تولیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish
اربیمتولیمایتربیم
-

Tm

Md
ظاهر
نقرهy gray
ویژگی‌های کلی
نام، نماد، عدد تولیم، Tm،‏ 69
تلفظ به انگلیسی ‎/ˈθjuːliəm/‎ THEW-lee-əm
نام گروهی برای عناصر مشابه لانتانیدها
گروه، دوره، بلوک n/a، ۶، f
جرم اتمی استاندارد 168.93421 گرم بر مول
آرایش الکترونی [Xe] 4f13 6s2
الکترون به لایه 2, 8, 18, 31, 8, 2
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به دمای اتاق) 9.32 g·cm−۳
چگالی مایع در نقطه ذوب 8.56 g·cm−۳
نقطه ذوب 1818 K،‎ 1545 °C،‎ 2813 °F
نقطه جوش 2223 K،‎ 1950 °C،‎ 3542 °F
گرمای هم‌جوشی 16.84 کیلوژول بر مول
گرمای تبخیر 247 کیلوژول بر مول
ظرفیت گرمایی 27.03 کیلوژول بر مول
فشار بخار
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین) 1117 1235 1381 1570 (1821) (2217)
ویژگی‌های اتمی
وضعیت اکسید شدن 2, 3, 4 (basic oxide)
الکترونگاتیوی 1.25 (مقیاس پاولینگ)
انرژی‌های یونش نخستین: 596.7 کیلوژول بر مول
دومین: 1160 کیلوژول بر مول
سومین: 2285 کیلوژول بر مول
شعاع اتمی 176 pm
شعاع کووالانسی 190±10 pm
متفرقه
ساختار کریستالی hexagonal
مغناطیس پارامغناطیس at 300 K
مقاومت ویژه الکتریکی (دمای اتاق) (poly) 676 nΩ·m
رسانایی گرمایی (300 K) 16.9 W·m−1·K−1
انبساط گرمایی (دمای اتاق) (poly)
13.3 µm/(m·K)
مدول یانگ 74.0 GPa
مدول برشی 30.5 GPa
مدول حجمی 44.5 GPa
نسبت پواسون 0.213
سختی ویکر 520 MPa
سختی برینل 471 MPa
عدد کاس 7440-30-4
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های تولیم
ایزوتوپ NA نیمه‌عمر DM DE (MeV) DP
167Tm syn 9.25 d ε 0.748 167Er
168Tm syn 93.1 d ε 1.679 168Er
169Tm 100% 169Tm ایزوتوپ پایدار است که 100 نوترون دارد
170Tm syn 128.6 d β 0.968 170Yb
171Tm syn 1.92 y β 0.096 171Yb

تولیوم (Thulium) از عنصرهای شیمیایی جدول تناوبی است. نشانه کوتاه آن Tm و عدد اتمی ۶۹ آن است؛ و جزو لانتانیدها می‌باشد. با فلز آن که دارای درخشش نقره‌ای رنگی است، می‌توان به‌راحتی کار کرد و با چاقو بریده می‌شود. همچنین دربرابر فرسایش در هوای خشک تا حدی مقاوم بوده، از خاصیت انعطاف‌پذیری خوبی برخوردار است. تولیم به صورت طبیعی کلاً" از ایزوتوپ پایدار Tm-169 ساخته می‌شود

تولیم، عنصر شیمیایی با نماد Tm و عدد اتمی ۶۹ است. این (سوم آخرین) عنصر سیزدهم و انتپنولتیماته در گروه لانتانیدها قرار دارد. مانند سایر لانتانیدها، شایع‌ترین حالت اکسیداسیون است ۳، در اکسید، هالیدهای و سایر ترکیبات آن دیده می‌شود. در محلول آبی، مانند ترکیبات دیگر اواخر لانتانیدها، تولیم محلول ترکیبات مجتمع فرم با نه مولکول‌های آب.

در سال ۱۸۷۹، شیمیدان سوئدی آن‌ها Per Theodor Cleve در اربیم خاکی کمیاب از هم جدا یکی دیگر از دو جزء ناشناخته، که او به نام هولمیم و تولیم: این ترتیب اکسیدهای هولمیم و تولیم بود. نمونه نسبتاً خالص از فلز تولیم برای اولین بار در سال ۱۹۱۱ به دست آمد.

تولیم دوم حداقل فراوانی در لانتانیدها پس پرومتیوم، که تنها در مقادیر بسیار ناچیز بر روی زمین یافت می‌شود. این فلز به راحتی قابل اعمال با درخشش نقرهای رنگی است. آن نسبتاً نرم است و به آرامی در هوا کدر. با وجود قیمت بالا و نادر بودن آن، تولیم به عنوان منبع تشعشع در دستگاه‌های قابل حمل اشعه ایکس و در لیزرهای حالت جامد استفاده می‌شود. این نقش قابل توجهی بیولوژیکی ندارد و به ویژه سمی نیست.

