stringtranslate.com

Тулий

Тулий — химический элемент ; он имеет символ Tm и атомный номер 69. Это тринадцатый и третий последний элемент в ряду лантаноидов . Как и у других лантаноидов, наиболее распространенная степень окисления - +3, что наблюдается у его оксидов, галогенидов и других соединений; однако степень окисления +2 также может быть стабильной. 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 гольмией и тулией ; это были оксиды гольмия и тулия соответственно. Сравнительно чистый образец металлического тулия был впервые получен в 1911 году.

Тулий является вторым по распространенности лантанидом после радиоактивно нестабильного прометия , который встречается на Земле лишь в следовых количествах . Это легкообрабатываемый 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 аппаратах, а также в некоторых твердотельных лазерах . Он не имеет значительной биологической роли и не особенно токсичен.

Характеристики

Физические свойства

Чистый металлический тулий имеет яркий серебристый блеск, который тускнеет на воздухе. Металл можно резать ножом, [7] поскольку он имеет твердость по шкале Мооса от 2 до 3; он податлив и пластичен. [8] Тулий ферромагнитен при температуре ниже 32  К, антиферромагнитен при температуре от 32 до 56  К и парамагнитен при температуре выше 56  К. [9]

Тулий имеет два основных аллотропа : тетрагональный α-Tm и более стабильный гексагональный β-Tm. [8]

Химические свойства

Тулий медленно тускнеет на воздухе и легко горит при 150 ° C с образованием оксида тулия (III) : [10] 

4Тм + 3О 2 → 2Тм 2 О 3

Тулий весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой с образованием гидроксида тулия:

2Tm (т) + 6 H 2 O (ж) → 2Tm(OH) 3 (водн.) + 3H 2 (г)

Тулий реагирует со всеми галогенами . Реакции протекают медленно при комнатной температуре, но бурно развиваются при температуре выше 200  °C:

2Tm (s) + 3F 2 (г) → 2TmF 3 (s) (белый)
2Tm (т) + 3Cl 2 (г) → 2TmCl 3 (т) (желтый)
2Tm (т) + 3Br 2 (г) → 2TmBr 3 (т) (белый)
2Тм (с) + 3И 2 (г) → 2ТмИ 3 (с) (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+ : [11]

2Tm (т) + 3H 2 SO 4 (водн.) → 2Tm 3+ (водн.) + 3SO2-4(водный) + 3H 2 (водный)

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 . . [ нужна цитация ] Как и большинство лантаноидов, состояние +3 является наиболее распространенным и единственным состоянием, наблюдаемым в растворах тулия. [12] Тулий существует в виде иона Tm 3+ в растворе. В этом состоянии ион тулия окружен девятью молекулами воды. [7] Ионы Tm 3+ обладают ярко-синей люминесценцией. [7] Поскольку это происходит в конце ряда , степень окисления +2 также может существовать, стабилизированная почти полной электронной оболочкой 4f , но встречается только в твердых телах. [ нужна цитата ]

Единственный известный оксид тулия — Tm 2 O 3 . Этот оксид иногда называют «тулией». [13] Красновато-фиолетовые соединения тулия (II) могут быть получены восстановлением соединений тулия (III). Примеры соединений тулия (II) включают галогениды (кроме фторида). Некоторые гидратированные соединения тулия, например TmCl 3 ·7H 2 O и Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 ·6H 2 O , имеют зеленый или зеленовато-белый цвет. [14] Дихлорид тулия очень бурно реагирует с водой . В результате этой реакции образуется газообразный водород, а Tm(OH) 3 приобретает бледнеющий красноватый цвет. [ нужна ссылка ] Комбинация тулия и халькогенов приводит к образованию халькогенидов тулия . [15]

Тулий реагирует с хлористым водородом с образованием газообразного водорода и хлорида тулия. С азотной кислотой получается нитрат тулия, или Tm(NO 3 ) 3 . [16]

изотопы

Изотопы тулия варьируются от 144 Tm до 183 Tm . [6] [17] Первичный режим распада до наиболее распространенного стабильного изотопа, 169 Tm , — это захват электронов , а основной режим после него — бета-излучение . Первичными продуктами распада до 169 Tm являются изотопы элемента 68 ( эрбия ), а первичными продуктами распада после — изотопы элемента 70 ( иттербия ). [18]

