Túlium

Gőznyomás
69	erbium ← túlium → itterbium
Általános
Név, vegyjel, rendszám	túlium, Tm, 69
Latin megnevezés	thulium
Elemi sorozat	lantanoidák
Csoport, periódus, mező	?, 6, f
Megjelenés	ezüstszürke;
Atomtömeg	168,93421(2) g/mol
Elektronszerkezet	[Xe] 4f13 6s2
Elektronok héjanként	2, 8, 18, 31, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	9,32 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	8,56 g/cm³
Olvadáspont	1818 K; (1545 °C, 2813 °F)
Forráspont	2223 K; (1950 °C, 3542 °F)
Olvadáshő	16,84 kJ/mol
Párolgáshő	247 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 27,03 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	hexagonális
Oxidációs szám	3; (bázikus oxid)
Elektronegativitás	1,25 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 596,7 kJ/mol
	2.: 1160 kJ/mol
	3.: 2285 kJ/mol
Atomsugár	175 pm
Atomsugár (számított)	222 pm
Egyebek
Mágnesség	nincs adat
Elektromos ellenállás	(szh.) (poly) 676 nΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 16,9W/(m·K)
Hőtágulási tényező	(szobahőmérséklet) (poly); 13,3 µm/(m·K)
Young-modulus	74,0 GPa
Nyírási modulus	30,5 GPa
Kompressziós modulus	44,5 GPa
Poisson-tényező	0,213
Vickers-keménység	520 MPa
Brinell-keménység	471 HB
CAS-szám	7440-30-4
Fontosabb izotópok
Hivatkozások

Ez a szócikk a túliumról szól. Hasonló címmel lásd még: tórium.

A túlium kémiai elem az elemek periódusos rendszerében. Vegyjele Tm, rendszáma 69. Moláris tömege 168,93 g/mol. A lantanoidák közé tartozik. A túlium a lantanoidák közül a legritkábban előforduló elem (a prométium gyakorisága kisebb, de ez az elem nem található meg a természetben). Könnyen megmunkálható, élénk ezüstszürkén csillogó fém. Ritkasága és magas ára ellenére hordozható röntgeneszközökben és szilárdtest lézerekben használják fel.

Tulajdonságai

Fizikai

A tiszta túlium élénk ezüstös csillogású. A levegőn meglehetősen stabil, a nedvességre viszont érzékeny. A fém lágy, képlékeny, könnyen alakítható.^[1] 32 K alatt ferromágneses, 32 és 56 K között antiferromágneses, 56 K felett paramágneses tulajdonságú.^[2]

Kémiai

A fém túlium levegőn lassan oxidálódik, fényét elveszti, 150 °C felett jól ég és túlium(III)-oxidot képez:

4 Tm + 3 O₂ → 2 Tm₂O₃

A túlium meglehetősen elektropozitív, hideg vízzel lassan, meleg vízzel gyorsan túlium-hidroxidot képez:

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

Magasabb hőmérsékleten az összes halogénnel reakcióba lép. A reakció szobahőmérsékleten lassú, 200 °C felett heves:

2 Tm (s) + 3 F₂ (g) → 2 TmF₃ (s) [fehér]

2 Tm (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 TmCl₃ (s) [sárga]

2 Tm (s) + 3 Br₂ (g) → 2 TmBr₃ (s) [fehér]

2 Tm (s) + 3 I₂ (g) → 2 TmI₃ (s) [sárga]

A túlium jól oldódik hígított kénsavban, mellyel halványzöld Tm(III) ionokat tartalmazó oldatot hoz létre, az ionok [Tm(OH₂)₉]³⁺ komplexként léteznek:^[3]

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

Különböző fémes és nemfémes elemmel számos kétkomponensű vegyületet alkot, például: TmN, TmS, TmC₂, Tm₂C₃, TmH₂, TmH₃, TmSi₂, TmGe₃, TmB₄, TmB₆ és TmB₁₂. Ezekben a vegyületekben a túlium +2, +3 és +4 vegyértékállapotú, azonban a +3 állapot a legáltalánosabb.^[4]

