Thulium

Thulium
←  Erbium | Ytterbium  →
69 Tm ↓ md 69 Tm
Yksinkertaisen aineen ulkonäkö
Puhdistettu näyte tuliumista
Atomin ominaisuudet
Nimi, symboli, numero	Thulium / Thulium (Tm), 69
Ryhmä , jakso , lohko	3 (vanhentunut 3), 6, f-elementti
Atomimassa ( moolimassa )	168.93421(2) [1]  a. e. m  ( g / mol )
Elektroninen konfigurointi	[Xe] 6s 2 4f 13
Atomin säde	klo 177
Kemiallisia ominaisuuksia
kovalenttinen säde	klo 156
Ionin säde	(+3e) 87  pm
Elektronegatiivisuus	1,25 (Pauling-asteikko)
Elektrodin potentiaali	Tm←Tm 3+ -2,32 V Tm←Tm 2+ -2,3 V
Hapetustilat	+2, +3
Ionisaatioenergia	1.: 596,7 (6,18)  kJ / mol  ( eV ) 2.: 1160 (12,02)  kJ / mol  ( eV ) 3.: 2285 (23,68)  kJ / mol  ( eV )
Yksinkertaisen aineen termodynaamiset ominaisuudet
Tiheys ( n.a. )	9,321 g/cm³
Sulamislämpötila	1818 K
Kiehumislämpötila	2220 000 _
Oud. sulamisen lämpöä	16,84 kJ/mol
Oud. haihtumislämpö	232 kJ/mol
Molaarinen lämpökapasiteetti	27,0 [2]  J/(K mol)
Molaarinen tilavuus	18,1  cm³ / mol
Yksinkertaisen aineen kidehila
Hilarakenne	Kuusikulmainen
Hilan parametrit	a = 3,540 c = 5,56  Å
c / a suhde	1 570
Muut ominaisuudet
Magneettinen rakenne	paramagneettinen
Resistanssi	6,76 ∙ 10 -7  ohmia m
Lämmönjohtokyky	(300 K) 16,9 W/(m K)
lämpölaajeneminen	13,3 µm/(m∙K) (25 °C:ssa)
Youngin moduuli	74,0 GPa
Leikkausmoduuli	30,5 GPa
Äänenvoimakkuuden säätömoduuli	44,5 GPa
poissonin luku	0,213
Mohsin kovuus	2–3
Vickersin kovuus	470-650 MPa
Brinell-kovuus	470-900 MPa
CAS-numero	7440-30-4
Päästöspektri

Thulium ( kemiallinen symboli  - Tm , lat.  Thulium ) on D. I :n kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kuudennen ajanjakson 3. ryhmän kemiallinen alkuaine ( vanhentuneen luokituksen mukaan  - kolmannen ryhmän sivualaryhmä, IIIB) . Mendelejev , atominumerolla 69.

Kuuluu Lanthanide -perheeseen .

Yksinkertainen aine tulium  on helposti prosessoitava harvinainen maametalli , jonka väri on hopeanvalkoinen .

Historia

Ruotsalainen kemisti Per Theodor Kleve löysi tuliumin vuonna 1879 etsiessään epäpuhtauksia muiden harvinaisten maametallien oksideista (tämä oli sama menetelmä, jota Carl Gustav Mosander oli aiemmin käyttänyt löytääkseen joitain muita harvinaisten maametallien alkuaineita). Kleve aloitti poistamalla kaikki tunnetut erbium ( Er 2 O 3 ) -epäpuhtaudet. Lisäkäsittelyllä hän sai kaksi uutta yhdistettä - yhden ruskean ja toisen vihreän. Ruskea yhdiste oli holmium(III)oksidi , ja Cleve kutsui sitä "holmiumiksi", kun taas vihreä yhdiste oli tuntemattoman alkuaineen oksidi. Kleve nimesi tämän oksidin "thulium" ja sen elementin "thulium" legendaarisen Thulen saaren mukaan , joka on antiikin kreikkalainen nimi paikalle, joka liittyy Skandinaviaan tai Islantiin . Tuliumin alkuperäinen atomisymboli oli Tu, mutta se muutettiin myöhemmin Tm:ksi.

