Географические названия химических элементов. Биологическая роль и предостережения
Тулий — 69
Тулий (Tm)-редкоземельный элемент
, атомный номер 69, атомная масса 168,93, температура плавления 1545ОС, плотность 9,346 г/см3.
Своё название, тулий получил в честь легендарной страны «Туле», которую древние географы считали самой северной землёй, что в наше время, соответствует по географическому местоположению, Скандинавскому полуострову. Тулий был открыт в 1879 году методом спектроскопии. Тулий-один из самых, незначительно распространённых лантаноидов в природе, кроме того, его очень трудно было выделить из смеси с другими РЗМ. Понадобилось несколько лет, что бы получить двадцатипроцентный концентрат тулия, а затем, повысить содержание тулия в нём до 99%. Сейчас, применяемый хроматографический метод разделения РЗМ, значительно упростил и ускорил получение оксидов тулия и, в дальнейшем, получение чистого металла. В чистом виде, тулий был получен в 1911 году.
Тулий –один из самых тяжёлых лантаноидов, его плотность близка к плотности меди и никеля.
Тулий— серебристо-белый мягкий
Тулий— серебристо-белый мягкий , ковкий, вязкий металл, на воздухе не окисляется, при нагреве во влажном воздухе-окисляется слабо. Реагирует с минеральными кислотами, при этом получаются соли тулия. Взаимодействует с галогенами и азотом при нагревании. В природе, тулий присутствует в таких минералах как: ксенотим, эвксенит, монацит, лопарит. Содержание в земной коре –2,7х10-5% от всей массы. В природных и техногенных видах сырья, оксид тулия содержатся исключительно редко — в эвдиалите-0,3%, а в других минералах —ещё меньше. У тулия получено 32 искусственных радиоактивных изотопа с разными периодами полураспада. В естественной природе встречается только один-тулий-169.
ПОЛУЧЕНИЕ.
После обогащения природных минералов, полученные концентраты из смеси РЗМ перерабатываются, в результате чего, тулий концентрируется с тяжёлыми лантаноидами-иттербием и лютецием. Разделение и рафинирование производят экстракцией или ионообменной хроматографией с использованием комплексонов (органических веществ, образующих комплексные соединения с ионами металлов). Металлический тулий получают термическим восстановлением фторида тулия TmF3-кальцием, или оксида тулия Tm2O3-лантаном. Тулий получают, также, при нагревании нитратов, сульфатов и оксалатов тулия на воздухе до 800-900ОС.
ПРИМЕНЕНИЕ.
Несмотря на малую распространённость в природе и высокую стоимость, тулий, в наше время, начал сравнительно широко применяться в науке и промышленности.
Медицина. Изотоп тулия –тулий-170, обладающий мягким гамма-излучением, используется для создания приборов диагностики, особенно, для мест человеческого тела, труднодоступных для обычного рентгеновского аппарата. Эти радиопросвечивающие приборы с радиоактивным тулием просты и легко применимы в медицинской практике.
Лазерные материалы. Ионы тулия применяются для генерации инфракрасного лазерного излучения. Пары металлического тулия применяются для возбуждения лазерного излучения с изменяемой частотой(длиной волны). Тулий применяется для изготовления лазерных материалов, а также, для изготовления синтетических гранатов.
Магнитные носители. Металлический тулий применяется для производства феррогранатов для создания носителей информации.
Материалы термоЭДС. Монотеллурид тулия обладает высоким уровнем термоЭДС при высоком КПД термопреобразователей, однако, широкое применение тулия в качестве термоэлементов сдерживается высокой его стоимостью.
Полупроводники. Теллурид тулия применяется как модификатор для регулирования полупроводниковых свойств теллурида свинца.
Атомная энергетика. Борат тулия применяется как добавка к специальным эмалям для защиты от нейтронного излучения.
Сверхпроводники. Соединения тулия входят в состав материалов высокотемпературных сверхпроводников.
Производство стекла. Тулий входит в состав различных оксидных материалов при производстве стекла и керамики для электроннолучевых трубок.
-
Thule - так во времена Римской империи называли Скандинавию, север Европы. Тулием назван элемент, открытый Клеве в 1879 г. Сначала Клеве нашел новые спектральные линии, а затем первым выделил из гадолинита бледно-зеленую окись элемента № 69.
Распространение тулия
По данным академика А. П. Виноградова, тулий - самый редкий (если не считать прометия) из всех редкоземельных элементов. Содержание его в земной коре 8*10 -5 %. По тугоплавкости тулий второй среди лантаноидов : температура его плавления 1550-1600° С (в справочниках приводятся разные величины; дело, видимо, в неодинаковой чистоте образцов). Лишь лютецию уступает он и по температуре кипения.