Izotópjai

A természetes állapotban előforduló túlium egy stabil izotópból, a Tm-169-ből (100%-os természetes előfordulás) áll. 31 további izotópot írtak le, ezek közül a legstabilabbak a Tm-171, melynek felezési ideje 1,92 év, a Tm-170 128,6 napos, a Tm-168 93,1 napos és a Tm-167 9,25 napos felezési idejű. A többi radioaktív izotóp felezési ideje 64 óránál rövidebb, ezeknek többsége is kevesebb mint 2 perces felezési idejű. Ennek az elemnek 14 metaállapota van, a legstabilabb a Tm-164m (t_½ 5,1 perc), a Tm-160m (t_½ 74,5 másodperc) és a Tm-155m (t_½ 45 másodperc).

A túlium izotópjainak atomtömege 145,966 u-tól (Tm-146) 176,949 u-ig (Tm-177) terjed.

Története

A túliumot Per Teodor Cleve svéd vegyész fedezte fel 1879-ben, miközben ritkaföldfémek oxidjainak szennyezőit vizsgálta (ezzel a módszerrel fedezett fel korábban Carl Gustaf Mosander más ritkaföldfémeket). Cleve azzal kezdte, hogy eltávolította az erbium(III)-oxid (Er₂O₃) összes ismert szennyezését. További feldolgozást követően két új anyagot kapott: egy barna és egy zöld színűt. A barna színű kémiai anyag a holmium elem oxidja, a zöld színű pedig egy ismeretlen elem oxidja volt. Cleve az oxidot Thule mitikus szigete után túliának, az elemet pedig túliumnak nevezte el. 1911-ben Theodore William Richards a túlium-bromát 15 000-szeri újrakristályosítását végezte el, abból a célból, hogy tiszta túliumot állítson elő, és pontosan meghatározhassa az elem atomsúlyát.^[5]

A túlium olyan ritka volt, hogy az akkori kutatók közül senki nem rendelkezett elegendő tiszta mennyiséggel ahhoz, hogy ténylegesen megállapíthassa annak zöld színét, meg kellett elégedniük a spektroszkópiai vizsgálattal, megfigyelve az erbium fokozatos eltávolítása következtében erősödő abszorpciós sávokat. Az első kutató, aki csaknem tiszta túliumot tudott előállítani, a brit Charles James volt, aki a New Hapshire állembeli Durhamban végezte kutatásait. Eredményeit, melyben leírta a tisztításra használt bromát kristályosítási módszert, 1911-ben publikálta. Az anyag homogenitásának biztosítása érdekében 15 000 műveletre volt szüksége.^[6]

Az első kereskedelmi mennyiségű, nagytisztaságú túlium-oxidot az 1950-es évek végén állították elő ioncserélő szeparációs technikával. Az American Potash & Chemical Corporation Lindsay Chemical Divíziója 99%-os és 99,9%-os tisztaságban állította elő. A 99,9%-os tisztaságú anyag kilogrammonkénti ára 1959 és 1998 között 4600 és 13 300 dollár között változott, a lantanoidák között a lutécium után a második legdrágább volt.^[7]^[8]

Előfordulása és előállítása

Az elem természetes körülmények között nem fordul elő tiszta alakjában, általában más ritkaföldfémek ásványaiban található meg. Előfordulása a földkéregben 0,5 mg/kg.^[5] A túliumot főként a monacit ércből vonják ki (~0,007% túlium) ioncserélésssel. Az újabb ioncserélő és oldószerextrakciós módszerek jobb elválasztást tesznek lehetővé, mely olcsóbbá tette a túlium előállítását. A fő források Kína déli részén, agyaglerakódásokban találhatók. Ezekben a lerakódásokban, melyekben a teljes ritkaföldfém-mennyiség kétharmada ittrium, a túlium aránya körülbelül 0,5%. A fém oxidjának redukciójával is előállítható. Kereskedelmi szempontből a túlium egyetlen természetes vegyületének sincs jelentősége.^[1]

