Тулій

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Тулій (Tm)
Атомний номер 69
Зовнішній вигляд
простої речовини
м'який, ковкий , в'язкий
сріблястий метал
Thulium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
168,93421 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 177 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
589,0(6,10) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Xe] 4f13 6s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 156 пм
Радіус іона (+3e) 87 пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,25
Електродний потенціал Tm←Tm3+ -2,32В
Tm←Tm2+ -2,3В
Ступені окиснення 3, 2
Термодинамічні властивості
Густина 9,321 г/см³
Питома теплоємність 0,160 Дж/(K моль)
Теплопровідність (16,9) Вт/(м К)
Температура плавлення 1818 K
Теплота плавлення n/a кДж/моль
Температура кипіння 2220 K
Теплота випаровування 232 кДж/моль
Молярний об'єм 18,1 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки гексагональна
Період ґратки 3,540 Å
Відношення c/a 1,570
Температура Дебая n/a K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Тулій є хімічним елементом, що позначається символом Tm та має атомний номер 69. Атомна маса 168,9342. Тулій - це найменш поширений у природі лантаноїд (не рахуючи радіоактивного прометію що зустрічається у слідових кількостях на Землі). Тулій у вигляді металу легко піддається обробці та має сріблясто-білий колір. Незважаючи на його рідкість та високу ціну, тулій застосовується у перспективних твердотілих лазерах та у вигляді радіоізотопу у портативних рентгенівських апаратах. Назва - від давньогрецької назви Скандинавії – Туле.

Історія[ред.ред. код]

Тулій було відкрито шведським хіміком Пером Теодором Клеве у 1879 як домішка до оксидів інших рідкісноземельних елементів (було використано метод, якій було запропоновано Карлом Густавом Мозандером для пошуку та виділення нових рідкісноземельних елементів). Клеве відокремив усі відомі домішки з Ербії - "землі" (оксиду) елементу (Er2O3). Після додаткових процедур Клеве виділив дві нові субстанції: одну коричневого кольору, іншу зеленого. Коричневою була земля, яку Клеве запропонував назвати "Гольмия" та яка відповідає елементу гольмій, зелену ж землю він назвав "Тулія" та новій елемент Тулієм на честь Thule, латинської назви Скандинавії.

Тулій був настільки рідкісним, що в жодного з ранніх дослідників не було його достатньої кількості, щоб мати змогу його достатньо очистити, щоб побачити зелений колір його сполук; їм доводилося радіти хоча б тому, що характерні спектральні лінії тулію підсилювалися, коли зі зразку поступово видаляли ербій. Першим дослідником, що отримав достатньо чисту тулію (оксид тулію), був Чарльз Джеймс, з коледжу в Даремі, Нью-Гемпшир. У 1911 він повідомив про те, що фракційна кристалізація броматів дозволила йому виділити чистий матеріал. Він провів 15 000 "операцій" кристалізації для встановлення гомогенності його матеріалу.[1]

Оксид тулію високої чистоту вперше став комерційно доступний з кінця 1950-х, в результаті вдосконалення методу іонно-обміних технологій розділення. Підрозділ Lindsay Chemical Division фірми American Potash & Chemical Corporation запропонувала сорти 99% та 99,9% чистоти. Ціна за кілограм коливалася між US$4600 та $13300 в період з 1959 до 1998 для препарату 99,9% чистоти, це була найвища ціна на лантаноїд після лютецію.[2][3]

Розповсюдженість[ред.ред. код]

Monazit - Madagaskar.jpg

Тулій – найбільш рідкісний з рідкісноземельних елементів, які зустрічаються в природі, його сер. вміст у земній корі 2,7•10-5 % (мас), у морській воді – 10−7 мг/літр. Зустрічається в мінералах, які містять рідкісноземельні елементи: ксенотимі, гадолініті, самарськіті, ітріаліті, евксеніті, монациті, лопариті, бастнезиті, ортиті та інш.