خواص[ویرایش]

مشخصات فیزیکی[ویرایش]

تولیم خالص دارای روشن، درخشش نقرهای، که کدر در مجاورت با هوا. این فلز می‌توان با چاقو بریده آن را به عنوان سختی موس از ۲ تا ۳؛ چکش خوار و انعطاف‌پذیر است. تولیم فرومغناطیس زیر 32K، پادفرومغناطش بین ۳۲ و 56 K، و پارامغناطیس بالای 56 K می‌باشد. تولیم دارای دو شکل مختلف عمده: تتراگونال α-TM و با ثبات تر شش ضلعی β-TM.

خواص شیمیایی[ویرایش]

تولیم کدر به آرامی در هوا و سوختگی به آسانی در ۱۵۰ درجه سانتی گراد به شکل تولیم (III) اکسید:

4 Tm + 3 O2 → 2 Tm2O3

تولیم کاملاً الکترون است و واکنش نشان می‌دهد به آرامی با آب سرد و کاملاً به سرعت با آب داغ به فرم هیدروکسید تولیم:

2 Tm (s) + 6 H2O (l) → 2 Tm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

تولیم با تمام هالوژنها واکنش نشان داده. واکنش آهسته در دمای اتاق هستند، اما شدید بیش از ۲۰۰ درجه عبارتند از:

2 TM (بازدید کنندگان) + 3 F2 (G) → 2 TmF3 (بازدید کنندگان) (سفید)

2 TM (بازدید کنندگان) + Cl2 است ۳ (گرم) → 2 AlCl3 (بازدید کنندگان) (زرد)

2 TM (بازدید کنندگان) + 3 BR2 (G) → 2 TM BR3 (بازدید کنندگان) (سفید)

2 TM (بازدید کنندگان) + 3 I2 (G) → 2 TmI3 (بازدید کنندگان) (زرد)

تولیم حل آسانی در رقیق اسید سولفوریک به شکل محلول‌های حاوی سبز از Tm رنگ پریده (III) یون، که به عنوان [TM (OH 2) 9] 3+ مجتمع وجود دارد:

2 Tm (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Tm3+ (aq) + 3 SO2−

4 (aq) + 3 H2 (g)

تولیم با فلزهای مختلف و عناصر غیر فلزی تشکیل طیف وسیعی از ترکیبات دوتایی، از جمله TMN, TMS, TmC2، Tm2C3، TmH2، TmH3، TmSi2، TmGe3، TmB4، TmB6 و TmB12 واکنش نشان می‌دهد. در این ترکیبات، تولیم نمایشگاه ایالات ظرفیت ۲ و ۳، با این حال، ۳ حالت شایع‌ترین است و تنها این دولت در راه حل تولیم مشاهده شده‌است. تولیم به عنوان یک یون TM3 + در محلول وجود دارد. در این حالت، یون تولیم توسط نه مولکول آب احاطه شده‌است. یون TM3 + نمایشگاه لومینسانس آبی روشن است.

تولیم اکسید شناخته شده تنها Tm2O3 است. این اکسید است که گاهی اوقات "thulia" نامیده می‌شود. تولیم (II) ترکیبات ارغوانی مایل به قرمز را می‌توان با کاهش تولیم (III) ترکیبات ساخته شده‌است. نمونه‌هایی از تولیم (II) ترکیبات عبارتند از هالیدها (به جز فلوراید). بعضی از ترکیبات تولیم هیدراته، مانند TM3 · 7H2O و TM2 (C2O4) 3 · 6H2O سبز یا مایل به سبز سفید می‌باشد. کلرید تولیم واکنش نشان می‌دهد بسیار با شور و نشاط با آب. این نتایج واکنش در گاز هیدروژن و TM (OH) 3 برگزاری نمایشگاه رنگ مایل به قرمز محو شدن است. ترکیبی از تولیم و کالکوژن نتایج در کالکوژنها تولیم. تولیم با کلرید هیدروژن واکنش نشان می‌دهد برای تولید گاز هیدروژن و کلرید تولیم. با نیتریک اسید بازده نیترات تولیم، یا TM (NO3) 3.

ایزوتوپ‌ها[ویرایش]

ایزوتوپ‌های وسیعی تولیم از 145Tm به 179Tm. حالت فروپاشی اولیه قبل از فراوان‌ترین ایزوتوپ پایدار، 169Tm، جذب الکترون و حالت اولیه بعد از بتا می‌باشد. محصول فروپاشی اولیه قبل از 169Tm عنصر ۶۸ (اربیم) ایزوتوپها و محصولات اولیه پس از آن ایزوتوپهای عنصر ۷۰ (ایتربیم) هستند. تولیم-169 thuliums ایزوتوپ طولانی‌ترین عمر و فراوان است. این تنها ایزوتوپ تولیم است که تصور می‌شود پایدار است، با وجود آن پیش‌بینی شده‌است، دچار تجزیه آلفا به هولمیم-۱۶۵ با نیمه عمر بسیار طولانی. پس از تولیم-۱۶۹، ایزوتوپهای بعدی طولانی‌ترین عمر می‌تولیم-۱۷۱، که دارای نیمه عمر ۱٫۹۲ سال و تولیم-۱۷۰، که دارای نیمه عمر ۱۲۸٫۶ روز است.‌ترین ایزوتوپهای دیگر آن نیمه عمر چند دقیقه یا کمتر. سی و پنج ایزوتوپ و ۲۶ ایزومر هستهای تولیم تشخیص داده شده‌است. ایزوتوپها تولیم سبک‌تر از ۱۶۹ اتمی فروپاشی واحد جرم از طریق جذب الکترون یا بتا به علاوه پوسیدگی، هر چند برخی از نمایشگاه قابل توجهی فروپاشی آلفا یا پروتون انتشار. ایزوتوپهای سنگین تر، دچار تجزیه بتا منفی است.