Тулий-169 — единственный первичный изотоп тулия и единственный изотоп тулия, который считается стабильным; прогнозируется, что он подвергнется альфа-распаду до гольмия -165 с очень длительным периодом полураспада. [7] [19] Самыми долгоживущими радиоизотопами являются тулий-171, период полураспада которого составляет 1,92 года, и тулий-170 , период полураспада которого составляет 128,6 дней. Период полураспада большинства других изотопов составляет несколько минут или меньше. [20] Всего обнаружено 40 изотопов и 26 ядерных изомеров тулия. [7] Большинство изотопов тулия легче 169 атомных единиц массы распадаются посредством захвата электронов или бета-распада , хотя некоторые из них демонстрируют значительный альфа-распад или испускание протонов . Более тяжелые изотопы подвергаются бета-минус распаду . [20]

История

Согласно Теодору Клеву, учёному, открывшему тулий, а также гольмий .

Тулий был открыт шведским химиком Пером Теодором Клеве в 1879 году при поиске примесей в оксидах других редкоземельных элементов (это был тот же метод, который ранее использовал Карл Густав Мосандер для открытия некоторых других редкоземельных элементов). [21] Клив начал с удаления всех известных примесей эрбия ( Er 2 O 3 ). При дополнительной обработке он получил два новых вещества; один коричневый и один зеленый. Коричневое вещество представляло собой оксид элемента гольмия и было названо Кливом гольмием, а зеленое вещество представляло собой оксид неизвестного элемента. Клив назвал оксид тулия и его элемент тулий в честь Туле , древнегреческого топонима, связанного со Скандинавией или Исландией . Атомным символом Тулия первоначально был Ту, но позже [ когда? ] изменено на Tm. [ почему? ] [7] [22] [23] [24] [25] [26] [27]

Тулий был настолько редок, что ни у одного из первых исследователей не было его достаточного количества, чтобы очистить его и действительно увидеть зеленый цвет; им пришлось довольствоваться спектроскопическим наблюдением усиления двух характеристических полос поглощения по мере постепенного удаления эрбия. Первым исследователем, получившим почти чистый тулий, был Чарльз Джеймс , британский эмигрант, работавший в больших масштабах в Нью-Гемпширском колледже в Дареме , США. В 1911 году он сообщил о своих результатах, применив для очистки открытый им метод фракционной кристаллизации бромата. Ему, как известно, потребовалось 15 000 операций по очистке, чтобы установить гомогенность материала. [28]

Оксид тулия высокой чистоты был впервые коммерчески предложен в конце 1950-х годов в результате внедрения технологии ионообменного разделения. Подразделение Lindsay Chemical компании American Potash & Chemical Corporation 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 лантаноидов после лютеция . [29] [30]

Вхождение

Тулий содержится в минерале монаците.

Элемент никогда не встречается в природе в чистом виде, но в небольших количествах встречается в минералах с другими редкоземельными элементами. Тулий часто встречается с минералами, содержащими иттрий и гадолиний . В частности, тулий встречается в минерале гадолините . [31] Однако, как и многие другие лантаноиды , тулий также встречается в минералах монаците , ксенотиме и эвксените . Тулий пока не обнаружен в преобладании над другими редкоземельными элементами ни в одном минерале. [32] Его содержание в земной коре составляет 0,5 мг/кг по весу и 50 частей на миллиард молей . 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 квадрильон морской воды . [7] В Солнечной системе тулий существует в концентрациях 200 частей на триллион по весу и 1 часть на триллион по молям. [16] Тулиевая руда чаще всего встречается в Китае . Однако Австралия , Бразилия , Гренландия , Индия , Танзания и США также обладают большими запасами тулия. Общие запасы тулия составляют около 100 000 тонн . Тулий — наименее распространенный лантанид на Земле, за исключением радиоактивного прометия . [7]

Производство

Тулий в основном добывается из монацитовых руд (~ 0,007% тулия), обнаруженных в речных песках, посредством ионного обмена . Новые методы ионного обмена и экстракции растворителями привели к более легкому разделению редкоземельных элементов, что привело к значительному снижению затрат 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 из-за редкости). Металл можно выделить восстановлением его оксида металлическим лантаном или восстановлением кальцием в закрытом контейнере. Ни одно из природных соединений тулия не имеет коммерческого значения. Производится около 50 тонн оксида тулия в год. [7] В 1996 году оксид тулия стоил 20 долларов США за грамм, а в 2005 году порошок металлического тулия чистотой 99% стоил 70 долларов США за грамм. [8]

