Thulium - Thulium

Thulium,  69 Tm
Thulium sublimed dendritic a 1cm3 cube.jpg
Thulium
Výslovnost / Θj U l i ə m / ( Thew -lee-əm )
Vzhled stříbřitě šedá
Standardní atomová hmotnost A r, std (Tm) 168,934 218 (6)
Thulium v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Tm

Md
erbiumthuliumytterbium
Atomové číslo ( Z ) 69
Skupina skupina n/a
Doba období 6
Blok   f-blok
Konfigurace elektronů [ Xe ] 4f 13 6s 2
Elektrony na skořápku 2, 8, 18, 31, 8, 2
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 1818  K (1545 ° C, 2813 ° F)
Bod varu 2223 K (1950 ° C, 3542 ° F)
Hustota (blízko  rt ) 9,32 g / cm 3
při kapalině (při  mp ) 8,56 g / cm 3
Teplo fúze 16,84  kJ/mol
Teplo odpařování 191 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 27,03 J/(mol · K)
Tlak páry
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 1117 1235 1381 1570 (1821) (2217)
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy 0, +2, +3zásaditý oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,25
Ionizační energie
Atomový poloměr empirické: 176  hod
Kovalentní poloměr 190 ± 22 hodin
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální linie thuliu
Další vlastnosti
Přirozený výskyt prvotní
Krystalická struktura šestihranný uzavřený (hcp)
Šestihranná uzavřená krystalová struktura pro thulium
Teplotní roztažnost poly: 13,3 µm/(m⋅K) (při  rt )
Tepelná vodivost 16,9 W/(m⋅K)
Elektrický odpor poly: 676 nΩ⋅m (při  rt )
Magnetické uspořádání paramagnetický (při 300 K)
Molární magnetická citlivost +25 500 × 10 −6  cm 3 /mol (291 K)
Youngův modul 74,0 GPa
Tažný modul 30,5 GPa
Hromadný modul 44,5 GPa
Poissonův poměr 0,213
Vickersova tvrdost 470–650 MPa
Tvrdost podle Brinella 470–900 MPa
Číslo CAS 7440-30-4
Dějiny
Pojmenování po Thule , bájné oblasti ve Skandinávii
Objev a první izolace Per Teodor Cleve (1879)
Hlavní izotopy thuliu
Izotop Hojnost Poločas rozpadu ( t 1/2 ) Režim rozpadu Produkt
167 Tm syn 9,25 d ε 167 Er
168 Tm syn 93,1 d ε 168 Er
169 Tm 100% stabilní
170 Tm syn 128,6 d β - 170 Yb
171 Tm syn 1,92 roku β - 171 Yb
Kategorie Kategorie: Thulium
| Reference

Thulium je chemický prvek se symbolem Tm a atomovým číslem 69. Jedná se o třináctý a třetí poslední prvek v řadě lanthanoidů . Stejně jako ostatní lanthanoidy je nejběžnějším oxidačním stavem +3, což je patrné z jeho oxidu, halogenidů a dalších sloučenin; protože se to v sérii vyskytuje tak pozdě, oxidační stav +2 je také stabilizován téměř úplným 4f shellem, který vznikne. Ve vodném roztoku , podobně jako sloučeniny jiných pozdních lanthanoidů, tvoří rozpustné sloučeniny thulium koordinační komplexy s devíti molekulami vody.

V roce 1879 švédský chemik Per Teodor Cleve oddělil od erbia oxidu vzácných zemin další dvě dosud neznámé složky, které nazýval holmia a thulia ; Jednalo se o oxidy holmia a thulia. Relativně čistý vzorek kovu thulium byl poprvé získán v roce 1911.

Thulium je druhým nejméně hojným z lanthanoidů po radioaktivně nestabilním promethiu, které se na Zemi nachází pouze ve stopovém množství . Jedná se o snadno zpracovatelný kov s jasně stříbřitě šedým leskem. Je poměrně měkký a ve vzduchu se pomalu kazí . Navzdory své vysoké ceně a vzácnosti se thulium používá jako zdroj záření v přenosných rentgenových zařízeních a v některých polovodičových laserech . Nemá žádnou významnou biologickou roli a není nijak zvlášť toxický.

Vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Čistý thulium metal má jasný, stříbrný lesk, který se při vystavení vzduchu kazí. Kov lze řezat nožem, protože má Mohsovu tvrdost 2 až 3; je tvárný a tvárný. Thulium je feromagnetické pod 32  K, antiferomagnetické mezi 32 a 56  K a paramagnetické nad 56  K.

Thulium má dvě hlavní alotropy : tetragonální α-Tm a stabilnější hexagonální β-Tm.

Chemické vlastnosti

Thulium se na vzduchu pomalu kazí a snadno hoří při 150 ° C za vzniku oxidu thulium (III) :  

4 Tm + 3 O 2 → 2 Tm 2 O 3

Thulium je poměrně elektropozitivní a pomalu reaguje se studenou vodou a poměrně rychle s horkou vodou za vzniku hydroxidu thulium:

2 Tm (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Tm (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)

Thulium reaguje se všemi halogeny . Reakce jsou při pokojové teplotě pomalé, ale nad 200  ° C jsou prudké :

2 Tm (s) + 3 F 2 (g) → 2 TmF 3 (s) (bílý)
2 Tm (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 TmCl 3 (s) (žlutý)
2 Tm (s) + 3 Br 2 (g) → 2 TmBr 3 (s) (bílý)
2 Tm (s) + 3 I 2 (g) → 2 TmI 3 (s) (žlutý)

Thulium se snadno rozpouští ve zředěné kyselině sírové za vzniku roztoků obsahujících světle zelené ionty Tm (III), které existují jako [Tm (OH 2 ) 9 ] 3+ komplexy:

2 Tm (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Tm 3+ (aq) + 3 SO2-
4
(aq) + 3 H 2 (g)

Thulium reaguje s různými kovovými i nekovovými prvky za vzniku řady binárních sloučenin, včetně TmN, TmS, TmC 2 , Tm 2 C 3 , TmH 2 , TmH 3 , TmSi 2 , TmGe 3 , TmB 4 , TmB 6 a TmB 12 . V těchto sloučeninách vykazuje thulium valenční stavy +2 a +3, nicméně stav +3 je nejběžnější a pouze tento stav byl pozorován v roztocích thulium. Thulium existuje jako iont Tm 3+ v roztoku. V tomto stavu je thulium ion obklopeno devíti molekulami vody. Ionty Tm 3+ vykazují jasně modrou luminiscenci.

Jediným známým oxidem thulium je Tm 2 O 3 . Tento oxid se někdy nazývá „thulia“. Červenofialové sloučeniny thuliu (II) lze připravit redukcí sloučenin thulium (III). Příklady thulium (II) sloučenin zahrnují halogenidy (kromě fluoridu). Některé hydratované thulium sloučeniny, jako je TMCL 3 · 7H 2 O a Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 6H 2 O jsou zelené nebo zeleno-bílá. Thulium dichlorid reaguje velmi energicky s vodou . Tato reakce vede k tomu, že plynný vodík a Tm (OH) 3 vykazují blednoucí načervenalé barvy. Kombinace thulium a chalcogens vede k thulium chalcogenides .

Thulium reaguje s chlorovodíkem a vytváří plynný vodík a chlorid thulium. S kyselinou dusičnou poskytuje dusičnan thulium neboli Tm (NO 3 ) 3 .

Izotopy

Izotopy thuliu se pohybují od 145 Tm do 179 Tm. Primárním režimem rozpadu před nejhojnějším stabilním izotopem, 169 Tm, je zachycování elektronů , a primárním režimem po je emise beta . Primárními produkty rozpadu před 169 Tm jsou izotopy prvku 68 ( erbium ) a primárními produkty jsou izotopy prvku 70 ( ytterbium ).

Thulium-169 je jediným prvotním izotopem thuliia a je jediným izotopem thulium, o kterém se předpokládá, že je stabilní; předpovídá se, že podstoupí alfa rozpad na holmium -165 s velmi dlouhým poločasem rozpadu. Nejdelší radioizotopy jsou thulium-171, který má poločas rozpadu 1,92 roku, a thulium-170, který má poločas rozpadu 128,6 dnů. Většina ostatních izotopů má poločas rozpadu několik minut nebo méně. Bylo detekováno 35 izotopů a 26 jaderných izomerů thulium. Většina izotopů thuliu lehčích než 169 atomových hmotnostních jednotek se rozpadá pomocí elektronového záchytu nebo rozpadu beta-plus , i když některé vykazují významný alfa rozpad nebo protonovou emisi . Těžší izotopy podléhají beta-minus rozpadu .

