Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 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.

Свойства [ править ]

Физические свойства [ править ]

Чистый металлический тулий имеет яркий серебристый блеск, который тускнеет на воздухе. Металл можно разрезать ножом [4], так как он имеет твердость по шкале Мооса от 2 до 3; он податливый и пластичный. [5] Тулий ферромагнитен при температуре ниже 32  К, антиферромагнитен при температуре от 32 до 56  К и парамагнитен выше 56  К. [6]

Тулий имеет два основных аллотропа : тетрагональный α-Tm и более стабильный гексагональный β-Tm. [5]

Химические свойства [ править ]

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+ : [7]

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. . [ необходима цитата ] В этих соединениях тулий демонстрирует валентные состояния +2 и +3, однако состояние +3 является наиболее распространенным, и только это состояние наблюдалось в растворах тулия. [8] Тулий существует в растворе в виде иона Tm 3+.. В этом состоянии ион тулия окружен девятью молекулами воды. [4] Ионы Tm 3+ демонстрируют ярко-голубую люминесценцию. [4]

Единственный известный оксид тулия - Tm 2 O 3 . Этот оксид иногда называют «тулией». [9] 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. [10] Дихлорид тулия очень активно реагирует с водой . В результате этой реакции образуется водородгаз и Tm (OH) 3, имеющий исчезающий красноватый цвет. [ необходима цитата ] Комбинация тулия и халькогенов приводит к халькогенидам тулия . [11]

Тулий реагирует с хлористым водородом с образованием газообразного водорода и хлорида тулия. С азотной кислотой образуется нитрат тулия, или Tm (NO 3 ) 3 . [12]

Изотопы [ править ]

Изотопы тулия варьируются от 145 до 179 Тм. Первичная мода распада перед наиболее распространенным стабильным изотопом 169 Tm - это захват электронов , а первичная мода после - бета-излучение . Первичные продукты распада до 169 Tm - это изотопы элемента 68 ( эрбия ), а первичные продукты после - изотопы элемента 70 ( иттербий ). [13]

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. [4] [14] 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. [15] Было обнаружено тридцать пять изотопов и 26 ядерных изомеров тулия. [4] Большинство изотопов тулия легче 169 атомных единиц массы распадаются в результате захвата электронов.или бета-распад , хотя некоторые из них демонстрируют значительный альфа-распад или испускание протонов . Более тяжелые изотопы подвергаются бета-распаду . [15]

История [ править ]

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). [16] 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 тулиейи его элемент тулий после Туле , древнегреческого топонима, связанного со Скандинавией или Исландией . Когда-то атомным символом Тулия было Tu, но теперь его заменили на Tm. [4] [17] [18] [19] [20] [21] [22]

Тулий был настолько редок, что ни у одного из первых исследователей его не было достаточно, чтобы очистить его настолько, чтобы увидеть зеленый цвет; они должны были довольствоваться спектроскопическим наблюдением усиления двух характеристических полос поглощения по мере постепенного удаления эрбия. Первым исследователем, получившим почти чистый тулий, был Чарльз Джеймс , британский экспатриант, работавший в больших масштабах в Нью-Хэмпширском колледже в Дареме , США. В 1911 году он сообщил о своих результатах, применив для очистки свой открытый метод фракционной кристаллизации бромата. Как известно, ему потребовалось 15000 операций очистки, чтобы убедиться, что материал однороден. [23]

Оксид тулия высокой чистоты впервые был коммерчески предложен в конце 1950-х годов в результате внедрения технологии ионообменного разделения. Химическое подразделение Lindsay 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 . [24] [25]

Возникновение [ править ]

Тулий содержится в минерале монаците.

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 . [26] Однако тулий также встречается в минералах монацит , ксенотим и эвксенит . Преобладание тулия по сравнению с другими редкоземельными элементами ни в одном минерале пока не обнаружено. [27] 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 миллионпочвы , хотя это значение может колебаться от 0,4 до 0,8 частей на миллион. Тулий составляет 250 частей на квадриллион морской воды . [4] В Солнечной системе тулий существует в концентрациях 200 частей на триллион по весу и 1 часть на триллион по молям. [12] 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 наименее распространенлантаноид на земле, за исключением радиоактивного прометия . [4]

Производство [ править ]

Тулий в основном 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 тулияимеют коммерческое значение. Производится около 50 тонн оксида тулия в год. [4] В 1996 году оксид тулия стоил 20 долларов США за грамм, а в 2005 году металлический порошок тулия с чистотой 99% стоил 70 долларов США за грамм. [5]

Приложения [ править ]

Тулий имеет несколько применений:

Лазер [ править ]

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 лазер 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. [28] 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. [29]

Источник рентгеновского излучения [ править ]