Цей елемент ніколи не зустрічається у природі в вільному стані, однак він міститься у невеликих кількостях у мінералах з іншими рідкісноземельними елементами. Його вміст у земній корі становить 0,5 мг/кг.[4]


Тулій як проста речовина[ред.ред. код]

Проста речовина – тулій. М’який метал світло-сірого кольору, належить до лантаноїдів. Кристалічна ґратка гексагональна. Густина 9320 кг/м3, tплав 1545 оС, tкип 1947 оС. Стійкий на повітрі, при кімнатній температурі взаємодіє з соляною, азотною, сірчаною і ортофосфорною к-тами, при нагріванні – з воднем, азотом, сіркою, галогенами. На повітрі компактний тулій практично не окиснюється, при нагріванні у вологому повітрі слабко окиснюється. Взаємодіє з галогенами, халькогенами і N2 при нагріванні. У водному середовищі перебуває у вигляді похідних Tm(III).

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Тулій повільно, а при високій температурі активно реагує з киснем повітря з утворенням тулій (ІІІ) оксиду:

4 Tm + 3 O2 → 2 Tm2O3

Повільно реагує з водою, однак реакція пришвидшується при нагріванні з утворенням гідроксиду:

2 Tm + 6 H2O → 2 Tm(OH)3 + 3 H2

Тулій реагує з галогенами:

2 Tm + 3 F2 → 2 TmF3 [сіль білого кольору ]
2 Tm + 3 Cl2 → 2 TmCl3 [сіль жовтого кольору]
2 Tm + 3 Br2 → 2 TmBr3 [сіль білого кольору ]
2 Tm + 3 I2 → 2 TmI3 [сіль жовтого кольору ]

Tm реагує з розбавленою сульфатною кислотою з утворенням Tm(III) іону який забарвлює розчин у зелений колір (існує як [Tm(OH2)9]3+ аква-комплекс)

2 Tm + 3 H2SO4 → 2 Tm3+ + 3 SO2−4 + 3 H2

Одержання[ред.ред. код]

При переробці концентратів РЗЕ тулій концентрується з найбільш важкими елементами – Yb і Lu. Розділення і очищення здійснюють екстракцією або іонообмінною хроматографією з використанням комплексонів. Тулій випускають у невеликій кількості у вигляді Tm2O3. Металічний Т. шляхом лантанотермічного відновлення оксиду Tm2O3 або термічного відновлення TmF3 кальцієм.

Тулій в основному видобувають із монациту (~0,007% тулію) - руди, що міститься в деяких пісках, за допомогою технологій іонного обміну.

Нові іонно-обмінні технології та технології екстракції за допомогою органічних розчинників дозволили ефективно та більш легко виділяти тулій, скорочуючи витрати на його видобуток. Головним джерелом тулію на сьогодні є глинясті родовища південного Китаю. В таких мінералах, де ітрій становить 2/3 від всього рідкісноземельного компоненту руди, всього 0,5% тулію. Після виділення Метал може бути виділеним шляхом відновлення його оксиду лантаном або кальцієм в закритому реакторі за високих температур. За іншим методом, тулій відновлюють із фториду металотермічно кальцієм:
2TmF3 + 3Ca = 3CaF2 + 2Tm

Застосування[ред.ред. код]

Рідкісний та дорогий тулій має декілька застосувань:

Лазери[ред.ред. код]

Гольмій-хром-тулієві потрійно-доповані YAG (Ho:Cr:Tm:YAG, або Ho,Cr,Tm:YAG) є активним середовищем для лазерів з високою ефективністю. Цей лазер випромінює при 2097 нм та має широке застосування у воєнній техніці, медицині, та метеорології. YAG, що доповано виключно самим тулієм (Tm:YAG) є активним середовищем для лазерів із довжиною хвиль 1930 та 2040 нм.[5] Довжина хвилі лазерів на основі тулію є дуже ефективною для поверхневої абляції біологічних тканин, з мінімальною глибиною коагуляції як у повітрі так й у воді. Це робить тулієві лазери привабливими для лазерної хірургії.[6]

