Tulij

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Tulij,  69Tm
Thulium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg
Tulij u periodnom sistemu
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Tulij, Tm, 69
Serija Lantanoidi
Grupa, Perioda, Blok La, 6, f
Izgled srebrenosivi metal
CAS registarski broj 7440-30-4
Zastupljenost 1,9 · 10-5[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 168,93422(2)[2][3] u
Atomski radijus (izračunat) 174,6 (222) pm
Kovalentni radijus 190 pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Xe] 4f136s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 31, 8, 2
1. energija ionizacije 596,7 kJ/mol
2. energija ionizacije 1160 kJ/mol
3. energija ionizacije 2285 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Mohsova skala tvrdoće 2-3
Kristalna struktura heksagonalna
Gustoća 9318[4] kg/m3 pri 298,15 K
Magnetizam paramagnetičan (Χm = 0,017)[5]
Tačka topljenja 1818 K (1545 °C)
Tačka ključanja 2223[6] K (1950 °C)
Molarni volumen 19,1 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 247[6] kJ/mol
Toplota topljenja 16,8 kJ/mol
Brzina zvuka m/s
Specifična toplota 160 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost 1,477 · 106 S/m
Toplotna provodljivost 16,8 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj 2, 3, 4
Elektrodni potencijal -2,32 V (Tm3+ + 3e- → Tm)
Elektronegativnost 1,25 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
167Tm

sin

9,25 d ε 0,748 167Er
168Tm

sin

93,1 d ε 0,257 168Er
169Tm

100 %

Stabilan
170Tm

sin

128,6 d β- 0,314 170Yb
171Tm

sin

63,6 h β- 1,880 171Yb
Sigurnosno obavještenje

Oznake upozorenja

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo

Nadražujuće

Xi
Nadražujuće
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: 15-17-36/37
S: 26-36-43
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Tulij je hemijski element sa simblom Tm i atomskim brojem 69. On je trinaesti element po redu u seriji lantanoida. Poput ostalih lantanoida, njegovo najčešće oksidacijsko stanje je +3, u kojem se nalazi u svojim oksidima, halidima i drugim spojevima. U vodenim rastvorima, poput spojeva drugih lantanoida, njegovi rastvorljivi spojevi grade komplekse sa devet molekula vode. Godine 1879. švedski hemičar Per Teodor Cleve odvojio je okside "rijetke zemlje" erbije (erbij(III)-oksid) na dvije, prethodno nepoznate, komponente, koje je nazvao holmija (holmij(III)-oksid) i tulija (tulij(III)-oksid). Bili su to oksidi elemenata holmija i tulija. Relativno čisti uzorak metalnog tulija prvi put je dobijen 1911. godine.

Tulij je drugi najrjeđi element među lantanoidima, nakon prometija, a na Zemlji se može naći samo u tragovima. Ovaj metal se vrlo lahko obrađuje, a ima svijetli srebreno-sivi sjaj. Relativno je mehak, a izložen djelovanjem kisika iz zraka polahko tamni. Uprkos njegove visoke cijene i rijetkost, tulij se koristi kao izvor radijacije u prenosnim rendgenskim uređajima te u nekim laserima čvrstog stanja. Nema značajnije biološke uloge i nije pretjerano otrovan.

Historija[uredi | uredi izvor]

Tulij je otkrio švedski hemičar Per Teodor Cleve 1879. kada je u smjesi oksida rijetkih zemnih elemenata tražio nečistoće (istim postupkom Carl Gustaf Mosander je ranije otkrio neke druge rijetke zemne elemente). Cleve je postupak započeo uklanjanjem svih poznatih zagađivača u zemlji erbiji (odnosno Er2O3). Nakon daljnje obrade, dobio je dvije nove supstance: jednu smeđu a drugu zelenu. Smeđa supstanca bila je oksid elementa holmija te joj je Cleve dao ime holmija, dok je zelena supstanca bila oksid nekog nepoznatog elementa. Taj oksid Cleve je nazvao tulija, a njen element tulium prema Tuli, nazivu koji su Antički Grci dali Skandinaviji (ili možda Islandu). Raniji atomski simbol tulija bio je Tu, ali je kasnije promijenjen u današnji Tm.[7][8]