Несмотря на свою высокую стоимость, портативные рентгеновские устройства используют тулий, который бомбардировали нейтронами в ядерном реакторе для производства изотопа тулий-170 с периодом полураспада 128,6 дня и пятью основными линиями излучения сопоставимой интенсивности (7,4, 51.354, 52.389, 59.4 и 84.253 кэВ). 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 серьезной радиационной защите - только небольшая чашка свинца. [30] Они являются одними из самых популярных источников излучения для использования в промышленной радиографии . [31]Тулий-170 становится все более популярным в качестве источника рентгеновского излучения для лечения рака с помощью брахитерапии (лучевой терапии с закрытым источником). [32] [33]

Другое [ править ]

Тулий, как и иттрий, использовался в высокотемпературных сверхпроводниках . Тулий потенциально может использоваться в ферритах , керамических магнитных материалах, которые используются в микроволновом оборудовании. [30] 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. [34] Поскольку тулий флуоресцирует синим цветом при воздействии ультрафиолета , тулий помещается в банкноты евро в качестве меры против подделки . [35] Голубая флуоресценция сульфата кальция, легированного Tm, использовалась в персональных дозиметрах для визуального контроля радиации. [4] 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. [36]

Биологическая роль и меры предосторожности [ править ]

Растворимые соли тулия умеренно токсичны , но нерастворимые соли тулия совершенно нетоксичны . [4] При инъекции тулий может вызвать дегенерацию печени и селезенки, а также может вызвать колебания концентрации гемоглобина . Повреждение печени тулием чаще встречается у самцов мышей, чем у самок. Несмотря на это, тулий обладает низкой токсичностью. [ необходима цитата ] У людей тулий содержится в наибольших количествах в печени , почках и костях . Люди обычно потребляют несколько микрограммов тулия в год. Корнирастения не усваивают тулий, а в сухом весе овощей обычно содержится одна часть тулия на миллиард . [4] Тулиевая пыль и порошок токсичны при вдыхании или проглатывании и могут вызвать взрыв .

См. Также [ править ]