تاریخ[ویرایش]

تولیم شیمیدان سوئدی آن‌ها Per Theodor Cleve در سال ۱۸۷۹ جستجو برای ناخالصیهای موجود در اکسیدهای سایر عناصر خاکی کمیاب کشف شد (این همان روشی کارل گوستاف موساندر پیش از آن برای کشف برخی از عناصر خاکی کمیاب دیگر).Cleve کار را با از بین بردن تمامی ناخالصیهای شناخته شده سعودی (Er2O3). با فرآیندهای دیگری او به دست آمده دو ماده جدید یکی قهوه‌ای و سبز. ماده قهوه‌ای اکسید هولمیم بود و هولمیم توسط Cleve نامگذاری شد، و ماده سبز اکسید یک عنصر ناشناخته بود.Cleve کار به نام تولیم اکسید و عنصر آن، تولیم پس از Thule که نام مکان یونان باستان در ارتباط با کشورهای اسکاندیناوی یا ایسلند. تولیم نماد اتمی یک بار توو بود، اما این به TM تغییر یافت.

تولیم بسیار نادر که هیچ‌کدام از اوایل کارگران اندازه کافی از آن برای پاک کردن به اندازه کافی به واقع رنگ سبز را ببینید بود. آن‌ها تا به حال به محتوای با دستگاه اسپکترومتر مشاهده تقویت دو باند جذب مشخصه، به عنوان اربیم به تدریج برداشته شد. اولین محقق برای به دست آوردن تولیم تقریباً خالص چارلز جیمز، یک مهاجر انگلیسی کار بر روی یک مقیاس بزرگ در کالج نیوهمپشایر در دورهام بود. در سال ۱۹۱۱ او گزارش نتایج خود را، پس از روش کشف خود را از تبلور جزء به جزء برومات مورد استفاده برای انجام تصفیه. او معروف مورد نیاز ۱۵٬۰۰۰ عملیات تصفیه برای ایجاد که ماده همگن بود.

با درجه خلوص بالا اکسید تولیم برای اولین بار به صورت تجاری در اواخر 1950s ارائه شده بود، به عنوان یک نتیجه از تصویب فن آوری جدایی تبادل یونی. لیندسی بخش شیمیایی از آمریکا پتاس و مواد شیمیایی شرکت آن را در نمرات از ۹۹٪ و ۹۹٫۹٪ خلوص ارائه شده‌است. قیمت هر کیلوگرم بین ایالات متحده $ ۴۶۰۰ و $ ۱۳٬۳۰۰ در دوره ۱۹۵۹–۱۹۹۸ برای خلوص ۹۹٫۹٪ در نوسان است، و آن دومین برای لانتانیدها پشت لوتیتم بود.

وقوع[ویرایش]

این عنصر هرگز در طبیعت به شکل خالص یافت می‌شود، اما آن را در مقادیر کوچک در مواد معدنی با سایر عناصر خاکی کمیاب یافت می‌شود. تولیم است که اغلب با مواد معدنی حاوی ایتریم و گادولینیوم پیدا شده‌است. به‌طور خاص، تولیم در گادولینیت معدنی در رخ می‌دهد. با این حال، تولیم نیز در مواد معدنی مونازیت، زنوتایم، و euxenite رخ می‌دهد. فراوانی آن در پوسته زمین دوز mg / kg 0.5 وزن و ۵۰ قسمت در میلیارد مول است. تولیم باعث می‌شود تا حدود ۰٫۵ در میلیون از خاک، اگر چه این مقدار می‌تواند ۰٫۴–۰٫۸ قسمت در میلیون متغیر است. تولیم باعث می‌شود تا ۲۵۰ قسمت در بیلیون از آب دریا. تولیم در مونازیت معدن یافت

در منظومه شمسی، تولیم در غلظت ۲۰۰ قسمت در تریلیون وزن و ۱ قسمت در تریلیون مول وجود دارد. سنگ تولیم اغلب در چین رخ می‌دهد. با این حال، استرالیا، برزیل، گرینلند، هند، تانزانیا، و ایالات متحده نیز ذخایر بزرگ تولیم دارند. کل ذخایر تولیم حدود ۱۰۰٬۰۰۰ تن می‌باشد. تولیم حداقل لانتانیدها فراوان بر روی زمین به جز برای پرومتیوم است.