Tulij je bio tako rijedak da ga niko od prvobitnih istraživača nije imao u dovoljnoj mjeri da bi zaista mogli vidjeti zelenu boju oksida; bili su "zadovoljni" sa spektroskopskim posmatranjima pojačavanja dvije karakteristične apsorpcijske linije, u trenutku kada je erbij naglo uklonjen iz smjese. Prvi naučnik koji je dobio gotovo čisti tulij bio je Charles James, britanski iseljenik koji je pretežno radio na Univerzitetu New Hampshire u Durhamu (SAD). James je svoje rezultate istraživanja objavio 1911. godine, navodeći da je pročišćavanje uzorka vršio pomoću metode frakcijske kristalizacije bromatima koju je sam razvio. Naveo je također da mu je bilo potrebno 15.000 ponavljajućih operacija kako bi postigao da materijal bude homogen.[9]

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Čisti metalni tulij ima izraziti srebreni sjaj, koji polahko tamni ako se izloži na zraku. Metal se može rezati nožem,[7] jer je veoma mehak, a tvrdoća po Mohsu iznosi od 2 do 3. Lahko se kuje i izvlači u žice.[10] Ovaj element pokazuje feromagnetične osobine na temperaturi ispod 32 K, antiferomagnetičan je u rasponu od 32 do 56 K, a iznad 56 K je paramagnetičan.[11] Tulij ima dvije osnovne alotropske modifikacije: tetragonalnu α-Tm i dosta stabilniju heksagonalnu β-Tm.[10]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Tulij pohako potamni u dodiru s zrakom, i lahko sagorijeva pri temperaturi od oko 150 °C gradeći tulij(III)-oksid:

4 Tm + 3 O2 → 2 Tm2O3

On relativno elektropozitivan te sporo reagira s hladnom vodom, dok s vrelom reagira veoma brzo gradeći tulij-hidroksid:

2 Tm (č) + 6 H2O (t) → 2 Tm(OH)3 (t) + 3 H2 (g)

Metal reagira sa svim halogenim elementima. Reakcije su vrlo spore na sobnoj temperaturi, ali su burne na temperaturama iznad 200 °C:

2 Tm (č) + 3 F2 (g) → 2 TmF3 (č) (bijel)
2 Tm (č) + 3 Cl2 (g) → 2 TmCl3 (č) (žut)
2 Tm (č) + 3 Br2 (g) → 2 TmBr3 (č) (bijel)
2 Tm (č) + 3 I2 (g) → 2 TmI3 (č) (žut)
(č) - čvrsto; (t) - tečno; (g) - gasovito agregatno stanje

Tulij se lahko rastvara u razblaženoj sumpornoj kiselini gradeći rastvore koji sadržavaju svijetlo zelene ione Tm(III), koji postoje u vidu kompleksa [Tm(OH2)9]3+:[12]

2 Tm (č) + 3 H2SO4 (t) → 2 Tm3+ (t) + 3 SO2−
4
(t) + 3 H2 (g)

Ovaj metal reagira sa raznim metalima i nemetalima gradeći niz binarnih spojeva, kao što su TmN, TmS, TmC2, Tm2C3, TmH2, TmH3, TmSi2, TmGe3, TmB4, TmB6 i TmB12. U tim spojevima, tulij ima valentne brojeve +2 i +3, mada mu je stanje +3 najčešće te jedino stanje koje je zapaženo u njegovim rastvorima.[13] U rastvorima tulij postoji u vidu Tm3+ iona. U tom stanju, ion je okružen sa devet molekula vode.[7] Ioni Tm3+ pokazuju svijetlo plavu luminescenciju.[7]

Jedini poznati oksid tulija je Tm2O3. Ovaj oksid se ponekad naziva i tulija.[14] Crveno-ružičasti spojevi tulija(II) mogu se dobiti redukcijom spojeva tulija(III). Primjeri spojeva tulija(II) uključuju, između ostalih, halide (osim fluorida). Neki hidratizirani spojevi tulija, poput TmCl3·7H2O i Tm2(C2O4)3·6H2O su zelene ili zeleno-bijele boje.[8] Tulij-dihlorid vrlo burno reagira s vodom. Ovom reakcijom nastaju gasoviti vodik i tulij-hidroksid (Tm(OH)3) dajući crvenkastu boju koja postepeno blijedi. Kombinacija tulija i halkogena daje njegove halkogenide.[15]

Tulij reagira sa hlorovodikom istiskujući iz njega gasoviti vodik, a preostaje tulij-hlorid. Sa dušičnom kiselinom daje tulij-nitrat (Tm(NO3)3).[16]

