Thulium

Thulium
←  Erbium | Ytterbium  →
69 Tm ↓ md 69 Tm
Vzhled jednoduché látky
Vyčištěný vzorek thulia
Vlastnosti atomu
Jméno, symbol, číslo	Thulium / Thulium (Tm), 69
Skupina , období , blok	3 (zastaralé 3), 6, f-prvek
atomová hmotnost ( molární hmotnost )	168.93421(2) [1]  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronická konfigurace	[Xe] 6s 2 4f 13
Poloměr atomu	177 hodin
Chemické vlastnosti
kovalentní poloměr	156  hodin
Poloměr iontů	(+3e) 87  hodin
Elektronegativita	1,25 (Paulingova stupnice)
Elektrodový potenciál	Tm←Tm 3+ -2,32 V Tm←Tm 2+ -2,3 V
Oxidační stavy	+2, +3
Ionizační energie	1.: 596,7 (6,18)  kJ / mol  ( eV ) 2.: 1160 (12,02)  kJ / mol  ( eV ) 3.: 2285 (23,68)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky
Hustota (v n.a. )	9,321 g/cm³
Teplota tání	1818 K
Teplota varu	2220 tis .
Oud. teplo tání	16,84 kJ/mol
Oud. výparné teplo	232 kJ/mol
Molární tepelná kapacita	27,0 [2]  J/(K mol)
Molární objem	18,1  cm³ / mol
Krystalová mřížka jednoduché látky
Příhradová konstrukce	Šestihranný
Parametry mřížky	a=3,540 c=5,56  Á
poměr c / a	1,570
Další vlastnosti
Magnetická struktura	paramagnetický
Odpor	6,76 ∙ 10 -7  Ohm m
Tepelná vodivost	(300 K) 16,9 W/(m K)
teplotní roztažnost	13,3 µm/(m∙K) (při 25 °C)
Youngův modul	74,0 GPa
Tažný modul	30,5 GPa
Modul ovládání hlasitosti	44,5 GPa
Poissonův poměr	0,213
Mohsova tvrdost	2–3
Tvrdost podle Vickerse	470–650 MPa
Tvrdost podle Brinella	470–900 MPa
Číslo CAS	7440-30-4
Emisní spektrum

Thulium ( chemická značka  - Tm , z lat.  Thulium ) je chemický prvek 3. skupiny (podle zastaralé klasifikace  - vedlejší podskupina třetí skupiny, IIIB) šesté periody periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 69.

Patří do rodiny Lanthanide .

Jednoduchá látka thulium  je snadno zpracovatelný kov vzácných zemin se stříbřitě bílou barvou .

Historie

Thulium objevil švédský chemik Per Theodor Kleve v roce 1879, když hledal nečistoty v oxidech jiných prvků vzácných zemin (jednalo se o stejnou metodu, kterou dříve používal Carl Gustav Mosander k objevování některých dalších prvků vzácných zemin). Kleve začal odstraněním všech známých erbiových ( Er 2 O 3 ) kontaminantů. S dodatečným zpracováním získal dvě nové sloučeniny - jednu hnědou a druhou zelenou. Hnědou sloučeninou byl oxid holmium(III) a Cleve ji nazval „holmium“, zatímco zelená sloučenina byla oxidem neznámého prvku. Kleve pojmenoval tento oxid „thulium“ a jeho prvek „thulium“ po legendárním ostrově Thule , starořeckém názvu pro místo spojené se Skandinávií nebo Islandem . Původní atomový symbol pro thulium byl Tu, ale později se změnil na Tm.

Thulium bylo tak vzácné, že žádný z prvních průzkumníků ho neměl dost na to, aby ho vyčistil natolik, aby skutečně viděl zelenou barvu. Prvním badatelem, který získal téměř čisté thulium, byl Charles James, britský přistěhovalec, který pracoval ve velkém na University of New Hampshire v Durhamu, USA . V roce 1911 oznámil své výsledky pomocí metody frakční krystalizace bromičnanů, kterou objevil pro čištění. Je známo, že mu trvalo 15 000 čisticích operací, aby zjistil, že materiál je homogenní.