Dějiny

Thulium objevil švédský chemik Per Teodor Cleve v roce 1879 hledáním nečistot v oxidech jiných prvků vzácných zemin (to byla stejná metoda, kterou dříve použil Carl Gustaf Mosander k objevení některých dalších prvků vzácných zemin). Cleve začal odstraněním všech známých kontaminantů erbia ( Er 2 O 3 ). Po dodatečném zpracování získal dvě nové látky; jeden hnědý a jeden zelený. Hnědá látka byla oxidem prvku holmium a Cleve ji pojmenovala holmia a zelená látka byla oxidem neznámého prvku. Cleve pojmenoval oxid thulia a jeho prvek thulium podle Thule , starověkého řeckého místního jména spojeného se Skandinávií nebo Islandem . Thuliumův atomový symbol byl kdysi Tu, ale toto bylo změněno na Tm.

Thulium bylo tak vzácné, že žádný z prvních dělníků ho neměl dost na to, aby se dostatečně vyčistil, aby skutečně viděl zelenou barvu; museli se spokojit se spektroskopickým pozorováním posílení dvou charakteristických absorpčních pásů, jak se erbium postupně odstraňovalo. Prvním výzkumníkem, který získal téměř čisté thulium, byl Charles James , britský krajan pracující ve velkém na New Hampshire College v Durhamu v USA. V roce 1911 oznámil své výsledky poté, co k čištění použil svůj objevený způsob frakční krystalizace bromičnanů. Skvěle potřeboval 15 000 čisticích operací, aby zjistil, že materiál je homogenní.

Vysoce čistý oxid thulium byl poprvé komerčně nabízen na konci padesátých let minulého století v důsledku přijetí technologie separace iontové výměny . Lindsay Chemical Division společnosti American Potash & Chemical Corporation ji nabízela ve stupních čistoty 99% a 99,9%. Cena za kilogram v období od roku 1959 do roku 1998 oscilovala mezi 4600 a 13300 dolary za čistotu 99,9% a byla druhá nejvyšší u lanthanoidů za lutetiem .

Výskyt

Thulium se nachází v minerálu monazit

Tento prvek se v přírodě nikdy nenachází v čisté formě, ale v malých množstvích se nachází v minerálech s jinými vzácnými zeminami. Thulium se často vyskytuje s minerály obsahujícími yttrium a gadolinium . Zejména se thulium vyskytuje v minerálu gadolinit . Thulium se však vyskytuje také v minerálech monazit , xenotime a euxenite . Thulium dosud nebyl v žádném minerálu nalezen v prevalenci nad ostatními vzácnými zeminami. Jeho hojnost v zemské kůře je 0,5 mg/kg hmotnosti a 50 dílů na miliardu molů . Thulium tvoří přibližně 0,5 dílu na milion půdy , i když se tato hodnota může pohybovat od 0,4 do 0,8 dílu na milion. Thulium tvoří 250 dílů na kvadrilion mořské vody . Ve sluneční soustavě existuje thulium v ​​koncentracích 200 dílů na bilion hmotnosti a 1 díl na bilion molů. Thulium ruda se vyskytuje nejčastěji v Číně . Nicméně, Austrálie , Brazílie , Grónsko , Indie , Tanzanie a USA také mají velké zásoby Thulium. Celkové zásoby thuliu jsou přibližně 100 000 tun . Thulium je nejméně hojný lanthanid na Zemi s výjimkou radioaktivního promethia .