Thulium oli niin harvinainen, ettei yksikään varhaisista tutkijoista saanut sitä tarpeeksi puhdistaakseen sitä tarpeeksi nähdäkseen vihreän värin. Ensimmäinen tutkija, joka sai lähes puhdasta tuliumia, oli Charles James, brittiläinen maahanmuuttaja, joka työskenteli suuressa mittakaavassa New Hampshiren yliopistossa Durhamissa, Yhdysvalloissa . Vuonna 1911 hän raportoi tuloksistaan ​​käyttämällä hänen löytämiään bromaattien fraktiokiteytysmenetelmää puhdistukseen. Tiedetään, että materiaalin homogeenisuuden toteamiseen tarvittiin 15 000 puhdistusoperaatiota.

Erittäin puhdasta tuliumoksidia kaupallistettiin ensimmäisen kerran 1950-luvun lopulla ioninvaihtoerotusteknologian käyttöönoton seurauksena. American Potash & Chemical Corporationin Lindsay Chemical Division myi sen 99 % ja 99,9 % puhtaana. Kilohinta vaihteli 4 600 dollarista 13 300 dollariin vuosina 1959-1998 99,9 prosentin puhtaudella, ja se oli lantanidien toiseksi korkein lutetiumin jälkeen .

Nimen alkuperä

Eristettyään tuntemattoman alkuaineen oksidin ruotsalainen kemisti Per Theodor Kleve antoi sille nimen " Thulium " Pohjois-Euroopassa sijaitsevan legendaarisen Thulen saaren kunniaksi ( muista kreikkalaisista sanoista Θούλη ja myös latinan kielestä  Thule ). Lisäksi hän käytti " Thulliumia" kirjoittaessaan vahingossa kahta konsonanttia [3] .

Ominaisuudet

Fysikaaliset ominaisuudet

Tuliumatomin täydellinen elektroninen konfiguraatio on: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 13 .

Thulium on pehmeä, hopeanvalkoinen harvinainen maametalli. Ei radioaktiivinen . Vakioolosuhteissa se on paramagneetti [4] .

Puhtaalla metallisella tuliumilla on hopeanhohtoinen kiilto, joka tummuu ilmassa tulium(III)oksidin muodostumisen vuoksi. Metalli leikataan veitsellä, koska sen Mohsin kovuus on 2–3. Puhtaalla tuliumilla on ferromagneettisia ominaisuuksia alle 32 K lämpötiloissa; lämpötiloissa 32-56 K, sillä on antiferromagneettisia ominaisuuksia, ja yli 56 K lämpötiloissa se on paramagneettinen.

Thuliumilla on kaksi pääasiallista allotrooppista muunnelmaa: tetragonaalinen α-Tm ja vakaampi kuusikulmainen β-Tm.

Kemialliset ominaisuudet

Vuorovaikutuksen seurauksena hapen kanssa tulium tummuu hitaasti ilmassa ja palaa helposti 150 °C:ssa muodostaen tulium(III)oksidia :  

Tulium on melko sähköpositiivista ja reagoi hitaasti kylmän veden kanssa ja melko nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen tulium(III)hydroksidia:

Thulium reagoi kaikkien halogeenien kanssa . Reaktiot etenevät hitaasti huoneenlämmössä, mutta etenevät kiivaasti yli 200 °C:n lämpötiloissa:

(valkoinen)

(keltainen)

(valkoinen)

(keltainen)

Tulium liukenee helposti laimeaan rikkihappoon muodostaen liuoksia, jotka sisältävät vaaleanvihreitä Tm 3+ -ioneja, jotka muodostavat edelleen [Tm(H 2 O) 9 ] 3+ -komplekseja :

Jotkut hydratoidut tuliumyhdisteet, kuten TmCl 3 7H 2 O ja Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 6H 2 O, ovat vihreitä tai vihertävän valkoisia.