تولید[ویرایش]

تولیم عمدتاً از سنگ معدن مونازیت (~ ۰٫۰۰۷٪ تولیم) موجود در رودخانه ماسه، از طریق تبادل یونی استخراج شده‌است. تکنیک‌های جدیدتر تبادل یونی و حلال استخراج، موجب جداسازی آسان‌تر عناصر خاکی کمیاب شده که هزینه بسیار پایین‌تر برای تولید تولیم. منابع اصلی امروز رس جذب یون از جنوب چین می‌باشد. در این، که در آن حدود دو سوم از کل محتوای خاکی کمیاب ایتریم است تولیم حدود ۰٫۵٪ (یا در مورد با لوتیتم برای نادر بودن گره خورده است) است. این فلز می‌تواند از طریق کاهش اکسید آن با فلز لانتانیم یا به وسیلهٔ کاهش کلسیم در ظروف در بسته جدا شده‌است. هیچ‌یک از ترکیبات طبیعی تولیم تجاری مهم نیستند. حدود ۵۰ تن در سال از اکسید تولیم تولید می‌شوند. [۳] در سال ۱۹۹۶، اکسید تولیم ایالات متحده هزینه ۲۰ $ در هر گرم، و در سال ۲۰۰۵، ۹۹ درصد پودر -pure تولیم ایالات متحده هزینه ۷۰ $ در هر گرم است.

برنامه‌های کاربردی[ویرایش]

با وجود نادر و گران‌قیمت بودن، تولیم دارای چند برنامه‌های کاربردی است.

لیزر[ویرایش]

هولمیم کروم تولیم سه دوپ گارنت ایتریوم آلومینیومی (هو: کروم: TM: YAG، یا هو، کروم، TM: YAG) مواد محیط فعال لیزر با بازده بالا است. آن را در ۲۰۹۷ نانومتر از دست می‌دهد و به‌طور گسترده در کاربردهای نظامی، پزشکی، و هواشناسی استفاده می‌شود. تک عنصری تولیم دوپ YAG (TM: YAG) لیزر بین سال‌های ۱۹۳۰ تا ۲۰۴۰ نانومتر به کار گیرند. طول موج لیزر مبتنی بر تولیم برای تخریب سطحی از بافت، با عمق انعقاد حداقل در هوا یا در آب بسیار مؤثر است. این باعث می‌شود لیزر تولیم جذاب برای جراحی مبتنی بر لیزر.

منبع اشعه ایکس[ویرایش]

با وجود هزینه‌های بالای آن، دستگاه‌های قابل حمل اشعه ایکس استفاده تولیم است که در یک راکتور هسته‌ای به عنوان یک منبع تشعشع بمباران شده‌است. این منابع دارای عمر مفید حدود یک سال، به عنوان ابزار در تشخیص پزشکی و دندان پزشکی، و همچنین برای تشخیص نقص در قطعات مکانیکی و الکترونیکی غیرقابل دسترس. تنها یک فنجان کوچک سرب - منابع انجام حفاظت در برابر تشعشع گسترده نیاز ندارد.

تولیم-۱۷۰ در حال کسب محبوبیت به عنوان یک منبع اشعه ایکس برای درمان سرطان از طریق براکی تراپی. این ایزوتوپ نیمه عمر ۱۲۸٫۶ روز و پنج خط اصلی تصاعد شدت قابل مقایسه (در ۷٫۴، ۵۱٫۳۵۴، ۵۲٫۳۸۹، ۵۹٫۴ و ۸۴٫۲۵۳ کو). تولیم-۱۷۰ یکی از چهار ایزوتوپ رادیو اکتیو محبوب‌ترین برای استفاده در رادیوگرافی صنعتی است.

دیگران[ویرایش]

تولیم شده‌است در ابررساناهای دمای بالا به‌طور مشابه به ایتریم استفاده می‌شود. تولیم بالقوه در فریت مواد مغناطیسی سرامیکی است که در تجهیزات مایکروویو استفاده می‌شود استفاده کنید. تولیم نیز شبیه به اسکاندیم در آن است که در روشنایی قوس برای طیف غیرمعمول خود را استفاده می‌شود، در این مورد، خطوط انتشار سبز آن، که توسط عناصر دیگر نمی‌شود. از آنجا که تولیم fluoresces با رنگ آبی زمان رأی نظارت تصویری از اشعه استفاده می‌شود.