Vysoce čistý oxid thulitý byl poprvé uveden na trh koncem 50. let 20. století v důsledku zavedení separační technologie iontové výměny. Lindsay Chemical Division společnosti American Potash & Chemical Corporation jej prodávala v čistotě 99 % a 99,9 %. Cena za kilogram se pohybovala od 4 600 USD do 13 300 USD v letech 1959 až 1998 za 99,9% čistotu a byla druhá nejvyšší pro lanthanoidy po luteciu .

Původ jména

Poté, co izoloval oxid neznámého prvku, švédský chemik Per Theodor Kleve mu dal jméno „ Thulium “ na počest legendárního ostrova Thule nacházejícího se na severu Evropy (z jiného řeckého Θούλη a také z latinského  Thule ). Navíc při psaní „ Thullium“ omylem použil dvě souhlásky [3] .

Vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Kompletní elektronová konfigurace atomu thulia je: 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 je měkký, stříbřitě bílý kov vzácných zemin. Ne radioaktivní . Za standardních podmínek se jedná o paramagnet [4] .

Čisté kovové thulium má stříbřitý lesk, který na vzduchu bledne v důsledku tvorby oxidu thulnatého. Kov se řeže nožem, protože má tvrdost podle Mohse 2 až 3. Čisté thulium vykazuje feromagnetické vlastnosti při teplotách pod 32 K; při teplotách od 32 do 56 K vykazuje antiferomagnetické vlastnosti a při teplotách nad 56 K je paramagnetický.

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

Chemické vlastnosti

V důsledku interakce s kyslíkem thulium na vzduchu pomalu bledne a snadno hoří při 150 °C za vzniku oxidu thulnatého (III) :  

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

Thulium reaguje se všemi halogeny . Reakce probíhají pomalu při pokojové teplotě, ale prudce probíhají při teplotách nad 200 °C:

(bílý)

(žlutá)

(bílý)

(žlutá)

Thulium se snadno rozpouští ve zředěné kyselině sírové za vzniku roztoků obsahujících světle zelené ionty Tm 3+ , které dále tvoří komplexy [Tm(H 2 O) 9 ] 3+ :

Některé hydratované sloučeniny thulia , jako je TmCl37H20 a Tm2 ( C204 ) 36H20 , jsou zelené nebo zeleno bílé .

Thulium reaguje s různými kovy a nekovy za vzniku řady binárních sloučenin včetně azidu thulium(III), sulfidu thulium(II), dikarbidu thulium(II), trikarbidu dithulia(III), thulium(II) a thulium(III) hydridy, disilicidní thulium (II) atd. Jako u většiny lanthanoidů je oxidační stav +3 pro thulium nejcharakterističtější a je jediný pozorovaný v roztocích sloučenin thulia. Ve vodě existuje thulium jako hydratované ionty Tm3 + . V tomto stavu je iont thulia obklopen devíti molekulami vody. Ionty Tm3 + vykazují jasně modrou luminiscenci. Může existovat i oxidační stav +2, je však pozorován pouze u sloučenin v pevném stavu agregace.

Jediný známý oxid thulitý je Tm 2 O 3 . Sloučeniny thulium(II) lze získat redukcí sloučenin thulia(III). Příklady sloučenin thulium(II) zahrnují halogenidy (jiné než fluor). Thulium(II) dichlorid reaguje velmi prudce s vodou:

Reakce thulia s chalkogeny má za následek vznik thuliových chalkogenidů.

Thulium reaguje s vodnými roztoky kyselin za vzniku solí thulia (III) a vodíku :

Oxidační kyseliny (například kyselina dusičná) oxidují kov bez uvolňování vodíku:

Izotopy

Izotopy thulia se pohybují od 145 Tm do 179 Tm. Primárním rozpadovým kanálem před objevením se nejstabilnějšího izotopu 169 Tm je záchyt elektronů a hlavním kanálem po něm je rozpad beta .