Джерела рентгенівського випромінювання[ред.ред. код]

Незважаючи на свою високу вартість, в портативних рентгенівських апаратах в якості джерела випромінювання використовують тулій, який було опромінено нейтронами у ядерному реакторі. Ці джерела активні протягом приблизно одного року, як інструмент у мобільних медичних та стоматологічних пунктах, а також для виявлення дефектів у важкодоступних механічних та електронних компонентах. Такі джерела не потребують серйозного радіаційного захисту - достатньо невеликого покриття зі свинцю.[7]

Тулій-170 набирає популярність в якості джерела рентгенівського випромінювання для лікування раку за допомогою брахітерапії.[8] Цей ізотоп має період напіврозпаду 128,6 дня і має п'ять основних ліній випромінювання, з енергіями (7,4, 51,354, 52,389, 59,4 та 84,253 кеВ).[9]

Інші застосування[ред.ред. код]

Тулій був використаний для отримання високотемпературних надпровідників в якості аналогу ітрію. Тулій потенційно може бути використаним у феритах - керамічних магнітних матеріалах, які використовуються в мікрохвильовому обладнанні.[7] Тулій також схожий на скандій в тому, що у спектрі емісії в електричної дузі його зелені лінії не перекриваються з лініями інших елементів.[10]

Тулій використовують як активатор люмінофорів для мед. радіографії (LaOBr - Tm, блакитне свічення) і лазерних матеріалів (Er2O3 - Tm, CaWO4 - Tm). Штучно одержаний радіоактивний ізотоп 170Тm, – джерело β-випромінювання, – застосовують у техніці для гамма-дефектоскопії, а також у рентгенівських мед. установках.

Біологічна роль та застереження[ред.ред. код]

Біологічних роль тулію не відома, хоча було відзначено, що він дещо стимулює обмін речовин. Розчинні солі тулію є трохи токсичними, якщо їх введено в організм у великих кількостях, але нерозчинні солі нетоксичні. Тулій не всмоктується корінням рослин, і тому не потрапляє у харчовий ланцюг людини. Овочі зазвичай містять тільки один міліграм тулію за тонну сухої ваги).[4]

Література[ред.ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет - Донецьк:»Вебер», 2008. – 758 с. ISBN 978-966-335-206-0

Примітки[ред.ред. код]

  1. James, Charles (1911). «Thulium I». J. Am. Chem. Soc. 33 (8). с. 1332–1344. doi:10.1021/ja02221a007. 
  2. James B. Hedrick. «Rare-Earth Metals». USGS. Процитовано 2009-06-06. 
  3. Stephen B. Castor and James B. Hedrick. «Rare Earth Elements». Процитовано 2009-06-06. 
  4. а б John Emsley (2001). Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. US: Oxford University Press. с. 442–443. ISBN 0198503415. 
  5. Walter Koechner (2006). Solid-state laser engineering. Springer. с. 49. ISBN 038729094X. 
  6. Frank J. Duarte (2008). Tunable laser applications. CRC Press. с. 214. ISBN 1420060090. 
  7. а б C. K. Gupta, Nagaiyar Krishnamurthy (2004). Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press. с. 32. ISBN 0415333407. 
  8. Krishnamurthy, Devan; Vivian Weinberg, J. Adam M. Cunha, I-Chow Hsu, Jean Pouliot (2011). «Comparison of high–dose rate prostate brachytherapy dose distributions with iridium-192, ytterbium-169, and thulium-170 sources». Brachytherapy 10 (6). с. 461–465. doi:10.1016/j.brachy.2011.01.012. 
  9. Ayoub, Amal Hwaree et al. Development of New Tm-170 Radioactive Seeds for Brachytherapy, Department of Biomedical Engineering, Ben-Gurion University of the Negev
  10. Theodore W. Gray, Nick Mann (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom In The Universe. Black Dog & Leventhal Publishers. с. 159. ISBN 139781579128142 Перевірте значення |isbn= (довідка). 

Посилання[ред.ред. код]

Хімічні реакції тулію на webelements.com (англ.)