نقش بیولوژیکی و اقدامات احتیاطی[ویرایش]

تنها مقدار بسیار کمی از تولیم در بدن انسان وجود دارد، اما مقدار دقیق آن ناشناخته است. تولیم مشاهده نشده‌است به نقش بیولوژیکی داشته باشد، اما مقدار کمی از نمک تولیم محلول تحریک سوخت و ساز بدن. نمک تولیم محلول هستند خفیف سمی، اما نمکهای تولیم غیرقابل حل هستند به‌طور کامل غیر سمی است. تولیم سوخت و ساز بدن در صورت تزریق، تولیم می‌توانید انحطاط کبد و طحال منجر شده و می‌تواند باعث غلظت هموگلوبین در نوسان باشد. آسیب کبدی از تولیم در موش سوری نر از موش‌های ماده بیشتر شایع است. با وجود این، تولیم دارای میزان پایین سمی بودن. در انسان، تولیم در بالاترین مقدار در کبد، کلیه و استخوان رخ می‌دهد. انسان به‌طور معمول چند میکروگرم تولیم در سال مصرف می‌کند. ریشه‌های گیاهان ندارند تا تولیم، و وزن خشک سبزیجات معمولاً شامل یک قسمت در میلیارد تولیم. گرد و غبار تولیم و پودر بر استنشاق یا بلع سمی هستند و می‌توانید انفجار شود. ایزوتوپ رادیواکتیو تالیوم می‌تواند مسمومیت تابش شود.

منابع[ویرایش]

  • ویکی‌پدیای انگلیسی

Thulium,  69Tm
Thulium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg
Thulium
Pronunciation/ˈθjliəm/ (THEW-lee-əm)
Appearancesilvery gray
Standard atomic weight Ar, std(Tm)168.934218(6)[1]
Thulium in the periodic table
Hydrogen Helium
Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon
Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon
Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon
Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson


Tm

Md
erbiumthuliumytterbium
Atomic number (Z)69
Groupgroup n/a
Periodperiod 6
Blockf-block
Element category  Lanthanide
Electron configuration[Xe] 4f13 6s2
Electrons per shell
2, 8, 18, 31, 8, 2
Physical properties
Phase at STPsolid
Melting point1818 K ​(1545 °C, ​2813 °F)
Boiling point2223 K ​(1950 °C, ​3542 °F)
Density (near r.t.)9.32 g/cm3
when liquid (at m.p.)8.56 g/cm3
Heat of fusion16.84 kJ/mol
Heat of vaporization191 kJ/mol
Molar heat capacity27.03 J/(mol·K)
Vapor pressure
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T (K) 1117 1235 1381 1570 (1821) (2217)
Atomic properties
Oxidation states+2, +3 (a basic oxide)
ElectronegativityPauling scale: 1.25
Ionization energies
  • 1st: 596.7 kJ/mol
  • 2nd: 1160 kJ/mol
  • 3rd: 2285 kJ/mol
Atomic radiusempirical: 176 pm
Covalent radius190±10 pm
Color lines in a spectral range
Spectral lines of thulium
Other properties
Natural occurrenceprimordial
Crystal structurehexagonal close-packed (hcp)
Hexagonal close packed crystal structure for thulium
Thermal expansionpoly: 13.3 µm/(m·K) (at r.t.)
Thermal conductivity16.9 W/(m·K)
Electrical resistivitypoly: 676 nΩ·m (at r.t.)
Magnetic orderingparamagnetic (at 300 K)
Magnetic susceptibility+25,500·10−6 cm3/mol (291 K)[2]
Young's modulus74.0 GPa
Shear modulus30.5 GPa
Bulk modulus44.5 GPa
Poisson ratio0.213
Vickers hardness470–650 MPa
Brinell hardness470–900 MPa
CAS Number7440-30-4
History
Namingafter Thule, a mythical region in Scandinavia
Discovery and first isolationPer Teodor Cleve (1879)
Main isotopes of thulium
Iso­tope Abun­dance Half-life (t1/2) Decay mode Pro­duct
167Tm syn 9.25 d ε 167Er
168Tm syn 93.1 d ε 168Er
169Tm 100% stable
170Tm syn 128.6 d β 170Yb
171Tm syn 1.92 y β 171Yb
| references

Thulium is a chemical element with the symbol Tm and atomic number 69. It is the thirteenth and third-last element in the lanthanide series. Like the other lanthanides, the most common oxidation state is +3, seen in its oxide, halides and other compounds; because it occurs so late in the series, however, the +2 oxidation state is also stabilized by the nearly full 4f shell that results. In aqueous solution, like compounds of other late lanthanides, soluble thulium compounds form coordination complexes with nine water molecules.

In 1879, the Swedish chemist Per Teodor Cleve separated from the rare earth oxide erbia another two previously unknown components, which he called holmia and thulia; these were the oxides of holmium and thulium, respectively. A relatively pure sample of thulium metal was first obtained in 1911.

Thulium is the second-least abundant of the lanthanides, after radioactively unstable promethium which is only found in trace quantities on Earth. It is an easily workable metal with a bright silvery-gray luster. It is fairly soft and slowly tarnishes in air. Despite its high price and rarity, thulium is used as the radiation source in portable X-ray devices, and in some solid-state lasers. It has no significant biological role and is not particularly toxic.