Thulium-169 je jediným původním izotopem thulia a jediným izotopem thulia považovaným za stabilní; očekává se, že podstoupí alfa rozpad na holmium-165 s velmi dlouhým poločasem rozpadu . Nejdéle žijící radioaktivní izotopy jsou thulium-171 s poločasem rozpadu 1,92 roku a thulium-170 s poločasem rozpadu 128,6 dne. Poločas většiny ostatních izotopů je několik minut nebo méně. Bylo objeveno celkem 35 izotopů a 26 jaderných izomerů thulia. Většina izotopů thulia s a. mu méně než 169 se rozpadá elektronovým záchytem nebo β + rozpadem , ačkoli některé vykazují významný alfa rozpad nebo emise protonů . Těžší izotopy podléhají β - rozpadu.

Izotop thulium-170 se používá k výrobě přenosných rentgenových jednotek pro lékařské účely [3] a také při detekci kovových defektů [5] . V poslední době byl navržen jako palivo v radioizotopových zdrojích energie .

Rozšíření v přírodě

Thulium je vzácný prvek (nejvzácnější z lanthanoidů) [3] , jeho obsah v zemské kůře je 2,7⋅10 −5 hm. %, v mořské vodě - 10 −7  mg/litr [2] . Prvek se v přírodě nevyskytuje v čisté formě, ale vyskytuje se v malém množství v minerálech s jinými prvky vzácných zemin. Thulium se často vyskytuje u minerálů obsahujících yttrium a gadolinium . Thulium se vyskytuje zejména v minerálu gadolinitu . Nicméně, stejně jako mnoho jiných lanthanoidů, thulium se také vyskytuje v minerálech monazit , xenotima euxenit . Dosud nebyla v žádném minerálu zjištěna převaha thulia nad jinými prvky vzácných zemin. Thuliová ruda se většinou těží v Číně. Velké zásoby thulia však mají také Austrálie , Brazílie , Dánsko (Grónsko) , Indie , Tanzanie a Spojené státy . Světové zásoby thulia jsou přibližně 100 000 tun. Thulium je nejméně zastoupený lanthanoid na Zemi, s výjimkou radioaktivního promethia .

Získání

Thulium se získává hlavně z monazitových rud (~ 0,007 % thulium podle hmotnosti), které se nacházejí v říčních píscích, a také prostřednictvím iontové výměny . Nové metody iontové výměny a extrakce rozpouštědlem zjednodušily izolaci prvků vzácných zemin, což má za následek výrazné snížení nákladů na výrobu thulia. Hlavním zdrojem jsou dnes iontově adsorpční jíly z jižní Číny. V nich, kde asi dvě třetiny celkového obsahu prvků vzácných zemin tvoří yttrium, je thulium asi 0,5 % (neboli přibližně stejně jako lutecium). Kov lze izolovat redukcí jeho oxidu kovovým vápníkem v uzavřené nádobě:

Ročně se vyrobí asi 50 tun oxidu thulnatého. V roce 1996 stál oxid thulium 20 USD/gram a v roce 2005 stál 99% čistý kovový prášek thulia 70 USD/gram.

Aplikace

Laserové materiály

Yttrium hliníkový granát, dopovaný holmiem, chromem a thuliem (Ho:Cr:Tm:YAG nebo Ho,Cr,Tm:YAG), je laserově středně aktivní materiál s vysokou účinností. Vyzařuje na vlnové délce 2080 nm v infračerveném rozsahu a je široce používán ve vojenských, lékařských a meteorologických aplikacích. Thuliem dopované jednoprvkové YAG (Tm:YAG) lasery pracují na vlnové délce 2010 nm. [6] Vlnová délka thuliových laserů je velmi účinná pro odstranění povrchové tkáně s minimální hloubkou koagulace. Díky tomu jsou thuliové lasery atraktivní pro laserovou chirurgii. [7]

Termoelektrické materiály

Thulium monotellurid má velmi vysoké tepelné emf. (700 μV / K) a účinnost termoelektrických konvertorů vyrobených na jeho základě je velmi vysoká (s poklesem ceny thulia se jeho použití při výrobě termočlánků prudce zvýší). Kromě toho se telurid thulium používá k řízení polovodičových vlastností teluridu olova (modifikátoru).