Несмотря на минимальную распространенность, тулий нашел практическое применение раньше, чем многие более распространенные лантаноиды. Известно, например, что микропримеси тулия вводят в полупроводниковые материалы (в частности, в арсенид галлия) и в материалы для лазеров. Но, как это ни странно, важнее, чем природный стабильный тулий (изотоп 16STm), для нас оказался радиоактивный тулий-170.
Тулий-170 образуется в атомных реакторах при облучении нейтронами природного тулия. Этот изотоп с периодом полураспада 129 дней излучает сравнительно мягкие гамма-лучи с энергией 84 Кэв (энергия жесткого гамма- излучения измеряется не килоэлектронвольтами, а Мэвами - миллионами электронвольт).
На основе этого изотопа были созданы компактные рентгенопросвечивающие установки, имеющие массу преимуществ перед обычными рентгеновскими аппаратами. В отличие от них тулиевые аппараты не нуждаются в электропитании, они намного компактнее, легче, проще по конструкции. Миниатюрные тулиевые приборы пригодны Для рентгенодиагностики в тех тканях и органах, которые трудно, а порой и невозможно просвечивать обычными рентгеновскими аппаратами.
Гамма-лучами тулия просвечивают не только живые ткани, но и металл. Тулиевые гамма-дефектоскопы очень удобны для просвечивания тонкостенных деталей и сварных швов. При работе с образцами толщиной не больше 6 мм эти дефектоскопы наиболее чувствительны. С помощью тулия-170 были обнаружены совершенно незаметные письмена и символические знаки на бронзовой прокладке ассирийского шлема IX в. до н. э. Шлем обернули фото-пленкой и стали просвечивать изнутри мягкими гамма-лучами тулия. На проявленной пленке появились стертые временем знаки...
Кроме дефектоскопов, препараты тулия-170 используют в приборах, называемых мутнометрами. По рассеянию гамма-лучей этими приборами определяют количество взвешенных частиц в жидкости.
Для тулиевых приборов характерны компактность, надежность, быстродействие. Единственный их недостаток - сравнительно малый период полураспада тулия-170. Но тут уж, как говорится, ничего не попишешь.
Тулиевые гамма-исгочники становятся дешевле по мере увеличения их производства. Еще в 1961 г. в нашей стране выпускались тулиевые источники пяти типов, и стоили они от 5,5 до 250 рублей. А килограмм металлического стабильного тулия в то же время стоил более 25 тыс. рублей.
Новая, более совершенная технология получения лантаноидов позволила в последнее время значительно уменьшить цены на них. В 1970 г. цена тулия составляла уже 13 тыс. рублей за килограмм. Но, и став почти вдвое дешевле, он по-прежнему остается самым редким и самым дорогим из всех лантаноидов.Легко поддается обработке и имеет серебристо-белый цвет. Несмотря на его редкость и высокую цену, тулий применяется в перспективных твердотельных лазерах и в виде радиоизотопа в портативных рентгеновских аппаратах.
1. История
Туллий был открыт шведским химиком Пером Теодором Клеве в как примесь к оксидов других редкоземельных элементов (был использован метод, которому было предложено Карлом Густавом Мозандером для поиска и выделения новых редкоземельных элементов). Клеве отделил все известные примеси из эрбия - "земли" (оксида) элемента ( 2 3). После дополнительных процедур Клеве выделил две новые субстанции: одну коричневого цвета, другую зеленого. Коричневой была земля, которую Клеве предложил назвать "гольмию" и которая соответствует элементу гольмий , зеленый же землю он назвал "Туллия" и новой элемент Туле в честь Thule, латинского названия Скандинавии .
Туллий был настолько редким, что у одного из ранних исследователей не было его в достаточном количестве, чтобы иметь возможность его достаточно очистить, чтобы увидеть зеленый цвет его соединений, им приходилось радоваться хотя бы потому, что характерные спектральные линии тулия усиливались, когда из образца постепенно удаляли эрбий . Первым исследователем, получил достаточно чистую тулия (оксид тулия), был Чарльз Джеймс, из колледжа в Дареме , Нью-Гемпшир . В 1911 он сообщил о том, что фракционная кристаллизация бромата позволила ему выделить чистый материал. Он провел 15 000 "операций" кристаллизации для установки гомогенности его материала.
Оксид тулия высокой чистоту впервые стал коммерчески доступен с конца 1950-х, в результате совершенствования метода ионно-обмена технологий разделения. Подразделение Lindsay Chemical Division фирмы American Potash & Chemical Corporation предложила сорта 99% и 99,9% чистоты. Цена за килограмм колебалась между US $ 4600 и $ 13300 в период с к для препарата 99,9% чистоты, это была самая высокая цена на лантаноидов после лютеция .