Výroba

Thulium je v zásadě extrahováno z monazitových rud (~ 0,007% thulium) nacházejících se v říčních píscích prostřednictvím iontové výměny . Novější techniky iontové výměny a extrakce rozpouštědly vedly ke snazší separaci vzácných zemin, což přineslo mnohem nižší náklady na výrobu thuliu. Hlavními dnešními zdroji jsou iontové adsorpční jíly v jižní Číně. V těchto oblastech, kde asi dvě třetiny celkového obsahu vzácných zemin tvoří yttrium, je thulium asi 0,5% (nebo asi kvůli vzácnosti vázané na lutetium ). Kov lze izolovat redukcí jeho oxidu kovem lanthanu nebo redukcí vápníku v uzavřené nádobě. Žádná z přírodních sloučenin thuliu není komerčně důležitá. Ročně se vyrobí přibližně 50 tun oxidu thulium. V roce 1996 stál oxid thulium 20 USD za gram a v roce 2005 stál 99%čistý thulium kovový prášek 70 USD za gram.

Aplikace

Thulium má několik aplikací:

Laser

Holmium - chrom -thulium trojitý dopovaný YAG (Ho: Cr: Tm: YAG nebo Ho, Cr, Tm: YAG) je aktivní laserové prostředí materiál s vysokou účinností. V infračervené oblasti svítí při 2080 nm a je široce používán ve vojenských aplikacích, medicíně a meteorologii. Jednoprvkové lasery YAG (Tm: YAG) dopované thuliem pracují při 2010 nm. Vlnová délka laserů na bázi thuliu je velmi účinná pro povrchovou ablaci tkáně s minimální hloubkou koagulace ve vzduchu nebo ve vodě. Díky tomu jsou thulium lasery atraktivní pro laserovou chirurgii.

Zdroj rentgenového záření

Navzdory vysokým nákladům používají přenosná rentgenová zařízení thulium, které bylo bombardováno neutrony v jaderném reaktoru k výrobě izotopu Thulium-170, s poločasem rozpadu 128,6 dne a pěti hlavními emisními linkami srovnatelné intenzity (při 7,4, 51,354, 52,389, 59,4 a 84,253 keV). Tyto radioaktivní zdroje mají životnost přibližně jeden rok, a to jako nástroje v lékařské a zubní diagnostice, tak i pro detekci závad na nepřístupných mechanických a elektronických součástech. Takové zdroje nepotřebují rozsáhlou radiační ochranu - pouze malý šálek olova. Patří mezi nejoblíbenější zdroje záření pro použití v průmyslové radiografii . Thulium-170 získává na popularitě jako rentgenový zdroj pro léčbu rakoviny pomocí brachyterapie (radiační terapie uzavřeného zdroje).

Ostatní

Thulium bylo použito ve vysokoteplotních supravodičích podobně jako yttrium . Thulium se potenciálně používá ve feritech , keramických magnetických materiálech, které se používají v mikrovlnných zařízeních. Thulium je také podobné skandiu v tom, že se používá v obloukovém osvětlení pro své neobvyklé spektrum, v tomto případě jeho zelené emisní čáry, které nejsou pokryty jinými prvky. Vzhledem k tomu, thulium fluoreskuje s modrou barvu při vystavení ultrafialovému světlu , thulium se vloží do eurových bankovek jako opatření proti padělání . Modrá fluorescence Tm dopovaného síranu vápenatého byla použita v osobních dozimetrech pro vizuální monitorování záření. Halogenidy dopované Tm, ve kterých je Tm ve 2+ valenčním stavu, jsou slibné luminiscenční materiály, které mohou umožnit efektivní okna generující elektřinu na principu luminiscenčního solárního koncentrátoru .

Biologická role a bezpečnostní opatření

Rozpustné soli thuliu jsou mírně toxické , ale nerozpustné soli thuliu jsou zcela netoxické . Při injekci může thulium způsobit degeneraci jater a sleziny a může také způsobit kolísání koncentrace hemoglobinu . Poškození jater thuliem je častější u samců myší než u samic myší. Navzdory tomu má thulium nízkou toxicitu. U lidí se thulium vyskytuje v nejvyšším množství v játrech , ledvinách a kostech . Lidé obvykle spotřebují několik mikrogramů thuliu ročně. Kořeny rostlin nepřijímají thulium a sušina zeleniny obvykle obsahuje jednu část na miliardu thulium. Thulium prach a prášek jsou toxické při vdechnutí nebo požití a mohou způsobit výbuch .

Viz také

Reference

externí odkazy