Tulium reagoi useiden metallien ja ei-metallien kanssa muodostaen useita binäärisiä yhdisteitä, mukaan lukien tulium(III)atsidi, tulium(II)sulfidi, tulium(II)dikarbidi, ditulium(III)trikarbidi, tulium(II) ja tulium(III) hydridit, disilisidi-tulium (II) jne. Kuten useimpien lantanidien, hapetusaste +3 tuliumille on tyypillisin ja ainoa havaittu tuliumyhdisteiden liuoksissa. Vedessä tuliumia esiintyy hydratoituneina Tm 3+ -ioneina . Tässä tilassa tuliumionia ympäröi yhdeksän vesimolekyyliä. Tm 3+ -ionit osoittavat kirkkaan sinistä luminesenssia. Hapetustila +2 voi myös esiintyä, mutta se havaitaan vain yhdisteissä, jotka ovat aggregoituneena kiinteässä tilassa.

Ainoa tunnettu tuliumoksidi on Tm 2 O 3 . Tulium(II)yhdisteitä voidaan saada pelkistämällä tulium(III)yhdisteitä. Esimerkkejä tulium(II)-yhdisteistä ovat halogenidit (muut kuin fluoridit). Thulium(II)dikloridi reagoi erittäin voimakkaasti veden kanssa:

Tuliumin reaktio kalkogeenien kanssa johtaa tuliumkalkogenideihin.

Tulium reagoi happojen vesiliuosten kanssa muodostaen tuliumin (III) ja vedyn suoloja :

Hapettavat hapot (esim. typpihappo) hapettavat metallia vapauttamatta vetyä:

Isotoopit

Tuliumisotoopit vaihtelevat välillä 145 Tm - 179 Tm. Ensisijainen hajoamiskanava ennen vakaimman 169 Tm:n isotoopin ilmaantumista on elektronien sieppaus , ja pääkanava sen jälkeen on beetahajoaminen .

Thulium-169 on ainoa tuliumin primordiaalinen isotooppi ja ainoa stabiiliksi katsottu tuliumin isotooppi; sen odotetaan läpikäyvän alfahajoamisen holmium-165:ksi, ja sen puoliintumisaika on erittäin pitkä . Pisin radioaktiiviset isotoopit ovat tulium-171, jonka puoliintumisaika on 1,92 vuotta, ja tulium-170, jonka puoliintumisaika on 128,6 päivää. Useimpien muiden isotooppien puoliintumisaika on muutama minuutti tai vähemmän. Tuliumista on löydetty yhteensä 35 isotooppia ja 26 ydinisomeeriä. Useimmat tuliumin isotoopit, joissa on a. mu alle 169 hajoaa elektronien sieppaamisen tai β + - hajoamisen seurauksena , vaikka joissakin on merkittävä alfahajoaminen tai protoniemissio . Raskaammat isotoopit käyvät läpi β - hajoamisen.

Tulium-170-isotooppia käytetään kannettavien röntgenlaitteiden valmistukseen lääketieteellisiin tarkoituksiin [3] sekä metallivirheiden havaitsemiseen [5] . Viime aikoina sitä on ehdotettu polttoaineeksi radioisotooppien voimanlähteissä .

Jakauma luonnossa

Thulium on harvinainen alkuaine (harvinaisin lantanideista) [3] , sen pitoisuus maankuoressa on 2,7⋅10 -5 painoprosenttia. %, merivedessä - 10 −7  mg/l [2] . Alkuaine ei esiinny luonnossa puhtaassa muodossaan, mutta sitä esiintyy pieninä määrinä mineraaleissa muiden harvinaisten maametallien kanssa. Tuliumia esiintyy usein yttriumia ja gadoliinia sisältävien mineraalien kanssa . Erityisesti tuliumia esiintyy gadoliniitissa . Kuitenkin, kuten monet muut lantanidit, tuliumia esiintyy myös mineraaleissa monatsiitti , ksenotiimija euxeniitti . Toistaiseksi missään mineraalissa ei ole löydetty tuliumia ylivoimaisesti muihin harvinaisiin maa-aineisiin verrattuna. Thuliummalmia louhitaan pääasiassa Kiinassa. Kuitenkin myös Australiassa , Brasiliassa , Tanskassa (Grönlannissa) , Intiassa , Tansaniassa ja Yhdysvalloissa on suuria tuliumivarantoja. Tuliumin maailmanvarat ovat noin 100 000 tonnia. Thulium on vähiten esiintyvä lantanidi maapallolla radioaktiivista prometiumia lukuun ottamatta .

