Tul
Tul (Tm, łac. thulium) – pierwiastek chemiczny z grupy lantanowców w układzie okresowym, należący do tzw. metali ziem rzadkich. Tul jest najrzadszym lantanowcem występującym na Ziemi (promet jest rzadszym, ale nie występuje naturalnie na Ziemi). Jest łatwym w obróbce srebrzysto-szarym metalem. Pomimo jego wysokiej ceny[2], tul jest używany jako źródło promieniowania w przenośnych aparatach Roentgena i w laserach półprzewodnikowych.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| erb ← tul → iterb | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wygląd | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| srebrzysty | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 Widmo emisyjne tulu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ogólne informacje | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nazwa, symbol, l.a. | tul, Tm, 69 (łac. thulium) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupa, okres, blok | –, 6, f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stopień utlenienia | III, II, IV[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości metaliczne | lantanowiec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości tlenków | słabo zasadowe | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masa atomowa | 168,934218(6) u[a][4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stan skupienia | stały | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gęstość | 9321 kg/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura topnienia | 1545 °C[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura wrzenia | 1950 °C[1] [2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | 7440-30-4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PubChem | 23961 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HistoriaEdytuj
Tul został odkryty przez szwedzkiego chemika i geologa Per T. Cleve’a w 1879 podczas szukania zanieczyszczeń w tlenkach pierwiastków ziem rzadkich (ok. 40 lat wcześniej, tą samą metodą Carl Gustaf Mosander odkrył inne pierwiastki ziem rzadkich). Cleve rozpoczął od usunięcia wszystkich znanych zanieczyszczeń z tlenku erbu(III), a z pozostałości wyizolował dwie nowe substancje: brązową i zieloną. Brązową substancją był tlenek holmu, nazwany przez niego holmia, a zieloną tlenek nieznanego pierwiastka, który Cleve nazwał thulia. Nazwę zaczerpnął od Thule, legendarnej wyspy na krańcu świata[3].
Pierwszym badaczem, któremu udało się uzyskać niemal czysty tul, był Charles James – brytyjski emigrant pracujący na University of New Hampshire w Durhan, New Hampshire. W 1911 ogłosił, że udało mu się otrzymać czysty tul za pomocą wynalezionej przez siebie metody krystalizacji frakcjonowanej z wykorzystaniem bromianów (soli kwasu bromowego). By stwierdzić, że materiał jest jednorodny, potrzebował 15 000 powtórzeń czynności służących oczyszczeniu próbki.
Występowanie i otrzymywanieEdytuj
Zawartość tulu w skorupie ziemskiej wynosi 0,52 mg/kg, zaś w wodzie oceanów 0,00000017 mg/l[5]. Tul w niewielkich ilościach występuje w rudach bogatych w itr, takich jak: ksenotym, euksenit, samarskit, gadolinit, fergusonit. W śladowych ilościach występuje w monacycie (~0.007% tulu), który jest surowcem, z którego tul otrzymuje się za pomocą wymiany jonowej. Nowsze techniki wymiany jonowej i ekstrakcji rozpuszczalnikowej spowodowały uproszczenie otrzymywania metali ziem rzadkich, co doprowadziło do obniżenia kosztów produkcji tulu. Obecnie głównym źródłem metalu jest adsorpcja jonów z glin wydobywanych na południu Chin. W glinach tych 2/3 zawartości wszystkich metali rzadkich stanowi itr, tul natomiast stanowi około 0,5%. Metaliczny tul może być otrzymany z tlenku tulu poprzez jego redukcję lantanem w jego temperaturze topnienia 1545°C. Tul jest oddzielany od lantanu poprzez sublimację w próżni. Pary metalu są kondensowane do postaci krystalicznego metalu wolnego od zanieczyszczeń lantanem[3]. Obecnie szacuje się, że tul ma podobny stopień rozpowszechnienia jak srebro, kadm, złoto czy jod[6].
WłaściwościEdytuj
Właściwości fizyczneEdytuj
Czysty tul jako metal ma jasny, srebrny połysk, jest miękki, plastyczny i kowalny. Posiada gęsto upakowaną strukturę heksagonalną[3]. Tul jest ferromagnetykiem poniżej 32 K, antyferromagnetykiem w przedziale temperatur 32-56 K, a od temperatury 56 K staje się paramagnetykiem.