Приложения

Лазеры

Гольмий - хром -тулиевый иттрий- алюминиевый гранат с тройным легированием ( Ho:Cr:Tm:YAG или Ho,Cr,Tm:YAG ) представляет собой активный лазерный средний материал с высокой эффективностью. Он излучает энергию на длине волны 2080 нм в инфракрасном диапазоне и широко используется в военных целях, медицине и метеорологии. Одноэлементные лазеры на ИАГ (Tm:YAG), легированные тулием, работают на длине волны 2010 нм. [33] Длина волны лазеров на основе тулия очень эффективна для поверхностной абляции тканей с минимальной глубиной коагуляции на воздухе или в воде. Это делает тулиевые лазеры привлекательными для лазерной хирургии. [34]

источник рентгеновского излучения

Несмотря на свою высокую стоимость, портативные рентгеновские устройства используют тулий, который подвергся бомбардировке нейтронами в ядерном реакторе для получения изотопа Тулий-170, имеющего период полураспада 128,6 дней и пять основных эмиссионных линий сопоставимой интенсивности (при 7,4 51,354, 52,389, 59,4 и 84,253 кэВ). Эти радиоактивные источники имеют срок полезного использования около одного года и используются в качестве инструментов медицинской и стоматологической диагностики, а также для обнаружения дефектов в недоступных механических и электронных компонентах. Такие источники не нуждаются в серьезной радиационной защите – достаточно небольшого стаканчика со свинцом. [35] Они являются одними из самых популярных источников излучения для использования в промышленной радиографии . [36] Тулий-170 набирает популярность в качестве источника рентгеновского излучения для лечения рака посредством брахитерапии (лучевая терапия с закрытым источником). [37] [38]

Другие

Тулий, как и иттрий , использовался в высокотемпературных сверхпроводниках . Тулий потенциально может использоваться в ферритах , керамических магнитных материалах, которые используются в микроволновом оборудовании. [35] 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 покрыты другими элементами. [39] Поскольку тулий флуоресцирует синим цветом под воздействием ультрафиолетового света , тулий помещают в банкноты евро в качестве меры против подделки . [40] Синяя флуоресценция сульфата кальция, легированного Tm, использовалась в персональных дозиметрах для визуального контроля радиации. [7] Галогениды, легированные Tm, в которых Tm находится в валентном состоянии 2+, являются многообещающими люминесцентными материалами, которые могут сделать возможными эффективные окна для генерации электроэнергии, основанные на принципе люминесцентного солнечного концентратора . [41]