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Izotopi tulija kreću se u rasponu od 145Tm do 179Tm. Osnovni način raspada izotopa lakših od najrasprostranjenijeg stabilnog izotopa 169Tm jeste elektronski zahvat, dok se teži izotopi uglavnom raspadaju beta raspadom. Osnovni proizvod raspada lakših od izotopa 169Tm su izotopi elementa 68 (erbij), a osnovni proizvodi raspada težih su izotopi elementa 70 (iterbij).[17]

Tulij-169 je najrasprostranjeniji i najduže živući izotop ovog elementa. On je također i jedini izotop za koji se smatra da je stabilan, iako postoje teoretske pretpostavke da se i on raspada alfa raspadom na holmij-165 ali uz veoma dugo vrijeme poluraspada.[7] Nakon njega, najduže živući izotopi su tulij-171, čije vrijeme poluraspada iznosi 1,92 godine, te tulij-170 sa vremenom poluraspada od 128,6 dana. Većina ostalih izotopa ima vremena poluraspada od nekoliko minuta ili kraće.[18] Do danas je poznato 35 izotopa i 26 nuklearnih izomera tulija.[7] Većina izotopa tulija čije su atomske mase manje od 169 raspadaju se putem elektronskog zahvata ili emisije pozitrona, mada neki od njih pokazuju značajne alfa raspada ili emisiju protona. Teži izotopi se raspadaju beta-minus raspadom.[18]

Rasprostranjenost[uredi | uredi izvor]

Tulij je pronađen u mineralu monacitu

On se smatra jednim od najmanje rasprostranjenih lantanoida na Zemlji, izuzev prometija.[7] Ovaj element nikad nije pronađen u prirodi u svom čistom obliku. U malehnim količinama nađen je u mineralima zajedno sa drugim rijetkim zemljama. Tulij se često javlja sa mineralima koji sadrže itrij i gadolinij. Naročito često se javlja u mineralu gadolinitu.[19] Osim njega, tulija ima i u mineralima monacitu, ksenotimu i euksenitu. Njegov udio u Zemljinoj kori iznosi 0,5 mg/kg po težini i 50 dijelova na milijardu po molu. Tulija ima približno 0,5 dijelova na milion u zemljištu, mada se ta vrijednost kreće u rasponu od 0,4 do 0,8 dijelova na milion (ppm).

Tulij sačinjava 250 dijelova na kvadrilion morske vode.[7] U Sunčevom sistemu, tulij postoji u koncentracijama od oko 200 dijelova na trilion po težini odnosno 1 dio na trilion po molu.[16] Ruda tulija najviše ima u Kini. Osim Kine, Australija, Brazil, Grenland, Indija, Tanzanija i SAD također imaju veće zalihe ruda tulija. Ukupne rezerve tulija procjenjuju se na oko 100 hiljada tona.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Tulij se uglavnom izdvaja iz rude monacita, koja sadrži oko 0,007%. Monacit se najviše nalazi u riječnom pijesku. Izdvaja se pomoću ionsko-izmjenjivačke metode. Novije ionsko-izmjenjivačke tehnike i tehnike ekstrakcije solventima dovele su do lakšeg odvajanje rijetkih zemalja, a što je pomoglo u povećanju prinosa i smanjenju troškova proizvodnje tulija. Danas su osnovni izvori ovog metala adsorpcija iona gline porijekom iz južne Kine. U njoj približno dvije trećine ukupnog sadržaja rijetkih zemalja otpada na itrij, dok je udio tulija oko 0,5% (tj. otprilike u istom udjelu kao i lutecij po rijetkosti). Metal se može izdvojiti redukcijom njegovih oksida sa metalnim lantanom ili redukcijom kalcijem u zatvorenoj posudi. Niti jedan prirodni spoj tulija nema komercijalnu važnost. Godišnje se u svijetu proizvede oko 50 tona tulij-oksida.[7] Cijena tulij-oksida 1996. iznosila je 20 američkih dolara po gramu, a 2005. cijena čistog metala tulija u prahu iznosila je 70 US$ po gramu.[10]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Laser[uredi | uredi izvor]

Holmij-hrom-tulij trostruko dopirani itrij-aluminij granat (Ho:Cr:Tm:YAG ili Ho,Cr,Tm:YAG) jeste aktivni materijal za laserski medij visoke efikasnosti. On emitira zrake dužine 2097 nm te se široko koristi u vojnim, medicinskim i meteorološkim aplikacijama. Jednostruko, elementarno tulijem dopirani YAG (Tm:YAG) laseri imaju operativni raspon od 1930 do 2040 nm.[20] Valne dužine lasera na bazi tulija su veoma efikasne za površinsku ablaciju (odljepljivanje) tkiva, uz neznatnu koagulacijsku dubinu u zraku ili vodi. To čini tulijske lasere pogodnim za korištenje u hirurškim operacijama laserom.[21]

