG (granada de alumínio e lutécio) dopados com íons ativos como o cério (Ce³⁺) ou o praseodímio (Pr³⁺) são usados como meios amplificadores para lasers de alto desempenho. Estes lasers são estudados para aplicações em usinagem de precisão, medicina e pesquisa.
O óxido de lutécio (Lu₂O₃) é incorporado em certos vidros ópticos especiais para aumentar seu índice de refração e dispersão. Estes vidros são usados em lentes de câmeras de alta qualidade, microscópios e outros instrumentos ópticos de precisão onde a redução de aberrações cromáticas é crítica.
O sistema isotópico lutécio-176/háfnio-176 (¹⁷⁶Lu → ¹⁷⁶Hf, meia-vida de 37,8 bilhões de anos) é usado para datar eventos geológicos antigos, em particular a diferenciação inicial da crosta terrestre e do manto. Como o lutécio e o háfnio têm comportamentos geoquímicos diferentes (o lutécio é mais compatível que o háfnio em minerais do manto), sua razão evolui de forma diferente na crosta e no manto, permitindo rastrear a história da formação da crosta continental.
O lutécio e seus compostos apresentam baixa toxicidade química, comparável a outros lantânidos. Não foi demonstrada toxicidade aguda grave nem efeitos cancerígenos. Como com outras terras raras, a principal toxicidade estaria relacionada à interferência com o metabolismo do cálcio em caso de exposição a altas doses. O lutécio não tem papel biológico conhecido.
Em caso de exposição, o lutécio comporta-se como outros lantânidos: acumula-se principalmente no fígado e nos ossos, com eliminação muito lenta. A exposição da população em geral é extremamente baixa, praticamente nula, devido à extrema raridade do elemento e suas aplicações muito especializadas.
Para o isótopo Lu-177 usado em medicina nuclear, são necessárias precauções rigorosas de radioproteção durante a produção, preparação de radiofármacos, administração a pacientes e gestão de resíduos. A equipe médica deve seguir os protocolos de radioproteção para emissores beta/gamma. Pacientes tratados com Lu-177 emitem radiação e às vezes requerem precauções especiais (limitação de contato com familiares, gestão de excreções) por alguns dias após a injeção.
Os impactos ambientais especificamente relacionados ao lutécio são negligenciáveis devido às quantidades mínimas produzidas. A reciclagem do lutécio é praticamente inexistente. Os resíduos médicos contendo Lu-177 são tratados como resíduos radioativos e armazenados até o decaimento completo (a meia-vida de 6,65 dias significa que após cerca de 10 meias-vidas, ou seja, 67 dias, a atividade é reduzida a menos de 0,1% da atividade inicial). O desenvolvimento de métodos de reciclagem de lutécio a partir de resíduos médicos ou industriais é improvável devido aos custos proibitivos.
A exposição profissional é limitada aos poucos trabalhadores envolvidos na produção de compostos de lutécio, fabricação de radiofármacos com Lu-177 e uso médico desses produtos. Aplicam-se precauções padrão para poeiras metálicas (para o lutécio estável) e radioproteção (para o Lu-177). O número de pessoas expostas é extremamente baixo.
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