Тулий - Thulium
 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Тулий | |||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Произношение |
/ Θj ¯u л я ə м / |
||||||||||||||||||||||||||||||
| Появление | серебристо-серый | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Стандартный атомный вес A r, std (Tm) | 168,934 218 (6) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Тулий в периодической таблице | |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомный номер ( Z ) | 69 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Группа | группа н / д | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Период | период 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Блокировать | f-блок | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Электронная конфигурация | [ Xe ] 4f 13 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Электронов на оболочку | 2, 8, 18, 31, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Физические свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Фаза на СТП | твердый | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура плавления | 1818 К (1545 ° С, 2813 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Точка кипения | 2223 К (1950 ° C, 3542 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Плотность (около rt ) | 9,32 г / см 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| в жидком состоянии (при т. пл. ) | 8,56 г / см 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплота плавления | 16,84 кДж / моль | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплота испарения | 191 кДж / моль | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Молярная теплоемкость | 27,03 Дж / (моль · К) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Давление газа
| |||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомные свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Состояния окисления | 0, +2, +3 ( основной оксид) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Электроотрицательность | Шкала Полинга: 1,25 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Энергии ионизации | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Радиус атома | эмпирический: 176 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Ковалентный радиус | 190 ± 10 часов вечера | ||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Прочие свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Естественное явление | изначальный | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Кристальная структура | гексагональный плотноупакованный (hcp) |
||||||||||||||||||||||||||||||
| Тепловое расширение | поли: 13,3 мкм / (м⋅K) (при комнатной температуре ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплопроводность | 16,9 Вт / (м⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Удельное электрическое сопротивление | поли: 676 нОм⋅м (при комнатной температуре ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Магнитный заказ | парамагнитный (при 300 К) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Молярная магнитная восприимчивость | +25 500 × 10 −6 см 3 / моль (291 К) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Модуль для младших | 74,0 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Модуль сдвига | 30,5 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Объемный модуль | 44,5 ГПа | ||||||||||||||||||||||||||||||
| коэффициент Пуассона | 0,213 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Твердость по Виккерсу | 470–650 МПа | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Твердость по Бринеллю | 470–900 МПа | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Количество CAS | 7440-30-4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| История | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Именование | после Туле , мифического региона в Скандинавии | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Открытие и первая изоляция | Пер Теодор Клев (1879) | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Основные изотопы тулия | |||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||
Тулий - химический элемент с символом Tm и атомным номером 69. Это тринадцатый и третий последний элемент в ряду лантанидов . Как и у других лантаноидов, наиболее распространенная степень окисления +3, проявляющаяся в его оксиде, галогенидах и других соединениях; поскольку это происходит так поздно в серии, степень окисления +2 также стабилизируется почти полной оболочкой 4f, которая в результате получается. В водном растворе , как и соединения других поздних лантаноидов, растворимые соединения тулия образуют координационные комплексы с девятью молекулами воды.
В 1879 году шведский химик Пер Теодор Клеве выделил из оксида редкоземельного элемента эрбия еще два ранее неизвестных компонента, которые он назвал холмией и тулией ; это были оксиды гольмия и тулия соответственно. Относительно чистый образец металлического тулия был впервые получен в 1911 году.
Тулий является вторым наименее распространенным из лантаноидов после радиоактивно нестабильного прометия, который на Земле встречается только в следовых количествах . Это легко обрабатываемый металл с ярким серебристо-серым блеском. Он довольно мягкий и медленно тускнеет на воздухе. Несмотря на свою высокую цену и редкость, тулий используется в качестве источника излучения в портативных рентгеновских устройствах и в некоторых твердотельных лазерах . Он не играет значительной биологической роли и не особо токсичен.
Характеристики
Физические свойства
Чистый металлический тулий имеет яркий серебристый блеск, который тускнеет на воздухе. Металл можно разрезать ножом, так как он имеет твердость по шкале Мооса от 2 до 3; он податлив и пластичен. Тулий ферромагнитен ниже 32 К, антиферромагнитен между 32 и 56 К и парамагнитен выше 56 К.
Тулий имеет два основных аллотропа : тетрагональный α-Tm и более стабильный гексагональный β-Tm.
Химические свойства
Тулий медленно тускнеет на воздухе и легко горит при 150 ° C с образованием оксида тулия (III) :
- 4 Tm + 3 O 2 → 2 Tm 2 O 3
Тулий довольно электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой с образованием гидроксида тулия:
- 2 Tm (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Tm (OH) 3 (водн.) + 3 H 2 (г)
Тулий вступает в реакцию со всеми галогенами . Реакции протекают медленно при комнатной температуре, но интенсивны при температуре выше 200 ° C:
- 2 Tm (s) + 3 F 2 (g) → 2 TmF 3 (s) (белый)
- 2 Tm (s) + 3 Cl 2 (г) → 2 TmCl 3 (s) (желтый)
- 2 Tm (s) + 3 Br 2 (г) → 2 TmBr 3 (s) (белый)
- 2 Tm (s) + 3 I 2 (g) → 2 TmI 3 (s) (желтый)
Тулий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих бледно-зеленые ионы Tm (III), которые существуют в виде комплексов [Tm (OH 2 ) 9 ] 3+ :
- 2 Tm (с) + 3 H 2 SO 4 (водн.) → 2 Tm 3+ (водн.) + 3 SO2-
4(водн.) + 3 H 2 (г)
Тулий реагирует с различными металлическими и неметаллическими элементами, образуя ряд бинарных соединений, включая TmN, TmS, TmC 2 , Tm 2 C 3 , TmH 2 , TmH 3 , TmSi 2 , TmGe 3 , TmB 4 , TmB 6 и TmB 12. . В этих соединениях тулий проявляет валентные состояния +2 и +3, однако состояние +3 является наиболее распространенным, и только это состояние наблюдается в растворах тулия. Тулий существует в растворе в виде иона Tm 3+ . В этом состоянии ион тулия окружен девятью молекулами воды. Ионы Tm 3+ демонстрируют ярко-голубое свечение.
