Тулий — химический элемент, принадлежащий к лантаноидному ряду редкоземельных металлов . Это 13-й элемент и предпоследний в серии. Элемент имеет атомный номер 69 и известен под символом Tm. Тулий имеет переменные степени окисления, но наиболее распространенная степень окисления - +3, что аналогично степени окисления других лантаноидов. Степень окисления +3 чаще всего встречается в его оксидах, галогенидах и других соединениях. Исследования также показали, что степень окисления +2 также может быть стабильной.
Кроме того, растворимые соединения тулия образуют координационные комплексы с девятью молекулами воды. Как и другие лантаноиды, тулий также имеет свое уникальное применение. Тулий в основном используется в производстве добавок, используемых для изготовления неодимовых сплавов железа и бора, гигантских магнитострикционных материалов, магнитооптических накопительных материалов и литья сплавов цветных металлов. Таллий довольно редок и не играет существенной биологической роли. И при этом он не особенно токсичен.
Открытие редкоземельного элемента тулия
Тулий в основном встречается в силикате иттрия, фосфате иттрия и редкой руде черного золота. В отличие от некоторых других лантаноидов тулий довольно редок и дорог. В 1879 году шведский химик Пер Теодор Клев выделил два ранее неизвестных материала из оксида редкоземельного элемента эрбия. Он назвал эти компоненты гольмией и тулией. Им оказались оксиды гольмия и тулия соответственно. Пер Теодор Клев смог отделить тулий, ища примеси в оксидах других редкоземельных элементов - метод, ранее использованный шведским химиком Карлом Густавом Мосандером при открытии других редкоземельных элементов, таких как иттрий и тербий.
В 1911 году относительно чистый образец металлического тулия получил Чарльз Джеймс, британский эмигрант, проводивший в то время исследования в Нью-Гемпширском колледже в Дареме, США. Он использовал фракционную кристаллизацию бромата для очистки тулия. Лишь в конце 1950-х годов оксид тулия высокой чистоты был впервые коммерчески предложен благодаря огромному успеху недавно принятой технологии ионообменного разделения.
Появление редкоземельного элемента тулия
Тулий является вторым по распространенности лантаноидом после радиоактивно нестабильного прометия, который встречается в земной коре лишь в небольших количествах. Металл ковкий, характеризуется ярким серебристо-серым блеском. Он довольно мягкий и медленно тускнеет на воздухе. Несмотря на высокую цену и редкость, тулий используется в качестве источника излучения в портативных рентгеновских устройствах и в некоторых твердотельных лазерах.
Тулий никогда не встречался в чистом виде в природе. Вместо этого он содержится в небольших количествах в минералах с другими редкоземельными элементами. Элемент чаще всего встречается в минералах, содержащих иттрий и гадолиний . В частности, тулий встречается в минерале гадолините, хотя он также встречается в минералах монаците, ксенотиме и эвксените, подобно некоторым другим лантанидам. Наиболее распространен в Китае. Однако большие запасы этого элемента также имеются в Австралии, Бразилии, Гренландии, Индии, Танзании и США, при этом общие запасы тулия на Земле достигают примерно 100 000 тонн. В промышленных масштабах тулий получают в основном из монацитовых руд, залегающих в речных песках, но с использованием метода ионообменного разделения.
Изотопы редкоземельного элемента тулия
Тулий имеет несколько изотопов от 145Tm до 179Tm. Обнаружено 35 изотопов и 26 ядерных изомеров тулия. Наиболее распространенным стабильным изотопом является 169Tm, причем основным режимом распада до захвата электронов, а основным режимом после него является бета-излучение.
Тулий-169 — единственный первичный и стабильный изотоп тулия. Предполагается, что изотоп подвергнется альфа-распаду до гольмия-165 с очень длительным периодом полураспада. Радиоактивными изотопами с самым длинным сроком жизни являются тулий-171 (период полураспада 1,92 года) и тулий-170 (период полураспада 128,6 дней). У большинства других период полураспада составляет несколько минут или меньше.
Свойства редкоземельного элемента тулия
- Элемент имеет серебристо-белый цвет.
- Он податливый и пластичный, мягкий, его можно резать ножом.
- Тулий имеет твердость по шкале Мооса от 2 до 3.
- Он проявляет ферромагнитные свойства при температуре ниже -402,07 ° F; он антиферромагнитен при температуре от -402,07 до -358,9 ° F и парамагнитен при температуре выше -358,9 ° F.
- Существует два основных аллотропа тулия: тетрагональный α-Tm и более стабильный гексагональный β-Tm.
- Металл весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой и быстро с горячей водой, образуя гидроксид тулия.
- Он медленно тускнеет на воздухе и легко сгорает при температуре 150 ° C с образованием оксида тулия (III).
- Тулий медленно реагирует с галогенами при комнатной температуре, но энергично при температуре выше 200 °C.
- Он также соединяется с различными металлическими и неметаллическими элементами, образуя ряд бинарных соединений, таких как TmN, TmS, TmC2, Tm2C3, TmH2, TmH3, TmSi2 и т. д.
Использование редкоземельного элемента тулия
Тулий имеет меньше коммерческих применений по сравнению с другими редкоземельными элементами. Это важно из-за его редкости и высокой стоимости.
- Тулий используется в портативных рентгеновских устройствах, где он широко используется в качестве источника излучения в ядерных реакциях.
- Мишени для распыления тулия и материалы для испарения тулия используются в процессах осаждения, включая осаждение полупроводников, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и физическое осаждение из паровой фазы (PVD).
- Тулий, как и иттрий, также использовался в высокотемпературных сверхпроводниках.
- В сочетании с гольмием и хромом в виде тройного легированного иттрий-алюминиевого граната гольмий-хром-тулий его можно использовать в качестве активного материала лазерной среды с высокой эффективностью.
- Из-за своей флуоресценции синим цветом под воздействием ультрафиолета тулий добавляют в банкноты евро в качестве меры против подделки.
Тулий имеет потенциальное применение в ферритах и керамических магнитных материалах, используемых в микроволновом оборудовании.
Заключение
Тулий — редкоземельный металл, принадлежащий к ряду лантаноидов, серебристо-серого цвета, встречающийся в земной коре. Он имеет атомный номер 69 и обозначается символом Tm.