2. Распространенность и производство
Этот элемент никогда не встречается в природе в свободном состоянии, однако он содержится в небольших количествах в минералах с другими редкоземельными элементами. Его содержание в земной коре составляет 0,5 мг / кг. Туллий в основном добывают из монациту (~ 0,007% тулия) - руды, содержащийся в некоторых песках, с помощью технологий ионного обмена. Новые ионно-обменные технологии и технологии экстракции с помощью органических растворителей позволили эффективно и более легко выделять тулий, сокращая расходы на его добычу. Главным источником тулия на сегодня глинистые месторождения южного Китая. В таких минералах, где иттрий составляет 2/3 от всего редкоземельного компонента руды, всего 0,5% тулия. После выделения Металл может быть выделенным путем восстановления его оксида лантаном или кальцием в закрытом реакторе при высоких температурах. По другому методу, тулий восстанавливают с фторида металлотермическим кальцием:
2TmF 3 + 3Ca = 3CaF 2 + 2Tm3. Химические свойства
Тулий медленно, а при высокой температуре активно реагирует с кислородом воздуха с образованием тулий (III) оксида:
4 Tm + 3 O 2 → 2 Tm 2 O 3
Медленно реагирует с водой, однако реакция ускоряется при нагревании с образованием гидроксида:
2 Tm + 6 H 2 O → 2 Tm (OH) 3 + 3 H 2 2 Tm + 3 F 2 → 2 TmF 3 [соль белого цвета] 2 Tm + 3 Cl 2 → 2 TmCl 3 [соль желтого цвета] 2 Tm + 3 Br 2 → 2 TmBr 3 [соль белого цвета] 2 Tm + 3 I 2 → 2 TmI 3 [соль желтого цвета]
4.2. Источники рентгеновского излучения
Несмотря на свою высокую стоимость, в портативных рентгеновских аппаратах в качестве источника излучения используются тулий, который был облученного нейтронами в ядерном реакторе. Эти источники активны в течение примерно одного года, как инструмент в мобильных медицинских и стоматологических пунктах, а также для выявления дефектов в труднодоступных механических и электронных компонентах. Такие источники не требуют серьезного радиационной защиты - достаточно небольшого покрытие из свинца.
5. Биологическая роль и предостережения
Биологических роль тулия не известна, хотя было отмечено, что он несколько стимулирует обмен веществ. Растворимые соли тулия есть немного токсичными, если их введено в организм в больших количествах, но нерастворимые соли нетоксичны. Туллий не всасывается корнями растений, и поэтому не попадает в пищевую цепь человека. Овощи обычно содержат только один миллиграмм тулия за тонну сухого веса).
Литература
- Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им.. Л.М.Литвиненка НАН Украины, Донецкий национальный университет - Донецк: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
В 1879 году шведский химик Пер Теодор Клеве выделил из "эрбии" Мариньяка еще две "земли", которые назвал гольмией и тулией (Thule - древнеримское название Скандинавии). Спектры показывали, что в составе тулии есть еще неизвестный химический элемент. Позднее Клеве сумел получить некоторые соли этого элемента, показав, что они имеют бледно-зеленый цвет. Так был открыт один из самых редких элементов, за которым закрепилось имя Тулий и символ Tm.
В 1911 году Т. У. Ричардс получил элемент в виде простого вещества и определил его атомную массу.Нахождение в природе, получение:
Тулий - рассеянный элемент, его содержание в земной коре 2,7·10 -5 % по массе. Входит в состав минералов: монацит (Ce, La …)PO 4 , бастнезит (Ce, La, Pr)CO 3 F, и других. Выделяют тулий из смеси редкоземельных элементов методами ионной хроматографии или экстракции, переводят в оксид, затем во фторид. Металлический тулий получают восстановлением TmF 3 кальцием, или Tm 2 O 3 лантаном
Физические свойства:
Это серебристо-серый металл, он ковкий, пластичный и сравнительно мягкий. Плотность 9,321 г/см 3 , t плав. = 1545°C, t кип =1950°C. Природный тулий - моноизотопный элемент (тулий-169), искусственно полученные изотопы тулия имеют короткие периоды полураспада (наиболее долгоживущий тулий-170 - 128,6 суток).
Химические свойства:
Тулий в сухом воздухе достаточно устойчив, при нагревании металлический тулий реагирует с галогенами, азотом, водородом. Устойчив к действию фтора. Реагирует с кипящей водой, образуя гидроксид Tm(OH) 3 и водород. С минеральными кислотами (кроме HF) тулий реагирует с образованием солей тулия(III).
