Loading AI tools
химический элемент с атомным номером 69 Из Википедии, свободной энциклопедии
Ту́лий (химический символ — Tm, от лат. Thulium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 69.
Тулий | ||||
---|---|---|---|---|
← Эрбий | Иттербий → | ||||
| ||||
Внешний вид простого вещества | ||||
![]() Очищенный образец тулия |
||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Тулий / Thulium (Tm), 69 | |||
Группа, период, блок |
3 (устар. 3), 6, f-элемент |
|||
Атомная масса (молярная масса) |
168,93421(2)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
Электронная конфигурация | [Xe] 6s24f13 | |||
Радиус атома | 177 пм | |||
Химические свойства | ||||
Ковалентный радиус | 156 пм | |||
Радиус иона | (+3e) 87 пм | |||
Электроотрицательность | 1,25 (шкала Полинга) | |||
Электродный потенциал |
Tm←Tm3+ -2,32 В Tm←Tm2+ -2,3 В |
|||
Степени окисления | +2, +3 | |||
Энергия ионизации |
1‑я: 596,7 (6,18) кДж/моль (эВ)
3‑я: 2285 (23,68) кДж/моль (эВ) |
|||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||
Плотность (при н. у.) | 9,321 г/см³ | |||
Температура плавления | 1818 К (1544,85 °С) | |||
Температура кипения | 2220 К (1946,85 °С) | |||
Мол. теплота плавления | 16,84 кДж/моль | |||
Мол. теплота испарения | 232 кДж/моль | |||
Молярная теплоёмкость | 27,0[2] Дж/(K·моль) | |||
Молярный объём | 18,1 см³/моль | |||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
Структура решётки | Гексагональная | |||
Параметры решётки | a=3,540 c=5.56 Å | |||
Отношение c/a | 1,570 | |||
Прочие характеристики | ||||
Магнитная структура | парамагнетик | |||
Удельное сопротивление | 6,76 ∙ 10-7 Ом·м | |||
Теплопроводность | (300 K) 16,9 Вт/(м·К) | |||
Тепловое расширение | 13,3 мкм/(м∙К) (при 25 °C) | |||
Модуль Юнга | 74,0 ГПа | |||
Модуль сдвига | 30,5 ГПа | |||
Модуль объёмной упр. | 44,5 ГПа | |||
Коэффициент Пуассона | 0,213 | |||
Твёрдость Мооса | 2–3 | |||
Твёрдость Виккерса | 470–650 МПа | |||
Твёрдость Бринелля | 470–900 МПа | |||
Номер CAS | 7440-30-4 | |||
Эмиссионный спектр | ||||
![]() |
69 | Тулий |
4f136s2 |
Относится к семейству лантаноидов.
Простое вещество тулий — это легкообрабатываемый редкоземельный металл серебристо-белого цвета.
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 открытия некоторых других редкоземельных элементов). Клеве начал с удаления всех известных загрязнителей эрбия (Er2O3). При дополнительной обработке он получил два новых соединения — одно коричневого цвета, а другое зелёного. Коричневое соединение было оксидом гольмия(III) и было названо Клеве «гольмией», а зелёное вещество было оксидом неизвестного элемента. Клеве назвал этот оксид «тулией», а его элемент — «тулием» в честь легендарного острова Туле — в греческой мифологии места, связанного со Скандинавией или Исландией, причём в написании «Thullium» он ошибочно использовал две согласные[3]. Первоначально атомным символом тулия был Tu, но позже изменен на Tm.
Тулий был настолько редок, что ни у кого из первых исследователей не было достаточного его количества, чтобы очистить его настолько, чтобы действительно увидеть зелёный цвет. Первым исследователем, получившим почти чистый тулий, был Чарльз Джеймс[англ.], британский эмигрант, работавший в Нью-Гэмпширском университете в Дареме, США. Для очистки он применил открытый им метод фракционной кристаллизации броматов; известно, что ему потребовалось 15 тыс. операций очистки, чтобы установить, что материал однороден. В 1911 году он сообщил о своих результатах.