Felhasználása

Lézer

A holmium-króm-túlium adalékolású YAG (Ho:Cr:Tm:YAG vagy Ho,Cr,Tm:YAG) nagy hatásfokú aktív lézerközeg. Hullámhossza 2097 nm, széleskörűen használják katonai, orvosi és meteorológiai célokra. Az egyelemes túlium adalékolású YAG (Tm:YAG) lézerek 1930 és 2040 nm hullámhossz között üzemelnek.^[9] A túliumalapú lézerek hullámhossza nagyon hatékonyan használható szövetek felületi elpárologtatására. Emiatt a túliumlézereket szívesen használják a lézersebészetben.^[10]

Röntgenforrás

Magas ára ellenére, a hordozható röntgenkészülékek forrásaként olyan túliumot alkalmaznak, melyet előzőleg nukleáris reaktorban bombáztak. Ezek a források nagyjából egy évig használhatóak, orvosi és fogászati vizsgálatoknál, valamit nehezen elérhető helyen fekvő mechanikus vagy elektromos alkatrészek behatárolásánál. Az ilyen források esetében nincs szükség különleges sugárvédelemre.^[11]

Egyéb

Túliumot használnak egyes magas hőmérsékletű szupravezetők előállításánál is.

Jegyzetek

↑ ^a ^b C. R. Hammond. The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press (2000). ISBN 0849304814
↑ M. Jackson (2000). „Magnetism of Rare Earth”. The IRM quarterly 10 (3), 1. o. [2017. július 12-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. március 31.)
↑ Chemical reactions of Thulium. Webelements. (Hozzáférés: 2009. június 6.)
↑ Patnaik, Pradyot. Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill, 934. o. (2003). ISBN 0070494398. Hozzáférés ideje: 2009. június 6.
↑ ^a ^b John Emsley. Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. US: Oxford University Press, 442–443. o. (2001). ISBN 0198503415
↑ James, Charles (1911). „Thulium I”. J. Am. Chem. Soc. 33 (8), 1332–1344. o. DOI:10.1021/ja02221a007.
↑ James B. Hedrick. „Rare-Earth Metals”, USGS (Hozzáférés: 2009. június 6.)
↑ Stephen B. Castor and James B. Hedrick. „Rare Earth Elements” (Hozzáférés: 2009. június 6.)
↑ Walter Koechner. Solid-state laser engineering. Springer, 49. o. (2006). ISBN 038729094X
↑ Frank J. Duarte. Tunable laser applications. CRC Press, 214. o. (2008). ISBN 1420060090
↑ C. K. Gupta, Nagaiyar Krishnamurthy. Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press, 32. o. (2004). ISBN 0415333407

Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap

[CRC-1] C. R. Hammond. The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press (2000). ISBN 0849304814

[2] M. Jackson (2000). „Magnetism of Rare Earth”. The IRM quarterly 10 (3), 1. o. [2017. július 12-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2010. március 31.)

[3] Chemical reactions of Thulium. Webelements. (Hozzáférés: 2009. június 6.)

[patnaik-4] Patnaik, Pradyot. Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill, 934. o. (2003). ISBN 0070494398. Hozzáférés ideje: 2009. június 6.

[history-5] John Emsley. Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. US: Oxford University Press, 442–443. o. (2001). ISBN 0198503415

[6] James, Charles (1911). „Thulium I”. J. Am. Chem. Soc. 33 (8), 1332–1344. o. DOI:10.1021/ja02221a007.

[7] James B. Hedrick. „Rare-Earth Metals”, USGS (Hozzáférés: 2009. június 6.)

[8] Stephen B. Castor and James B. Hedrick. „Rare Earth Elements” (Hozzáférés: 2009. június 6.)

[9] Walter Koechner. Solid-state laser engineering. Springer, 49. o. (2006). ISBN 038729094X

[10] Frank J. Duarte. Tunable laser applications. CRC Press, 214. o. (2008). ISBN 1420060090

[appl-11] C. K. Gupta, Nagaiyar Krishnamurthy. Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press, 32. o. (2004). ISBN 0415333407

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]