Тулий химический элемент

Тулий (Tm) — это неорганический химический элемент, простое вещество, относящийся к группе лантаноидов (редкоземельных элементов).

Это мягкий, ковкий и пластичный металл серебристо-серого цвета. Он относительно устойчив к коррозии на воздухе, но медленно тускнеет.

Используется в металлургии для легирования сплавов. Он также применяется в медицине для создания портативных рентгеновских аппаратов и в лазерной технике.

Что такое тулий

(Thulium;   от латинского  названия Скандинавии — Thule), Tm — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева

Атомный номер 69, атомная масса 168,9342; относится к редкоземельным элементам.

Металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степень окисления +3 (валентность >3).

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 ксенотим и эвксенит.

История открытия элемента

Как и многих других лантаноидов, довольно сложна и запутана.

Тулий (Tm) был открыт в 1879 году шведским химиком Пер Теодором Клеве. Клеве работал с минералом эрбитом, который считался «чистым» оксидом эрбия (Er₂O₃).

Он провёл длительный и сложный анализ этого минерала, чтобы доказать его чистоту.

Используя метод фракционного осаждения, Клеве разделил «оксид эрбия» на три фракции с разными свойствами. Две из них оказались оксидами новых элементов.

Он назвал их гольмием (Ho) и тулием (Tm) — в честь древнего названия Скандинавии, «Туле» (Thule).

Вскоре после открытия Клеве его данные были подтверждены другими учёными.

Первоначально выделенные образцы были не очень чистыми и только в 1911 году американский химик Теодор Уильям Ричардс получил чистый оксид тулия.

А Генри Мозли в 1914 году с помощью рентгеновского спектра окончательно подтвердил существование элемента с атомным номером 69.

Физические свойства

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; t_пл 1545°С; t_кип 1727°С.

Коэффициент  термического   расширения 13,3-10—6 град ; теплоемкость 6,46 кал/г-атом град.

Электрическое сопротивление 90 мком-см; Кюри 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.

Интересный факт: Считается одним из наименее распространённых редкоземельных элементов на Земле. Его содержание в земной коре очень низкое, поэтому он относительно дорогой.

Химические свойства

Химически активен. На воздухе сильно окисляется. Образует сплавы и соединения со мн. элементами.

✅ Реакция с неметаллами

С кислородом: Тулий медленно окисляется на воздухе при комнатной температуре.

При нагревании он сгорает, образуя оксид тулия (III) :

4Tm + 3O₂ → 2Tm₂O₃

С галогенами (фтором, хлором, бромом, иодом): Тулий активно реагирует с галогенами, образуя соответствующие галогениды тулия(III).

2Tm + 3Cl₂ → 2TmCl₃

С серой: При нагревании тулий реагирует с серой, образуя сульфид тулия.

2Tm + 3S → Tm₂S₃

С водородом: При нагревании тулий реагирует с водородом, образуя гидрид тулия.

2Tm + 3H₂ → 2TmH₃

✅ Реакция с кислотами и водой

С водой: Тулий медленно реагирует с холодной водой и значительно быстрее — с горячей, образуя гидроксид тулия и водород.

2Tm + 6H₂O → 2Tm(OH)₃ + 3H₂↑

С кислотами: Тулий легко растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная или серная, с выделением водорода.

2Tm + 6HCl → 2TmCl₃ + 3H₂↑

Изотопы

Известны изотопы с массовыми числами от ¹⁶⁵Тm до ¹⁷⁵Тm. Из них практическое значение имеет изотоп ¹⁷⁰Тm.

Получение

Тулий получают металлотермическим восстановлением окислов лантаном при т-ре 1000— 1500° С. Для получения чистого металла тулий дистиллируют. Тулий выпускают в виде небольших слитков.

Пер Теодором Клеве первым предложил метод его получения, который заключался в фракционном осаждении из минерала эрбита.

Этот процесс был очень трудоёмким, так как требовал многократного повторения, чтобы отделить тулий от других, химически очень похожих лантаноидов.

➡️ Как получают сейчас

В настоящее время тулий получают более эффективными и современными методами.

Исходный минерал: Основными источниками тулия являются руды, содержащие редкоземельные элементы, такие как монацит и ксенотим.

Экстракция: Руда обрабатывается кислотами, чтобы растворить редкоземельные элементы.

Разделение: Основной метод разделения — ионообменная хроматография или экстракция растворителями.

Эти методы позволяют отделить тулий от других лантаноидов с высокой степенью чистоты.

Получение металла: Очищенный оксид тулия (Tm₂O₃) превращают во фторид тулия (TmF₃), который затем восстанавливают кальцием при высокой температуре в атмосфере аргона.

2TmF₃ + 3Ca → 2Tm + 3CaF₂

В результате получают чистый металлический тулий.

Применение

Находит применение в современных технологиях благодаря своим уникальным свойствам.

Лазерная техника: Лазеры на основе тулия используются в медицине (например, в урологии для дробления камней) и в оптической связи.

Они излучают свет на длине волны, которая хорошо поглощается водой, что делает их идеальными для хирургии мягких тканей.

Портативные рентгеновские аппараты: Радиоактивный изотоп тулий-170 (170Tm) является источником рентгеновского излучения.

Он применяется в небольших, портативных рентгеновских аппаратах, используемых в полевых условиях, например, для осмотра сварных швов.

Легирование металлов: Добавление тулия в некоторые металлические сплавы улучшает их механические и магнитные свойства.

Термоэлектрические материалы: Тулий используется в термоэлектрических сплавах, которые могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот.

Изотоп ¹⁷⁰Тm находит применение в портативных рентгено-просвечивающих аппаратах.

Литература

Герасимовский В. И. Геохимия редкоземельных элементов. В кн.: Редкоземельные элементы (Получение, анализ, применение).

 Часто задаваемые вопросы