Высокочистый оксид тулия впервые поступил в продажу в конце 1950-х годов в результате внедрения технологии ионообменного разделения. Lindsay Chemical Division американской Potash & Chemical Corporation продавала его с чистотой 99 % и 99,9 %. Цена за килограмм в период с 1959 по 1998 год для чистоты 99,9 % колебалась от 4600 до 13 300 долларов США и была второй по величине для лантаноидов после лютеция.
Полная электронная конфигурация атома тулия: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f13.
Тулий — мягкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Не радиоактивен. В стандартных условиях является парамагнетиком[4].
Чистый металлический тулий имеет серебристый блеск, тускнеет на воздухе вследствие образования оксида тулия(III). Металл режется ножом, так как он имеет твёрдость по шкале Мооса от 2 до 3. Чистый тулий проявляет ферромагнитные свойства при температуре ниже 32 К; при температуре от 32 до 56 К у него проявляются антиферромагнитные свойства, а при температуре выше 56 К он парамагнитен.
Тулий имеет две основные аллотропные модификации: тетрагональный α-Tm и более стабильный гексагональный β-Tm.
В результате взаимодействия с кислородом тулий медленно тускнеет на воздухе и легко сгорает при 150 °C с образованием оксида тулия(III):
Тулий довольно электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и довольно быстро с горячей водой с образованием гидроксида тулия (III):
Тулий реагирует со всеми галогенами. Реакции протекают медленно при комнатной температуре и бурно при температуре выше 200 °C:
(белый)
(жёлтый)
(белый)
(жёлтый)
Тулий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих ионы Tm3+ бледно-зелёного цвета, которые далее образуют комплексы [Tm(H2O)9 ] 3+:
Некоторые гидратированные соединения тулия, такие как TmCl3 · 7H2O и Tm2(C2O4)3 · 6H2O, имеют зелёный или зеленовато-белый цвет.
Тулий реагирует с различными металлами и неметаллами, образуя ряд бинарных соединений, включая азид тулия(III), сульфид тулия(II), карбид тулия(II), карбид дитулия(III), гидриды тулия(II) и тулия(III), силицид тулия(II) и т. д. Как и у большинства лантаноидов, степень окисления +3 для тулия наиболее характерна и является единственной наблюдаемой в растворах соединений тулия. В воде тулий существует в виде гидратированных ионов Tm3+. В этом состоянии ион тулия окружен девятью молекулами воды. Ионы Tm3+ проявляют яркую голубую люминесценцию. Степень окисления +2 также может существовать, однако наблюдается только у соединений в твёрдом агрегатном состоянии.
Единственным известным оксидом тулия является Tm2O3. Соединения тулия(II) можно получить путем восстановления соединений тулия(III). Примеры соединений тулия(II) включают галогениды (кроме фторида). Хлорид тулия(II) очень энергично реагирует с водой:
Реакция тулия с халькогенами приводит к образованию халькогенидов тулия.
Тулий реагирует с водными растворами кислот с образованием солей тулия(III) и водорода:
Кислотами-окислителями (например, азотной кислотой) металл окисляется без выделения водорода:
Изотопы тулия варьируются от 145Tm до 179Tm. Первичным каналом распада до появления наиболее стабильного изотопа 169Tm является захват электронов, а основным каналом после — бета-распад.
Тулий-169 — единственный первичный изотоп тулия и единственный изотоп тулия, который считается стабильным; предполагается, что он подвергнется альфа-распаду до гольмия-165 с очень длительным периодом полураспада. Самыми долгоживущими радиоактивными изотопами являются тулий-171 с периодом полураспада 1,92 года и тулий-170 с периодом полураспада 128,6 дня. Период полураспада большинства других изотопов составляет несколько минут или меньше. Всего было обнаружено 35 изотопов и 26 ядерных изомеров тулия. Большинство изотопов тулия с а. е. м. меньше 169 распадаются в результате электронного захвата или β+-распада, хотя некоторые из них демонстрируют значительный альфа-распад или испускание протонов. Более тяжёлые изотопы подвергаются β−-распаду.