Единственный известный оксид тулия - Tm 2 O 3 . Этот оксид иногда называют «тулией». Красновато-пурпурные соединения тулия (II) могут быть получены восстановлением соединений тулия (III). Примеры соединений тулия (II) включают галогениды (кроме фторида). Некоторые гидратированные соединения тулия, такие как TmCl 3 · 7H 2 O и Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 6H 2 O, имеют зеленый или зеленовато-белый цвет. Дихлорид тулия очень бурно реагирует с водой . В результате этой реакции образуется газообразный водород и Tm (OH) 3, которые приобретают блеклый красноватый цвет. Комбинация тулия и халькогенов приводит к халькогенидам тулия .
Тулий реагирует с хлористым водородом с образованием газообразного водорода и хлорида тулия. С азотной кислотой образуется нитрат тулия, или Tm (NO 3 ) 3 .
Изотопы
Изотопы тулия варьируются от 145 до 179 Tm. Первичная мода распада перед наиболее распространенным стабильным изотопом, 169 Tm, - это захват электронов , а первичная мода после - это бета-излучение . Первичные продукты распада до 169 Tm - изотопы элемента 68 ( эрбия ), а первичные продукты после - изотопы элемента 70 ( иттербий ).
Тулий-169 - единственный первичный изотоп тулия и единственный изотоп тулия, который считается стабильным; предсказано, что он подвергнется альфа-распаду до гольмия- 165 с очень длинным периодом полураспада. Самыми долгоживущими радиоизотопами являются тулий-171 с периодом полураспада 1,92 года и тулий-170 с периодом полураспада 128,6 дня. У большинства других изотопов период полураспада составляет несколько минут или меньше. Обнаружено тридцать пять изотопов и 26 ядерных изомеров тулия. Большинство изотопов тулия легче 169 атомных единиц массы распадаются в результате захвата электронов или бета-распада , хотя некоторые из них демонстрируют значительный альфа-распад или испускание протонов . Более тяжелые изотопы подвергаются бета-распаду .
История
Тулий был открыт шведским химиком Пер Теодором Клеве в 1879 году при поиске примесей в оксидах других редкоземельных элементов (это был тот же метод, который Карл Густав Мосандер ранее использовал для обнаружения некоторых других редкоземельных элементов). Клив начал с удаления всех известных загрязнителей эрбии ( Er 2 O 3 ). При дополнительной обработке он получил два новых вещества; один коричневый и один зеленый. Коричневое вещество было оксидом элемента гольмия и было названо Кливом холмией, а зеленое вещество - оксидом неизвестного элемента. Клив назвал оксид тулию и ее элемент тулий в честь Туле , древнегреческого топонима, связанного со Скандинавией или Исландией . Когда-то атомным символом Тулия было Tu, но теперь его заменили на Tm.
Тулий был настолько редок, что никому из первых исследователей не хватало его, чтобы очистить его настолько, чтобы увидеть зеленый цвет; они должны были довольствоваться спектроскопическим наблюдением усиления двух характеристических полос поглощения, поскольку эрбий постепенно удалялся. Первым исследователем, получившим почти чистый тулий, был Чарльз Джеймс , британский эмигрант, работавший в больших масштабах в Нью-Хэмпширском колледже в Дареме , США. В 1911 году он сообщил о своих результатах, применив для очистки открытый им метод фракционной кристаллизации бромата. Как известно, ему потребовалось 15 000 операций по очистке, чтобы убедиться, что материал однороден.
Оксид тулия высокой чистоты впервые был коммерчески предложен в конце 1950-х годов в результате внедрения технологии ионообменного разделения. Линдсейское химическое подразделение Американской калийной и химической корпорации предлагало его с чистотой 99% и 99,9%. Цена за килограмм колебалась от 4600 до 13 300 долларов США в период с 1959 по 1998 год за чистоту 99,9% и была второй по величине для лантанидов после лютеция .