Haetaan

Tuliumia uutetaan pääasiassa monatsiittimalmeista (~0,007 painoprosenttia tuliumia), joita löytyy jokihiekasta, sekä ioninvaihdon kautta . Uudet ioninvaihto- ja liuotinuuttomenetelmät ovat yksinkertaistaneet harvinaisten maametallien eristämistä, mikä on johtanut huomattavaan laskuun tuliumin tuotantokustannuksissa. Tärkeimmät lähteet nykyään ovat Etelä-Kiinan ioni-adsorptiosavet. Niissä, joissa noin kaksi kolmasosaa harvinaisten maametallien kokonaispitoisuudesta on yttriumia, tuliumia on noin 0,5 % (tai suunnilleen sama kuin lutetiumia). Metalli voidaan eristää pelkistämällä sen oksidi kalsiummetallilla suljetussa astiassa:

Tuliumoksidia tuotetaan noin 50 tonnia vuodessa. Vuonna 1996 tuliumoksidi maksoi US$20/gramma, ja vuonna 2005 99 % puhdasta tuliumimetallijauhetta maksoi US$70/gramma.

Sovellus

Lasermateriaalit

Yttrium-alumiinigranaatti, holmiumilla, kromilla ja tuliumilla seostettu (Ho:Cr:Tm:YAG tai Ho,Cr,Tm:YAG), on laserkeskiaktiivinen materiaali, jolla on korkea hyötysuhde. Se säteilee 2080 nm:n aallonpituudella infrapuna-alueella ja sitä käytetään laajalti sotilas-, lääketieteellisissä ja meteorologisissa sovelluksissa. Thulium-seostetut yksielementtiset YAG-laserit (Tm:YAG) toimivat aallonpituudella 2010 nm. [6] Tuliumlaserien aallonpituus on erittäin tehokas pinnallisen kudoksen poistoon minimaalisella koagulaatiosyvyydellä. Tämä tekee tuliumlasereista houkuttelevia laserkirurgiassa. [7]

Lämpösähköiset materiaalit

Thulium monotelluridilla on erittäin korkea lämpö- emf. (700 μV / K), ja sen perusteella valmistettujen lämpösähköisten muuntimien hyötysuhde on erittäin korkea (tuliumin hinnan laskun myötä sen käyttö lämpöelementtien valmistuksessa lisääntyy jyrkästi). Lisäksi tuliumtelluridia käytetään ohjaamaan lyijytelluridin (muuntajan) puolijohdeominaisuuksia.

Muut

Tuliumia voidaan käyttää korkean lämpötilan suprajohtimissa , kuten yttriumissa. Tuliumia voidaan käyttää ferriiteissä, keraamisissa magneettisissa materiaaleissa, joita käytetään mikroaaltouunissa. Tuliumia, kuten skandiumia , voidaan käyttää kaarivalaistuksessa sen epätavallisen spektrin (tässä tapauksessa sen vihreiden emissioviivojen) vuoksi, jotka eivät mene päällekkäin muiden elementtien kanssa. Koska tulium fluoresoi sinisenä altistuessaan ultraviolettisäteilylle , euroseteleissä käytetään tuliumiyhdisteitä väärentämisen estämiseksi. [8] Tuliumilla seostetun kalsiumsulfaatin sinistä fluoresenssia voidaan käyttää henkilökohtaisissa annosmittareissa säteilyn visuaaliseen seurantaan . Thulium-seostetut halogenidit, joissa se on hapetustilassa +2, ovat lupaavia luminoivia materiaaleja, jotka voivat mahdollistaa tehokkaiden luminesoivaan aurinkokeskittimen periaatteeseen perustuvien sähköntuottajien luomisen . [9]