Właściwości chemiczneEdytuj
Metaliczny tul w normalnych warunkach, w atmosferze powietrza powoli matowieje, a w temperaturze 150 °C tworzy tlenek tulu(III):
- 4 Tm + 3 O2 → 2 Tm2O3
Tul jest elektrododatni i reaguje powoli z zimną wodą, znacznie szybciej z gorącą, tworząc wodorotlenek tulu(III):
- 2 Tm (s) + 6 H2O (l) → 2 Tm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)
Metal w temperaturze pokojowej powoli reaguje ze wszystkimi fluorowcami. Reakcje przebiegają szybko w temperaturach powyżej 200 °C:
- 2 Tm (s) + 3 F2 (g) → 2 TmF3 (s) (biały)
- 2 Tm (s) + 3 Cl2 (g) → 2 TmCl3 (s) (żółty)
- 2 Tm (s) + 3 Br2 (g) → 2 TmBr3 (s) (biały)
- 2 Tm (s) + 3 I2 (g) → 2 TmI3 (s) (żółty)
Tul łatwo roztwarza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym tworząc jasnozielone roztwory zawierające jony Tm(III) w postaci kompleksów [Tm(OH2)9]3+[7]
- 2 Tm (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Tm3+ (aq) + 3 SO2−4 (aq) + 3 H2 (g)
IzotopyEdytuj
Występujący w przyrodzie tul składa się w 100% z jednego, stabilnego izotopu, 169Tm. Znanych jest 31 radioizotopów tulu, spośród których najtrwalszymi są 171Tm z okresie półtrwania T1/2 wynoszącym 1,92 lat, 170Tm o T1/2=128,6 dnia, 168Tm o T1/2=93,1 dni, 167Tm o T1/2=9,25 dni. Pozostałe izotopy posiadają okresy półtrwania krótsze niż 64 godziny, z których większość posiada T1/2 < 2 min. Tul posiada izotopy o zakresie mas atomowych od 145.966 daltonów (146Tm) do 176.949 u (177Tm). Podstawowy procesem rozpadu przed najstabilniejszym i najbardziej rozpowszechnionym izotopem 169Tm, jest wychwyt elektronu, natomiast podstawowym procesem po izotopie 169Tm jest rozpad beta. W pierwszym przypadku podstawowym produktem rozpadu są izotopy pierwiastka o liczbie atomowej 68 (Erb), a w drugim przypadku izotopy pierwiastka 70 (Iterb)[6].
ZastosowanieEdytuj
LaseryEdytuj
Potrójnie domieszkowany Holmem-Chromem-Tulem YAG (Ho:Cr:Tm:YAG, lub Ho,Cr,Tm:YAG) jest używany w laserach jako wysokiej wydajności medium. Wypromieniowuje światło o długości 2097 nm i znajduje szerokie zastosowanie w wojsku, medycynie i meteorologii. Pojedynczo domieszkowane tulem lasery YAG (Tm:YAG) wypromieniowują światło o długościach fali pomiędzy 1930 a 2040 nm. Długość fali laserów opartych na tulu jest bardzo wydajna w zastosowaniu do powierzchownej ablacji tkanek, z minimalną głębokością koagulacji, co czyni je bardzo atrakcyjnymi dla chirurgii wykorzystującej lasery, szczególnie dla litotrypsji laserowej czy leczenia łagodnej hiperplazji prostaty[8].
Źródło promieniowaniaEdytuj
Ważnym zastosowaniem tulu jest produkcja przenośnych źródeł promieniowania gamma, które są aktywne przez około rok. Źródła te są stosowane w diagnozach medycznych i dentystycznych, oraz do wykrywania uszkodzeń niedostępnych elementów maszyn i urządzeń elektrycznych. Źródło promieniowania nie wymaga nadmiernej ochrony. Do zabezpieczenia źródła wystarczy niewielka ołowiowa nasadka.
InneEdytuj
Tul może być także używany w tworzywach ceramicznych i magnetycznych (ferryty), podobnych do stopów itr-żelazo, używanych w technologii mikrofalowej[9].
Rynek tuluEdytuj
Wysokiej czystości tlenek tulu (99% i 99,9%), otrzymany za pomocą rozdzielania na drodze wymiany jonowej, stał się dostępny handlowo od lat 50. XX wieku. Cena rynkowa kilograma tlenku tulu w latach 1959-1998 oscylowała w przedziale 4 600-13 300 $, spadając do 1950 $ w roku 2003[10][11]. Tul jest drugim po lutecie pod względem ceny metalem ziem rzadkich[10][11].
UwagiEdytuj
- ↑ Wartość w nawiasie oznacza niepewność związaną z ostatnią cyfrą znaczącą.
PrzypisyEdytuj
- ↑ a b c Tul (nr 263222) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-04]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
- ↑ a b Mr. Everett.: Thulium (ang.). 2011-03-17. [dostęp 2011-03-23].
- ↑ a b c d Pradyot Patnaik: Handbook of inorganic chemicals. New York: McGraw-Hill, 2003, s. 932-933. ISBN 0-07-049439-8. (ang.)
- ↑ Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. „Chemistry International”. 40 (4), s. 23–24, 2018-10-29. DOI: 10.1515/ci-2018-0409. ISSN 1365-2192 (ang.).
- ↑ John W. Morgan, Edward Anders. Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury. „Proceedings of the National Academy of Sciences”. 77 (12), s. 6973-6977, Grudzień 1980. DOI: 10.1073/pnas.77.12.6973. PMID: 16592930. PMCID: PMC350422. JSTOR: 9538 (ang.). [dostęp 24-03-2011].
- ↑ a b 11: Table of the Isotopes. W: David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 89th Edition (Crc Handbook of Chemistry and Physics). CRC. ISBN 1-4200-6679-X. (ang.)
- ↑ Mark Winter (The University of Sheffield and WebElements Ltd, UK): Reactions of thulium (ang.). [dostęp 2011-03-23].
- ↑ Frank J. Duarte: Tunable Laser Applications. Wyd. drugie. CRC, 2008, s. 214-215. ISBN 978-1-4200-6009-6. (ang.)
- ↑ N. Krishnamurthy: Extractive metallurgy of rare earths. Boca Raton, Fla.: CRC Press, 2005, s. 30. ISBN 0-415-33340-7. (ang.)
- ↑ a b James B. Hedrick: Rare-Earth Metals. USGS. [dostęp 2011-03-23].
- ↑ a b Stephen B. and James B. Hedrick: Rare Earth Elements. [dostęp 2011-03-23].