Properties

Physical properties

Pure thulium metal has a bright, silvery luster, which tarnishes on exposure to air. The metal can be cut with a knife,[3] as it has a Mohs hardness of 2 to 3; it is malleable and ductile.[4] Thulium is ferromagnetic below 32 K, antiferromagnetic between 32 and 56 K, and paramagnetic above 56 K.[5]

Thulium has two major allotropes: the tetragonal α-Tm and the more stable hexagonal β-Tm.[4]

Chemical properties

Thulium tarnishes slowly in air and burns readily at 150 °C to form thulium(III) oxide:

4 Tm + 3 O2 → 2 Tm2O3

Thulium is quite electropositive and reacts slowly with cold water and quite quickly with hot water to form thulium hydroxide:

2 Tm (s) + 6 H2O (l) → 2 Tm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Thulium reacts with all the halogens. Reactions are slow at room temperature, but are vigorous above 200 °C:

2 Tm (s) + 3 F2 (g) → 2 TmF3 (s) (white)
2 Tm (s) + 3 Cl2 (g) → 2 TmCl3 (s) (yellow)
2 Tm (s) + 3 Br2 (g) → 2 TmBr3 (s) (white)
2 Tm (s) + 3 I2 (g) → 2 TmI3 (s) (yellow)

Thulium dissolves readily in dilute sulfuric acid to form solutions containing the pale green Tm(III) ions, which exist as [Tm(OH2)9]3+ complexes:[6]

2 Tm (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Tm3+ (aq) + 3 SO2−
4
(aq) + 3 H2 (g)

Thulium reacts with various metallic and non-metallic elements forming a range of binary compounds, including TmN, TmS, TmC2, Tm2C3, TmH2, TmH3, TmSi2, TmGe3, TmB4, TmB6 and TmB12.[citation needed] In those compounds, thulium exhibits valence states +2 and +3, however, the +3 state is most common and only this state has been observed in thulium solutions.[7] Thulium exists as a Tm3+ ion in solution. In this state, the thulium ion is surrounded by nine molecules of water.[3] Tm3+ ions exhibit a bright blue luminescence.[3]

Thulium's only known oxide is Tm2O3. This oxide is sometimes called "thulia".[8] Reddish-purple thulium(II) compounds can be made by the reduction of thulium(III) compounds. Examples of thulium(II) compounds include the halides (except the fluoride). Some hydrated thulium compounds, such as TmCl3·7H2O and Tm2(C2O4)3·6H2O are green or greenish-white.[9] Thulium dichloride reacts very vigorously with water. This reaction results in hydrogen gas and Tm(OH)3 exhibiting a fading reddish color.[citation needed] Combination of thulium and chalcogens results in thulium chalcogenides.[10]

Thulium reacts with hydrogen chloride to produce hydrogen gas and thulium chloride. With nitric acid it yields thulium nitrate, or Tm(NO3)3.[11]

Isotopes

The isotopes of thulium range from 145Tm to 179Tm. The primary decay mode before the most abundant stable isotope, 169Tm, is electron capture, and the primary mode after is beta emission. The primary decay products before 169Tm are element 68 (erbium) isotopes, and the primary products after are element 70 (ytterbium) isotopes.[12]

Thulium-169 is thulium's longest-lived and most abundant isotope. It is the only isotope of thulium that is thought to be stable, although it is predicted to undergo alpha decay to holmium-165 with a very long half-life.[3] After thulium-169, the next-longest-lived isotopes are thulium-171, which has a half-life of 1.92 years, and thulium-170, which has a half-life of 128.6 days. Most other isotopes have half-lives of a few minutes or less.[13] Thirty-five isotopes and 26 nuclear isomers of thulium have been detected.[3] Most isotopes of thulium lighter than 169 atomic mass units decay via electron capture or beta-plus decay, although some exhibit significant alpha decay or proton emission. Heavier isotopes undergo beta-minus decay.[13]

History

Thulium was discovered by Swedish chemist Per Teodor Cleve in 1879 by looking for impurities in the oxides of other rare earth elements (this was the same method Carl Gustaf Mosander earlier used to discover some other rare earth elements).[14] Cleve started by removing all of the known contaminants of erbia (Er2O3). Upon additional processing, he obtained two new substances; one brown and one green. The brown substance was the oxide of the element holmium and was named holmia by Cleve, and the green substance was the oxide of an unknown element. Cleve named the oxide thulia and its element thulium after Thule, an Ancient Greek place name associated with Scandinavia or Iceland. Thulium's atomic symbol was once Tu, but this was changed to Tm.[3][15]

Thulium was so rare that none of the early workers had enough of it to purify sufficiently to actually see the green color; they had to be content with spectroscopically observing the strengthening of the two characteristic absorption bands, as erbium was progressively removed. The first researcher to obtain nearly pure thulium was Charles James, a British expatriate working on a large scale at New Hampshire College in Durham. In 1911 he reported his results, having used his discovered method of bromate fractional crystallization to do the purification. He famously needed 15,000 purification operations to establish that the material was homogeneous.[16]