Izvor x-zraka[uredi | uredi izvor]

Uprkos svojoj visokoj cijeni, tulij se koristi kao izvor radijacije u prenosivim uređajima na bazi x-zraka, a koji je prethodno bombardovan u nuklearnim reaktorima. Ovi izvori imaju korisni vijek trajanja od jedne godine, u vidu alata za medicinsku i stomatološku dijagnozu, kao i za otkrivanje kvarova u nepristupačnim mehaničkim i elektroničkim dijelovima. Takvi izvori ne zahtijevaju pretjeranu zaštitu od zračenja, dovoljan je samo mali pokrov od olova.[22]

Izotop tulij-170 dobija na značaj kao izvor x-zraka za liječenje karcinoma pomoću brahiterapije.[23] Ovaj izotop ima vrijeme poluraspada od 128,6 dana i pet osnovnih linija emisije uporedivog intenziteta (na 7,4; 51,354; 52,389; 59,4 i 84,253 keV).[24] Tulij-170 je jedan od četiri najpopularnija radioizotopa koji se koriste u industrijskoj radiografiji.[25]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  2. ^ "IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2". .
  3. ^ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. ^ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. izd. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, str. 1579.
  5. ^ Robert C. Weast (izd.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, str. E-129 do E-145.
  6. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  7. ^ a b c d e f g h i Emsley, John (2001). Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. SAD: Oxford University Press. str. 442–443. ISBN 0-19-850341-5. 
  8. ^ a b Eagleson Mary (1994). Concise Encyclopedia Chemistry. Walter de Gruyter. str. 1105. ISBN 978-3-11-011451-5. 
  9. ^ James Charles (1911). "Thulium I". J. Am. Chem. Soc. 33 (8): 1332–1344. doi:10.1021/ja02221a007. 
  10. ^ a b c Hammond, C. R. (2000). "The Elements". Handbook of Chemistry and Physics (81. iz.). CRC press. ISBN 0-8493-0481-4. 
  11. ^ Jackson, M. (2000). "Magnetism of Rare Earth". The IRM quarterly 10 (3): 1. 
  12. ^ "Chemical reactions of Thulium". Webelements. Pristupljeno 6. 6. 2009. 
  13. ^ Patnaik Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. str. 934. ISBN 0-07-049439-8. 
  14. ^ Krebs, Robert E (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide. ISBN 978-0-313-33438-2. 
  15. ^ Emeléus H. J.; Sharpe A. G. (1977). Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Academic Press. ISBN 978-0-08-057869-9. 
  16. ^ a b Tulij, na stranici Chemicool.com. Pristupljeno 29. marta 2013.
  17. ^ Lide David R. (1998). "Section 11, Table of the Isotopes". Handbook of Chemistry and Physics (87. iz.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-8493-0594-2. 
  18. ^ a b Alejandro Sonzogni. "Untitled". National Nuclear Data Center. Pristupljeno 20. 2. 2013. 
  19. ^ Walker, Perrin; Tarn, William H. (2010). CRC Handbook of Metal Etchants. CRC Press. str. 1241–. ISBN 978-1-4398-2253-1. 
  20. ^ Koechner, Walter (2006). Solid-state laser engineering. Springer. str. 49. ISBN 0-387-29094-X. 
  21. ^ Duarte, Frank J. (2008). Tunable laser applications. CRC Press. str. 214. ISBN 1-4200-6009-0. 
  22. ^ Gupta, C. K.; Krishnamurthy, Nagaiyar (2004). Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press. str. 32. ISBN 0-415-33340-7. 
  23. ^ Krishnamurthy Devan; Vivian Weinberg; J. Adam M. Cunha; I-Chow Hsu; Jean Pouliot (2011). "Comparison of high–dose rate prostate brachytherapy dose distributions with iridium-192, ytterbium-169, and thulium-170 sources". Brachytherapy 10 (6): 461–465. PMID 21397569. doi:10.1016/j.brachy.2011.01.012. 
  24. ^ Ayoub, Amal Hwaree et al. Development of New Tm-170 Radioactive Seeds for Brachytherapy, Department of Biomedical Engineering, Univerzitet Ben-Gurion u Negevu
  25. ^ Raj Baldev; Venkataraman Balu (2004). Practical Radiography. ISBN 978-1-84265-188-9.