Ostatní

Thulium lze použít ve vysokoteplotních supravodičech , jako je yttrium. Thulium má potenciál být použito ve feritech, keramických magnetických materiálech, které se používají v mikrovlnných zařízeních. Thulium, stejně jako scandium , lze použít v obloukovém osvětlení kvůli svému neobvyklému spektru (v tomto případě jeho zeleným emisním čarám), které se nepřekrývají s jinými prvky. Protože thulium při vystavení ultrafialovému záření fluoreskuje modře , jsou sloučeniny thulia aplikovány na eurobankovky jako opatření proti padělání. [8] Modrá fluorescence síranu vápenatého dopovaného thuliem může být použita v osobních dozimetrech pro vizuální sledování záření . Halogenidy dopované thuliem, ve kterých je v oxidačním stavu +2, jsou slibnými luminiscenčními materiály, které by mohly umožnit efektivní generátory elektřiny založené na principu luminiscenčního solárního koncentrátoru . [9]

Biologická role

Thulium nehraje žádnou biologickou roli, i když je známo, že stimuluje metabolismus . [10] Rozpustné soli thulia jsou málo toxické, ale nerozpustné sloučeniny jsou netoxické. Prvek není prakticky absorbován rostlinami , a proto nemůže vstoupit do potravního řetězce [10] . Průměrný obsah thulia v rostlinách je asi 1 mg na tunu sušiny [10] .

Poznámky

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. Atomové hmotnosti prvků 2011 (IUPAC Technical Report  )  // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Sv. 85 , č. 5 . - S. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 . Archivováno z originálu 5. února 2014.
2. ↑ 1 2 Chemická encyklopedie: v 5 svazcích / Ed.: Zefirov N. S. (hlavní redaktor). - M . : Velká ruská encyklopedie, 1999. - T. 5. - S. 16.
3. ↑ 1 2 3 Leenson, 2016 , str. 48.
4. ↑ Kolektiv autorů, 1985 , s. 588.
5. ↑ Kolektiv autorů, 1985 , s. 590.
6. ↑ Walter Koechner. Laserové inženýrství v pevné fázi . - Springer Science & Business Media, 2006. - 766 s. — ISBN 978-0-387-29094-2 . Archivováno 24. června 2022 na Wayback Machine
7. ↑ FJ Duarte. Laditelné laserové aplikace . — CRC Press, 2008-08-26. — 480 s. - ISBN 978-1-4200-6058-4 . Archivováno 24. června 2022 na Wayback Machine
8. ↑ Brian Wardle. Principy a aplikace fotochemie . — John Wiley & Sons, 2009-11-06. — 267 s. - ISBN 978-0-470-71013-5 . Archivováno 24. června 2022 na Wayback Machine
9. ↑ Otmar M. ten Kate, Karl W. Krämer, Erik van der Kolk. Účinné luminiscenční solární koncentrátory na bázi halogenidů dopovaných Tm2+ bez samoabsorpce  //  Materiály pro solární energii a solární články. — 2015-09. — Sv. 140 . — S. 115–120 . - doi : 10.1016/j.solmat.2015.04.002 . Archivováno z originálu 6. dubna 2022.
10. ↑ 1 2 3 John Emsley. Stavební kameny přírody: průvodce  živly od A do Z. - US: Oxford University Press , 2001. - S. 442-443. — ISBN 0-19-850341-5 .

Odkazy

• Thulium na Webelements
• Thulium v ​​populární knihovně chemických prvků

Literatura

• Kolektiv autorů. Vlastnosti prvku: Ref. vyd. / Ed. E. M. DRITS. - M .: Metalurgie, 1985. - 672 s.
• Leenson I. A. Chemické prvky za 60 sekund. - M. : AST, 2016. - 160 s. — (70 faktů). - ISBN 978-5-17-096039-2 .
• Remy G. Kurz anorganické chemie. - M .: Mir, 1966. - T. 2. - 838 s.
• Bohatý V. I. Při hledání živlů. - M .: Chemie, 1985. - 168 s.

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Britannica (online) Treccani Universalis Granátové jablko
V bibliografických katalozích	GND : 4185369-6 J9U : 987007536581905171 LCCN : sh85135103