Биологическая роль и меры предосторожности

Растворимые соли тулия слаботоксичны , а нерастворимые соли тулия совершенно нетоксичны . [7] При инъекции тулий может вызвать дегенерацию печени и селезенки , а также вызвать колебания концентрации гемоглобина . Повреждение печени тулием чаще встречается у мышей -самцов , чем у самок. Несмотря на это, тулий обладает низким уровнем токсичности. [42] [43] У человека тулий в наибольших количествах 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 миллиардную часть тулия. [7] Пыль и порошок тулия токсичны при вдыхании или проглатывании и могут вызвать взрывы . [ нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Стандартные атомные массы: тулий». ЦИАВ . 2021.
  2. ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные массы элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  3. ^ Иттрий и все лантаноиды, кроме Ce и Pm, наблюдались в степени окисления 0 в комплексах бис (1,3,5-три-т-бутилбензола), см. Cloke, F. Geoffrey N. (1993). «Соединения скандия, иттрия и лантаноидов в нулевом состоянии окисления». хим. Соц. Преподобный . 22 : 17–24. дои : 10.1039/CS9932200017.и Арнольд, Полли Л.; Петрухина Марина Александровна; Боченков Владимир Евгеньевич; Шабатина Татьяна И.; Загорский Вячеслав В.; Клок (15 декабря 2003 г.). «Ареновое комплексообразование атомов Sm, Eu, Tm и Yb: спектроскопическое исследование при переменной температуре». Журнал металлоорганической химии . 688 (1–2): 49–55. doi : 10.1016/j.jorganchem.2003.08.028.
  4. ^ La(I), Pr(I), Tb(I), Tm(I) и Yb(I) наблюдались в скоплениях MB 8 - ; см. Ли, Ван-Лу; Чен, Дэн-Тэн; Чен, Вэй-Цзя; Ли, Цзюнь; Ван, Лай-Шэн (2021). «Одновалентный лантанид (I) в борозеновых комплексах». Природные коммуникации . 12 (1): 6467. doi : 10.1038/s41467-021-26785-9. ПМЦ 8578558 . ПМИД  34753931. 
  5. ^ Уэст, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство компании Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  6. ^ аб Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  7. ^ abcdefghijkl Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от Аризоны. США: Издательство Оксфордского университета. стр. 442–443. ISBN 0-19-850341-5.
  8. ^ abc Hammond, CR (2000). "Элементы". Справочник по химии и физике (81-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 0-8493-0481-4.
  9. ^ Джексон, М. (2000). «Магнетизм редкой земли» (PDF) . Ежеквартальный журнал IRM . 10 (3): 1.
  10. ^ Кэтрин Э. Хаускрофт; Алан Дж. Шарп (2008). «Глава 25: Металлы f -блока: лантаноиды и актиноиды». Неорганическая химия, 3-е издание . Пирсон. п. 864. ИСБН 978-0-13-175553-6.
  11. ^ «Химические реакции тулия». Веб-элементы . Проверено 6 июня 2009 г.
  12. ^ Патнаик, Прадьот (2003). Справочник неорганических химических соединений. МакГроу-Хилл. п. 934. ИСБН 0-07-049439-8.
  13. ^ Кребс, Роберт Э (2006). История и использование химических элементов нашей Земли: Справочное руководство. Издательство Гринвуд. ISBN 978-0-313-33438-2.
  14. ^ Иглсон, Мэри (1994). Краткая энциклопедия химии. Вальтер де Грюйтер. п. 1105. ИСБН 978-3-11-011451-5.
  15. ^ Эмелеус, HJ; Шарп, АГ (1977). Достижения неорганической химии и радиохимии. Академическая пресса. ISBN 978-0-08-057869-9.
  16. ^ аб "Тулий". www.chemicool.com . Проверено 10 марта 2023 г.
  17. ^ Тарасов, О.Б.; Гаде, А.; Фукусима, К.; и другие. (2024). «Наблюдение новых изотопов при фрагментации 198 Pt во ФРИБ». Письма о физических отзывах . 132 (072501). doi : 10.1103/PhysRevLett.132.072501.
  18. ^ Лиде, Дэвид Р. (1998). «Раздел 11, Таблица изотопов». Справочник по химии и физике (87-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 0-8493-0594-2.
  19. ^ Белли, П.; Бернабей, Р.; Даневич, Ф.А.; и другие. (2019). «Экспериментальные поиски редких альфа- и бета-распадов». Европейский физический журнал А. 55 (8): 140–1–140–7. arXiv : 1908.11458 . Бибкод : 2019EPJA...55..140B. дои : 10.1140/epja/i2019-12823-2. ISSN  1434-601X. S2CID  201664098.
  20. ^ аб Сонцогни, Алехандро. «Без названия». Национальный центр ядерных данных . Проверено 20 февраля 2013 г.
  21. ^ См.:
    • Клив, ПТ (1879 г.). «Sur deux nouveaux éléments dans l'erbine» [Два новых элемента в оксиде эрбия]. Comptes rendus (на французском языке). 89 : 478–480.Клив назвал тулий на стр. 480: «Налейте радикал оксида в место между иттербином и эрбином, который является характерным для группы x в партии румян дю призрак, я предлагаю имя тулия , производное от Туле, le plus ancien nom de ла Скандинавия». (Для радикала оксида, расположенного между оксидами иттербия и эрбия, характеризующегося полосой х в красной части спектра, я предлагаю название «тулий», [которое] происходит от Туле , древнейшего название Скандинавии.)
    • Клив, ПТ (1879 г.). «Sur l'erbine» [Об оксиде эрбия]. Comptes rendus (на французском языке). 89 : 708–709.
    • Клив, ПТ (1880 г.). «Sur le thulium» [О тулии]. Comptes rendus (на французском языке). 91 : 328–329.
  22. ^ Иглсон, Мэри (1994). Краткая энциклопедия химии. Вальтер де Грюйтер. п. 1061. ИСБН 978-3-11-011451-5.
  23. ^ Уикс, Мэри Эльвира (1956). Открытие элементов (6-е изд.). Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования.
  24. ^ Уикс, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов: XVI. Редкоземельные элементы». Журнал химического образования . 9 (10): 1751–1773. Бибкод : 1932JChEd...9.1751W. дои : 10.1021/ed009p1751.
  25. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: Редкие Земли – запутанные годы» (PDF) . Шестиугольник : 72–77 . Проверено 30 декабря 2019 г.
  26. ^ Пиге, Клод (2014). «Извлечение эрбия». Природная химия . 6 (4): 370. Бибкод : 2014НатЧ...6..370П. дои : 10.1038/nchem.1908 . ПМИД  24651207.
  27. ^ «Тулий». Королевское химическое общество . 2020 . Проверено 4 января 2020 г.
  28. ^ Джеймс, Чарльз (1911). «Тулий I». Журнал Американского химического общества . 33 (8): 1332–1344. дои : 10.1021/ja02221a007.
  29. ^ Хедрик, Джеймс Б. «Редкоземельные металлы» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 6 июня 2009 г.
  30. ^ Кастор, Стивен Б. и Хедрик, Джеймс Б. «Редкоземельные элементы» (PDF) . Проверено 6 июня 2009 г.
  31. ^ Уокер, Перрин и Тарн, Уильям Х. (2010). Справочник CRC по травителям металлов. ЦРК Пресс. стр. 1241–. ISBN 978-1-4398-2253-1.
  32. ^ Гудзонский институт минералогии (1993–2018). «Миндат.орг». www.mindat.org . Проверено 14 января 2018 г.
  33. ^ Кехнер, Уолтер (2006). Твердотельная лазерная техника. Спрингер. п. 49. ИСБН 0-387-29094-Х.
  34. ^ Дуарте, Фрэнк Дж. (2008). Перестраиваемые лазерные приложения. ЦРК Пресс. п. 214. ИСБН 978-1-4200-6009-6.
  35. ^ аб Гупта, К.К. и Кришнамурти, Нагайяр (2004). Добывающая металлургия редких земель. ЦРК Пресс. п. 32. ISBN 0-415-33340-7.
  36. ^ Радж, Балдев; Венкатараман, Балу (2004). Практическая рентгенография. Alpha Science Int'l. ISBN 978-1-84265-188-9.
  37. ^ Кришнамурти, Деван; Вивиан Вайнберг; Дж. Адам М. Кунья; И-Чоу Сюй; Жан Пулио (2011). «Сравнение распределения доз высокодозной брахитерапии простаты с источниками иридия-192, иттербия-169 и тулия-170». Брахитерапия . 10 (6): 461–465. doi :10.1016/j.brachy.2011.01.012. ПМИД  21397569.
  38. ^ Аюб, Амаль; Шани, Гад (2009). «Разработка новых радиоактивных семян Тм-170 для брахитерапии». В Дёсселе, Олаф; Шлегель, Вольфганг К. (ред.). Всемирный конгресс по медицинской физике и биомедицинской инженерии, 7–12 сентября 2009 г., Мюнхен, Германия. Труды IFMBE. Том. 25/1. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. стр. 1–4. дои : 10.1007/978-3-642-03474-9_1. ISBN 978-3-642-03472-5. Проверено 1 апреля 2023 г.
  39. ^ Грей, Теодор В. и Манн, Ник (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной. Издательство Black Dog & Leventhal. п. 159. ИСБН 978-1-57912-814-2.
  40. ^ Уордл, Брайан (6 ноября 2009 г.). Принципы и приложения фотохимии. Джон Уайли и сыновья. п. 75. ИСБН 978-0-470-71013-5.
  41. ^ тен Кейт, ОМ; Кремер, К.В.; ван дер Колк, Э. (2015). «Эффективные люминесцентные солнечные концентраторы на основе галогенидов, не содержащих самопоглощения и легированных Tm (2+)». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 140 : 115–120. doi :10.1016/j.solmat.2015.04.002.
  42. ↑ Эйрс, округ Колумбия (15 февраля 2022 г.). Словарь экологически важных химических веществ. Десмонд Хеллиер (1-е изд.). США: CRC Press. п. 299. ИСБН 978-1-315-14115-2. ОСЛК  1301431003.
  43. ^ Джа, Арканзас (2014). Редкоземельные материалы: свойства и применение. Бока-Ратон: CRC Press. п. 63. ИСБН 978-1-4665-6403-9. ОСЛК  880825396.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с тулием.
Найдите тулий в Викисловаре, бесплатном словаре.