High-purity thulium oxide was first offered commercially in the late 1950s, as a result of the adoption of ion-exchange separation technology. Lindsay Chemical Division of American Potash & Chemical Corporation offered it in grades of 99% and 99.9% purity. The price per kilogram has oscillated between US$4,600 and $13,300 in the period from 1959 to 1998 for 99.9% purity, and it was second highest for lanthanides behind lutetium.[17][18]

Occurrence

Thulium is found in the mineral monazite

The element is never found in nature in pure form, but it is found in small quantities in minerals with other rare earths. Thulium is often found with minerals containing yttrium and gadolinium. In particular, thulium occurs in the mineral gadolinite.[19] However, thulium also occurs in the minerals monazite, xenotime, and euxenite. Thulium has not been found in prevalence over the other rare earths in any mineral yet.[20] Its abundance in the Earth's crust is 0.5 mg/kg by weight and 50 parts per billion by moles. Thulium makes up approximately 0.5 parts per million of soil, although this value can range from 0.4 to 0.8 parts per million. Thulium makes up 250 parts per quadrillion of seawater.[3] In the solar system, thulium exists in concentrations of 200 parts per trillion by weight and 1 part per trillion by moles.[11] Thulium ore occurs most commonly in China. However, Australia, Brazil, Greenland, India, Tanzania, and the United States also have large reserves of thulium. Total reserves of thulium are approximately 100,000 tonnes. Thulium is the least abundant lanthanide on earth except for promethium.[3]

Production

Thulium is principally extracted from monazite ores (~0.007% thulium) found in river sands, through ion exchange. Newer ion-exchange and solvent-extraction techniques have led to easier separation of the rare earths, which has yielded much lower costs for thulium production. The principal sources today are the ion adsorption clays of southern China. In these, where about two-thirds of the total rare-earth content is yttrium, thulium is about 0.5% (or about tied with lutetium for rarity). The metal can be isolated through reduction of its oxide with lanthanum metal or by calcium reduction in a closed container. None of thulium's natural compounds are commercially important. Approximately 50 tonnes per year of thulium oxide are produced.[3] In 1996, thulium oxide cost US$20 per gram, and in 2005, 99%-pure thulium metal powder cost US$70 per gram.[4]

Applications

Thulium has a few applications:

Laser

Holmium-chromium-thulium triple-doped yttrium aluminum garnet (Ho:Cr:Tm:YAG, or Ho,Cr,Tm:YAG) is an active laser medium material with high efficiency. It lases at 2080 nm and is widely used in military applications, medicine, and meteorology. Single-element thulium-doped YAG (Tm:YAG) lasers operate at 2010 nm.[21] The wavelength of thulium-based lasers is very efficient for superficial ablation of tissue, with minimal coagulation depth in air or in water. This makes thulium lasers attractive for laser-based surgery.[22]

X-ray source

Despite its high cost, portable X-ray devices use thulium that has been bombarded in a nuclear reactor as a radiation source. These radioactive sources have a useful life of about one year, as tools in medical and dental diagnosis, as well as to detect defects in inaccessible mechanical and electronic components. Such sources do not need extensive radiation protection – only a small cup of lead.[23]

Thulium-170 is gaining popularity as an X-ray source for cancer treatment via brachytherapy ((sealed source radiation therapy)).[24] This isotope has a half-life of 128.6 days and five major emission lines of comparable intensity (at 7.4, 51.354, 52.389, 59.4 and 84.253 keV).[25] Thulium-170 is one of the four most popular radioisotopes for use in industrial radiography.[26]

Others

Thulium has been used in high-temperature superconductors similarly to yttrium. Thulium potentially has use in ferrites, ceramic magnetic materials that are used in microwave equipment.[23] Thulium is also similar to scandium in that it is used in arc lighting for its unusual spectrum, in this case, its green emission lines, which are not covered by other elements.[27] Because thulium fluoresces with a blue color when exposed to ultraviolet light, thulium is put into euro banknotes as a measure against counterfeiting.[28] The blue fluorescence of Tm-doped calcium sulfate has been used in personal dosimeters for visual monitoring of radiation.[3] Tm-doped halides in which Tm is in its 2+ valence state, are promising luminescent materials that can make efficient electricity generating windows based on the principle of a luminescent solar concentrator, possible.[29]

Biological role and precautions

Soluble thulium salts are mildly toxic, but insoluble thulium salts are completely nontoxic.[3] When injected, thulium can cause degeneration of the liver and spleen and can also cause hemoglobin concentration to fluctuate. Liver damage from thulium is more prevalent in male mice than female mice. Despite this, thulium has a low level of toxicity.[citation needed] In humans, thulium occurs in the highest amounts in the liver, kidneys, and bones. Humans typically consume several micrograms of thulium per year. The roots of plants do not take up thulium, and the dry weight of vegetables usually contains one part per billion of thulium.[3] Thulium dust and powder are toxic upon inhalation or ingestion and can cause explosions.