Biologinen rooli

Tuliumilla ei ole biologista roolia, vaikka sen tiedetään stimuloivan aineenvaihduntaa . [10] Liukoiset tuliumsuolat ovat alhaisia ​​myrkyllisiä, mutta liukenemattomat yhdisteet eivät ole myrkyllisiä. Kasvit eivät käytännössä imeydy alkuaineeseen , joten se ei pääse ravintoketjuun [10] . Tuliumin keskimääräinen pitoisuus kasveissa on noin 1 mg tonnia kohti kuivapainoa [10] .

Muistiinpanot

1. ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Alkuaineiden atomipainot 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - s. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 . Arkistoitu alkuperäisestä 5. helmikuuta 2014.
2. ↑ 1 2 Kemiallinen tietosanakirja: 5 osaa / Toim.: Zefirov N. S. (päätoimittaja). - M . : Suuri venäläinen tietosanakirja, 1999. - T. 5. - s. 16.
3. ↑ 1 2 3 Leenson, 2016 , s. 48.
4. ↑ Kirjoittajien ryhmä, 1985 , s. 588.
5. ↑ Kirjoittajien ryhmä, 1985 , s. 590.
6. ↑ Walter Koechner. Solid State Laser Engineering . - Springer Science & Business Media, 2006. - 766 s. — ISBN 978-0-387-29094-2 . Arkistoitu 24. kesäkuuta 2022 Wayback Machinessa
7. ↑ FJ Duarte. Viritettävät lasersovellukset . – CRC Press, 26.8.2008. – 480 s. - ISBN 978-1-4200-6058-4 . Arkistoitu 24. kesäkuuta 2022 Wayback Machinessa
8. ↑ Brian Wardle. Fotokemian periaatteet ja sovellukset . - John Wiley & Sons, 2009-11-06. — 267 s. - ISBN 978-0-470-71013-5 . Arkistoitu 24. kesäkuuta 2022 Wayback Machinessa
9. ↑ Otmar M. ten Kate, Karl W. Krämer, Erik van der Kolk. Tehokkaat luminoivat aurinkokeskittimet, jotka perustuvat itseabsorptiovapaisiin, Tm2+ seostettuihin halogenideihin  //  Solar Energy Materials and Solar Cells. – 2015-09. — Voi. 140 . — s. 115–120 . - doi : 10.1016/j.solmat.2015.04.002 . Arkistoitu alkuperäisestä 6. huhtikuuta 2022.
10. ↑ 1 2 3 John Emsley. Luonnon rakennuspalikoita: A-Z opas  elementteihin . - Yhdysvallat: Oxford University Press , 2001. - P. 442-443. — ISBN 0-19-850341-5 .

Linkit

• Thulium Webelementsissä
• Thulium suositussa kemiallisten elementtien kirjastossa

Kirjallisuus

• Kirjoittajien ryhmä. Elementin ominaisuudet: Ref. toim. /Toim. E. M. DRITS. - M . : Metallurgia, 1985. - 672 s.
• Leenson I. A. Kemialliset alkuaineet 60 sekunnissa. - M. : AST, 2016. - 160 s. - (70 faktaa). - ISBN 978-5-17-096039-2 .
• Remy G. Epäorgaanisen kemian kurssi. - M . : Mir, 1966. - T. 2. - 838 s.
• Rikas V. I. Elementtejä etsimässä. - M .: Kemia, 1985. - 168 s.

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Suuri katalaani Hienoa norjalaista Iso venäläinen Britannica (verkossa) Treccani Universalis Granaattiomena
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4185369-6 J9U : 987007536581905171 LCCN : sh85135103