  • Категория: Соединения тулия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мейджа, Юрис; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ Иттрий и все лантаноиды, кроме Ce и Pm, наблюдались в степени окисления 0 в комплексах бис (1,3,5-три-трет-бутилбензола), см. Cloke, F. Geoffrey N. (1993). «Соединения в состоянии нулевого окисления скандия, иттрия и лантаноидов». Chem. Soc. Ред . 22 : 17–24. DOI : 10.1039 / CS9932200017 .и Arnold, Polly L .; Петрухина, Марина А .; Боченков, Владимир Е .; Шабатина, Татьяна И .; Загорский, Вячеслав В .; Cloke (15 декабря 2003 г.). «Комплексообразование арена 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 .
  3. ^ Weast, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  4. ^ Б с д е е г ч я J K L Эмсли, Джон (2001). Природы строительных блоков: руководство AZ элементам . США: Издательство Оксфордского университета. С. 442–443. ISBN 0-19-850341-5.
  5. ^ а б в Хэммонд, CR (2000). "Элементы". Справочник по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN 0-8493-0481-4.
  6. ^ Джексон, М. (2000). «Магнетизм редкой земли» (PDF) . IRM Ежеквартально . 10 (3): 1.
  7. ^ «Химические реакции тулия» . Веб-элементы . Проверено 6 июня 2009 .
  8. ^ Patnaik, Pradyot (2003). Справочник неорганических химических соединений . Макгроу-Хилл. п. 934. ISBN 0-07-049439-8.
  9. Перейти ↑ Krebs, Robert E (2006). История и использование химических элементов нашей Земли: Справочное руководство . ISBN 978-0-313-33438-2.
  10. ^ Иглсон, Мэри (1994). Краткая энциклопедия химии . Вальтер де Грюйтер. п. 1105. ISBN 978-3-11-011451-5.
  11. ^ Emeléus, HJ; Шарп, AG (1977). Успехи неорганической химии и радиохимии . Академическая пресса. ISBN 978-0-08-057869-9.
  12. ^ а б Тулий . Chemicool.com. Проверено 29 марта 2013.
  13. ^ 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.
  14. ^ Belli, P .; Bernabei, R .; Даневич Ф.А.; и другие. (2019). «Экспериментальные поиски редких альфа- и бета-распадов». Европейский физический журнал . 55 (8): 140–1–140–7. arXiv : 1908.11458 . Bibcode : 2019EPJA ... 55..140B . DOI : 10.1140 / epja / i2019-12823-2 . ISSN 1434-601X . S2CID 201664098 .  
  15. ^ a b Sonzogni, Алехандро. «Без названия» . Национальный центр ядерных данных . Проверено 20 февраля 2013 .
  16. ^ См .:
    • Клив, PT (1879). "Sur deux nouveaux éléments dans l'erbine" [Два новых элемента в оксиде эрбия]. Comptes rendus (на французском). 89 : 478–480.Клив назвал тулий на с. 480: «Пур ле радикал де l'Оксид placé Entre l'ytterbine и др l'erbine, квьте Эстый caractérisé пара л Банда й данс л румяна ую партию Специального призрака, JE предложить ли псевдоним туллий , черпает де Thule, ль плюс древен ном де la Scandinavie ". (Для радикала оксида, расположенного между оксидами иттербия и эрбия, который характеризуется полосой x в красной части спектра, я предлагаю название «тулий», [который] происходит от имени Туле , старейшего название Скандинавии.)
    • Клив, PT (1879). «Sur l'erbine» [Об оксиде эрбия]. Comptes rendus (на французском). 89 : 708–709.
    • Клив, PT (1880). "Sur le thulium" [О тулии]. Comptes rendus (на французском). 91 : 328–329.
  17. ^ Иглсон, Мэри (1994). Краткая энциклопедия химии . Вальтер де Грюйтер. п. 1061. ISBN 978-3-11-011451-5.
  18. ^ Недели, Мэри Эльвира (1956). Открытие элементов (6-е изд.). Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования.
  19. ^ Недели, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов: XVI. Редкоземельные элементы». Журнал химического образования . 9 (10): 1751–1773. Bibcode : 1932JChEd ... 9.1751W . DOI : 10.1021 / ed009p1751 .
  20. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - непонятные годы» (PDF) . Шестиугольник : 72–77 . Проверено 30 декабря 2019 .
  21. ^ Piguet, Claude (2014). «Извлечение эрбия» . Химия природы . 6 (4): 370. Bibcode : 2014NatCh ... 6..370P . DOI : 10.1038 / nchem.1908 . PMID 24651207 . 
  22. ^ "Тулий" . Королевское химическое общество . 2020 . Проверено 4 января 2020 года .
  23. ^ Джеймс, Чарльз (1911). «Тулий I» . Журнал Американского химического общества . 33 (8): 1332–1344. DOI : 10.1021 / ja02221a007 .
  24. ^ Хедрик, Джеймс Б. "Редкоземельные металлы" (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 6 июня 2009 .
  25. ^ Кастор, Стивен Б. и Хедрик, Джеймс Б. «Редкоземельные элементы» (PDF) . Проверено 6 июня 2009 .
  26. ^ Уокер, Перрин и Тарн, Уильям Х. (2010). CRC Справочник по металлическим травителям . CRC Press. стр. 1241–. ISBN 978-1-4398-2253-1.
  27. ^ Институт минералогии Гудзона (1993–2018). "Mindat.org" . www.mindat.org . Проверено 14 января 2018 .
  28. ^ Koechner, Вальтер (2006). Твердотельная лазерная техника . Springer. п. 49. ISBN 0-387-29094-X.
  29. ^ Дуарте, Фрэнк Дж. (2008). Настраиваемые лазерные приложения . CRC Press. п. 214. ISBN 978-1-4200-6009-6.
  30. ^ а б Гупта, CK и Кришнамурти, Нагаяр (2004). Добывающая металлургия редкоземельных элементов . CRC Press. п. 32. ISBN 0-415-33340-7.
  31. ^ Радж, Балдев; Венкатараман, Балу (2004). Практическая радиография . ISBN 978-1-84265-188-9.
  32. ^ Кришнамурти, Деван; Вивиан Вайнберг; Дж. Адам М. Кунья; Ай-Чоу Хсу; Жан Пулио (2011). «Сравнение распределения доз при брахитерапии простаты с высокой мощностью дозы с источниками иридия-192, иттербия-169 и тулия-170». Брахитерапия . 10 (6): 461–465. DOI : 10.1016 / j.brachy.2011.01.012 . PMID 21397569 . 
  33. ^ Ayoub, Amal Hwaree et al. Разработка новых радиоактивных семян Tm-170 для брахитерапии , кафедра биомедицинской инженерии, Университет Бен-Гуриона в Негеве
  34. ^ Грей, Теодор В. и Манн, Ник (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Издательство Black Dog & Leventhal. п. 159 . ISBN 978-1-57912-814-2.
  35. ^ Уордл, Брайан (2009-11-06). Принципы и применения фотохимии . п. 75. ISBN 978-0-470-71013-5.
  36. ^ десять Кейт, ОМ; Кремер, кВт; ван дер Колк, Э. (2015). «Эффективные люминесцентные солнечные концентраторы на основе свободных от самопоглощения галогенидов, легированных Tm 2+ » . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 140 : 115–120. DOI : 10.1016 / j.solmat.2015.04.002 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Пул, Чарльз П. младший (2004). Энциклопедический словарь физики конденсированного состояния . Академическая пресса. п. 1395. ISBN 978-0-08-054523-3.