See also

References

  1. ^ Meija, Juris; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
  2. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  3. ^ a b c d e f g h i j k l Emsley, John (2001). Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. US: Oxford University Press. pp. 442–443. ISBN 0-19-850341-5.
  4. ^ a b c Hammond, C. R. (2000). "The Elements". Handbook of Chemistry and Physics (81st ed.). CRC press. ISBN 0-8493-0481-4.
  5. ^ Jackson, M. (2000). "Magnetism of Rare Earth" (PDF). The IRM Quarterly. 10 (3): 1.
  6. ^ "Chemical reactions of Thulium". Webelements. Retrieved 2009-06-06.
  7. ^ Patnaik, Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. p. 934. ISBN 0-07-049439-8.
  8. ^ Krebs, Robert E (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide. ISBN 978-0-313-33438-2.
  9. ^ Eagleson, Mary (1994). Concise Encyclopedia Chemistry. Walter de Gruyter. p. 1105. ISBN 978-3-11-011451-5.
  10. ^ Emeléus, H. J.; Sharpe, A. G. (1977). Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Academic Press. ISBN 978-0-08-057869-9.
  11. ^ a b Thulium. Chemicool.com. Retrieved on 2013-03-29.
  12. ^ Lide, David R. (1998). "Section 11, Table of the Isotopes". Handbook of Chemistry and Physics (87th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-8493-0594-2.
  13. ^ a b Sonzogni, Alejandro. "Untitled". National Nuclear Data Center. Retrieved 2013-02-20.
  14. ^ See:
    • Cleve, P. T. (1879). "Sur deux nouveaux éléments dans l'erbine" [Two new elements in the oxide of erbium]. Comptes rendus (in French). 89: 478–480. Cleve named thulium on p. 480: "Pour le radical de l'oxyde placé entre l'ytterbine et l'erbine, qui est caractérisé par la bande x dans la partie rouge du spectre, je propose la nom de thulium, dérivé de Thulé, le plus ancien nom de la Scandinavie." (For the radical of the oxide located between the oxides of ytterbium and erbium, which is characterized by the x band in the red part of the spectrum, I propose the name of "thulium", [which is] derived from Thule, the oldest name of Scandinavia.)
    • Cleve, P. T. (1879). "Sur l'erbine" [On the oxide of erbium]. Comptes rendus (in French). 89: 708–709.
    • Cleve, P. T. (1880). "Sur le thulium" [On thulium]. Comptes rendus (in French). 91: 328–329.
  15. ^ Eagleson, Mary (1994). Concise Encyclopedia Chemistry. Walter de Gruyter. p. 1061. ISBN 978-3-11-011451-5.
  16. ^ James, Charles (1911). "Thulium I". Journal of the American Chemical Society. 33 (8): 1332–1344. doi:10.1021/ja02221a007.
  17. ^ Hedrick, James B. "Rare-Earth Metals" (PDF). U.S. Geological Survey. Retrieved 2009-06-06.
  18. ^ Castor, Stephen B. & Hedrick, James B. "Rare Earth Elements" (PDF). Retrieved 2009-06-06.
  19. ^ Walker, Perrin & Tarn, William H. (2010). CRC Handbook of Metal Etchants. CRC Press. pp. 1241–. ISBN 978-1-4398-2253-1.
  20. ^ Hudson Institute of Mineralogy (1993–2018). "Mindat.org". www.mindat.org. Retrieved 14 January 2018.
  21. ^ Koechner, Walter (2006). Solid-state laser engineering. Springer. p. 49. ISBN 0-387-29094-X.
  22. ^ Duarte, Frank J. (2008). Tunable laser applications. CRC Press. p. 214. ISBN 978-1-4200-6009-6.
  23. ^ a b Gupta, C. K. & Krishnamurthy, Nagaiyar (2004). Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press. p. 32. ISBN 0-415-33340-7.
  24. ^ Krishnamurthy, Devan; Vivian Weinberg; J. Adam M. Cunha; I-Chow Hsu; Jean Pouliot (2011). "Comparison of high–dose rate prostate brachytherapy dose distributions with iridium-192, ytterbium-169, and thulium-170 sources". Brachytherapy. 10 (6): 461–465. doi:10.1016/j.brachy.2011.01.012. PMID 21397569.
  25. ^ Ayoub, Amal Hwaree et al. Development of New Tm-170 Radioactive Seeds for Brachytherapy, Department of Biomedical Engineering, Ben-Gurion University of the Negev
  26. ^ Raj, Baldev; Venkataraman, Balu (2004). Practical Radiography. ISBN 978-1-84265-188-9.
  27. ^ Gray, Theodore W. & Mann, Nick (2009). The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom In The Universe. Black Dog & Leventhal Publishers. p. 159. ISBN 978-1-57912-814-2.
  28. ^ Wardle, Brian (2009-11-06). Principles and Applications of Photochemistry. p. 75. ISBN 978-0-470-71013-5.
  29. ^ ten Kate, O.M.; Krämer, K.W.; van der Kolk, E. (2015). "Efficient luminescent solar concentrators based on self-absorption free, Tm2+ doped halides". Solar Energy Materials & Solar Cells. 140: 115–120. doi:10.1016/j.solmat.2015.04.002.

External links