Вхождение
Этот элемент никогда не встречается в природе в чистом виде, но в небольших количествах он содержится в минералах вместе с другими редкоземельными элементами. Тулий часто встречается с минералами, содержащими иттрий и гадолиний . В частности, тулий содержится в минерале гадолините . Однако тулий также входит в состав минералов монацита , ксенотима и эвксенита . Преобладание тулия над другими редкоземельными элементами ни в одном минерале пока не обнаружено. Его содержание в земной коре составляет 0,5 мг / кг по весу и 50 частей на миллиард по молям . Тулий составляет примерно 0,5 частей на миллион почвы , хотя это значение может колебаться от 0,4 до 0,8 частей на миллион. Тулий составляет 250 частей на квадриллион морской воды . В Солнечной системе тулий существует в концентрациях 200 частей на триллион по весу и 1 часть на триллион по молям. Тулиевая руда чаще всего встречается в Китае . Однако Австралия , Бразилия , Гренландия , Индия , Танзания и США также имеют большие запасы тулия. Общие запасы тулия составляют около 100 000 тонн . Тулий является наименее распространенным лантанидом на Земле, за исключением радиоактивного прометия .
Производство
Тулий главным образом извлекается из монацитовых руд (~ 0,007% тулия), обнаруженных в речных песках, посредством ионного обмена . Новые методы ионного обмена и экстракции растворителем привели к более легкому разделению редкоземельных элементов, что привело к гораздо более низким затратам на производство тулия. Основными источниками сегодня являются ионно- адсорбционные глины южного Китая. В них, где около двух третей общего содержания редкоземельных элементов составляет иттрий, тулий составляет около 0,5% (или примерно связан с лютецием для редкости). Металл можно выделить восстановлением его оксида металлическим лантаном или восстановлением кальция в закрытом контейнере. Ни одно из природных соединений тулия не имеет коммерческого значения. Производится около 50 тонн оксида тулия в год. В 1996 году оксид тулия стоил 20 долларов США за грамм, а в 2005 году порошок металлического тулия чистоты 99% стоил 70 долларов США за грамм.
Приложения
Тулий имеет несколько применений:
Лазерный
Гольмиевый - хром -thulium тройной легированного иттрий - алюминиевого граната (Ho: Cr , Tm: YAG, или Хо, Cr, Tm: YAG) является активной лазерной средой материал с высокой эффективностью. Он излучает на длине волны 2080 нм в инфракрасном диапазоне и широко используется в военных приложениях, медицине и метеорологии. Одноэлементные лазеры на YAG (Tm: YAG), легированные тулием, работают на длине волны 2010 нм. Длина волны лазеров на основе тулия очень эффективна для поверхностной абляции ткани с минимальной глубиной коагуляции на воздухе или в воде. Это делает тулиевые лазеры привлекательными для лазерной хирургии.
Источник рентгеновского излучения
Несмотря на свою высокую стоимость, портативные рентгеновские устройства используют тулий, который бомбардировали нейтронами в ядерном реакторе для получения изотопа тулий-170 с периодом полураспада 128,6 дня и пятью основными линиями излучения сопоставимой интенсивности (7,4, Эти радиоактивные источники имеют срок полезного использования около одного года в качестве инструментов для медицинской и стоматологической диагностики, а также для обнаружения дефектов в недоступных механических и электронных компонентах. Такие источники не нуждаются в обширной радиационной защите - только небольшая чашка свинца. Они являются одними из самых популярных источников излучения для использования в промышленной радиографии . Тулий-170 становится все более популярным в качестве источника рентгеновского излучения для лечения рака с помощью брахитерапии (лучевой терапии с закрытым источником).
Другие
Тулий использовался в высокотемпературных сверхпроводниках аналогично иттрию . Тулий потенциально может использоваться в ферритах , керамических магнитных материалах, которые используются в микроволновом оборудовании. Тулий также похож на скандий в том, что он используется в дуговом освещении из-за его необычного спектра, в данном случае его зеленых эмиссионных линий, которые не перекрываются другими элементами. Поскольку тулий флуоресцирует синим цветом под воздействием ультрафиолета , тулий помещается в банкноты евро в качестве меры против подделки . Голубая флуоресценция сульфата кальция, легированного Tm, использовалась в персональных дозиметрах для визуального контроля радиации. Галогениды, легированные Tm, в которых Tm находится в валентном состоянии 2+, являются многообещающими люминесцентными материалами, которые могут сделать возможным создание эффективных окон для выработки электроэнергии на основе принципа люминесцентного солнечного концентратора .
Биологическая роль и меры предосторожности
Растворимые соли тулия умеренно токсичны , но нерастворимые соли тулия совершенно нетоксичны . При инъекции тулий может вызвать дегенерацию печени и селезенки, а также может вызвать колебания концентрации гемоглобина . Поражение печени тулием чаще встречается у самцов мышей, чем у самок. Несмотря на это, тулий обладает низкой токсичностью. У человека больше всего тулия содержится в печени , почках и костях . Люди обычно потребляют несколько микрограммов тулия в год. Корни растений не поглощают тулий, а сухое вещество овощей обычно содержит одну часть тулия на миллиард . Тулиевая пыль и порошок токсичны при вдыхании или проглатывании и могут вызвать взрыв .
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Пул, Чарльз П. младший (2004). Энциклопедический словарь физики конденсированного состояния . Академическая пресса. п. 1395. ISBN 978-0-08-054523-3.