Тулий-170 применяется для изготовления портативных рентгеновских установок медицинского назначения[3], а также в металлодефектоскопии[5]. Сравнительно недавно он предложен в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.
Тулий является редким элементом (самым редким из лантаноидов)[3], его содержание в земной коре — 2,7⋅10−5 масс. %, в морской воде — 10−7 мг/литр[2]. В чистом виде элемент в природе не найден, но обнаруживается в небольших количествах в минералах с другими редкоземельными элементами. Тулий часто встречается с минералами, содержащими иттрий и гадолиний. В частности, тулий присутствует в минерале гадолините. Однако, как и многие другие лантаноиды, тулий также находят в минералах монаците, ксенотиме и эвксените. До сих пор не обнаружено преобладания тулия над другими редкоземельными элементами ни в одном минерале. Тулиевая руда больше всего разрабатывается в Китае. Однако Австралия, Бразилия, Дания (Гренландия), Индия, Танзания и США также располагают большими запасами тулия. Мировые запасы тулия составляют примерно 100 тыс. тонн. Тулий является наименее распространенным лантаноидом на Земле за исключением радиоактивного прометия.
Тулий в основном извлекают из монацитовых руд (~0,007 % тулия по весу), найденных в речных песках, а также посредством ионного обмена. Новые методы ионного обмена и экстракции растворителем упростили выделение 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 приходится на иттрий, тулия составляет около 0,5 % (или примерно столько же, сколько лютеция). Металл можно выделить восстановлением его оксида металлическим кальцием в закрытом контейнере:
Ежегодно производится около 50 тонн оксида тулия. 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.
Иттрий-алюминиевый гранат[англ.], легированный гольмием, хромом и тулием (Ho:Cr:Tm:YAG или Ho,Cr,Tm:YAG), является активным материалом лазерной среды с высокой эффективностью. Он излучает на длине волны 2080 нм в инфракрасном диапазоне и широко используется в военных целях, медицине и метеорологии. Одноэлементные лазеры на YAG (Tm:YAG), легированные тулием, работают на длине волны 2010 нм.[6] Длина волны тулиевых лазеров очень эффективна для поверхностного удаления ткани с минимальной глубиной коагуляции. Это делает тулиевые лазеры привлекательными для лазерной хирургии.[7]
Монотеллурид тулия обладает очень высокой термо-э.д.с. (700 мкВ/К), и КПД термоэлектропреобразователей, изготовленных на его основе, очень высок (при снижении цены на тулий его применение в производстве термоэлементов резко возрастёт). Кроме того, теллурид тулия применяется для регулирования полупроводниковых свойств теллурида свинца (модификатор).
Тулий может использоваться в высокотемпературных сверхпроводниках подобно иттрию. Тулий потенциально может использоваться в ферритах, керамических магнитных материалах, которые используются в микроволновом оборудовании. Тулий также как и скандий может использоваться в дуговом освещении из-за его необычного спектра (в данном случае его зелёные линии излучения), которые не перекрываются другими элементами. Поскольку тулий флуоресцирует синим цветом при воздействии ультрафиолетового излучения, соединения тулия наносят на банкноты евро в качестве меры защиты от подделок.[8] Синяя флуоресценция сульфата кальция, легированного тулием, может использоваться в персональных дозиметрах для визуального контроля радиации. Галогениды, легированные тулием, в которых он находится в степени окисления +2, являются многообещающими люминесцентными материалами, которые могут сделать возможными эффективные генераторы электричества, основанные на принципе люминесцентного солнечного концентратора.[9]
Тулий не играет никакой биологической роли, хотя известно, что он стимулирует обмен веществ.[10] Растворимые соли тулия являются малотоксичными, но нерастворимые соединения нетоксичны. Элемент практически не усваивается растениями и, следовательно, не может попасть в пищевую цепь[10]. Среднее содержание тулия в растениях составляет около 1 мг на тонну сухого веса[10].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.