В соединениях проявляет преимущественно степень окисления +3. Для большинства из них характерна зеленоватая окраска различных оттенков.Важнейшие соединения:
Оксид тулия(III) , Tm 2 O 3 , может быть получен осторожным обезвоживанием гидроксида Tm(ОН) 3 , разложением нитрата или оксалата тулия. Светло-зеленые кристаллы, нерастворимы в воде.
Гидроксид тулия(III) , Tm(ОН) 3 , аморфное вещество нерастворимое в воде. Может быть получено реакцией обмена из растворимых солей тулия(III). С кислотами образует соли тулия(III).
Фторид тулия(III) , TmF 3 - бесцветные кристаллы, нерастворим, получают обменными реакциями или действием газообразного HF на оксид тулия(III)
Хлорид тулия(III) , TmСl 3 - кристаллы желтого цвета, растворим, образует кристаллогидрат TmСl 3 *7H 2 O - зеленоватые кристаллы. Нагревание кристаллогидрата сопровождается гидролизом с образованием оксохлорида тулия TmOCl. Сильными восстановителями (щелочные металлы) может быть переведен в хлорид тулия(II), последний легко окисляется водой и кислородом.
Нитрат тулия (III) , Tm(NO 3) 3 , зеленоватые кристаллы, хорошо растворим в воде, образует кристаллогидрат состава Tm(NO 3) 3 5H 2 O.
Безводную соль получают действием оксида азота(IV) на оксид тулия(III) или на металлический тулий:
Tm + 2N 2 O 4 = Tm(NO 3) 3 + 3NO
Cульфат тулия(III) Tm 2 (SO 4) 3 , зеленые кристаллы. Растворяется в воде и образует кристаллогидрат состава Tm 2 (SO 4) 3 9H 2 O.Применение:
Тулий используют как активатор некоторых люминофоров и лазерных материалов, применяют при синтезе искусственных гранатов. Ограниченно применяется в производстве термоэлектрических и магнитных материалов.
Радиоактивный изотоп тулий-170 используется в качестве источника излучения в переносных рентгеновских аппаратах (мягкое гамма-излучение) и дефектоскопах. Рабочим веществом в них служит оксид тулия(III).Источники: 1. Открытие элементов и происхождение их названий. Тулий
2. Популярная библиотека химических элементов Издательство «Наука», 1977.(Thulium; от лат. назв.Скандинавии - Thule), Tm - химический элемент III группы периодической системы элементов; ат. н. 69, ат. м. 168,9342; относится к редкоземельным элементам. Металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степень окисления +3 ( >3). Известны с массовыми числами от 165 до 175. Из них практическое значение имеет изотоп 170Тm. Открыл тулий (1879) швед, химик П. Клеве.
Металлический тулий впервые получили амер. ученые Ф. Спеддинг и А. Даан. Содержание тулия в земной коре 8·10 -5 %. Основным минералами для получения тулия служат и эвксенит. Кристаллическая решетка тулий гексагональная плотно-упакованная типа магния, с периодами а = 3,5374 А и с = 5,558 А. Плотность (т-ра 25° С) 9,314 г/см3; tпл1545°С; tкип 1727°С; коэффициент термического расширения 13,3-10-6 град; теплоемкость 6,46 кал/г-атом град; электрическое сопротивление 90 мком-см; точка 22 К; работа выхода электронов 3,12 эв. Модуль норм, упругости 7710 кгс/мм2; модуль сдвига 3100 кгс/мм2; коэфф. Пуассона 0,235; НВ = 55 (металла 99,0%).
Тулий легко поддается механической обработке. Химически активен. На воздухе сильно окисляется. Образует и соединения со мн. элементами. Тулий получают металлотермическим восстановлением окислов лантаном при т-ре 1000- 1500° С. Для получения чистого металла тулий дистиллируют. Тулий выпускают в виде небольших слитков. Изотоп 170Тm находит применение в портативных рентгенопросвечивающих аппаратах.
Лит.: Герасимовский В. И. Геохимия редкоземельных элементов. В кн.: Редкоземельные элементы (Получение, анализ, применение).
Статья на тему Тулий химический элемент
Дефектоскопия. Радиоактивный изотоп, тулий-170, применяется для дефектоскопии лёгких цветных металлов и их сплавов, а также тонких стальных пластин толщиной до 2 мм. Алюминиевые изделия толщиной до 70 мм легко просвечиваются изотопом тулия-170, что позволяет найти в них мельчайшие дефекты. При этом применяется фотоэлектрическое устройство, использующее гамма-излучение тулия и дающее сверхконтрастное изображение объекта обследования. Готовят тулий-170, облучая нейтронами окись тулия, которая помещается в ампулу из алюминия и впоследствии используется вместе с ней.