Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение тулий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 176 pm — это 0,176 нм, поэтому около 2,84 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Тулий находится в жидком состоянии в диапазоне 405 K — от 1818 K до 2223 K.
История
Самый редкий из стабильных лантаноидов и переносной источник рентгеновского излучения после облучения.
Открыл: Per Teodor Cleve в Уппсале, Швеция (1879)
Назван в честь: Thule, древнего названия Скандинавии
Открытие Тулия стало, вероятно, самым технически сложным достижением аналитической химии XIX века. Per Teodor Cleve, работавший в Уппсальском университете, уже участвовал в открытии Гольмия, когда предположил, что в смесях редкоземельных элементов могут скрываться ещё несколько элементов.
Начав с тщательно очищенных образцов оксида Эрбия, Cleve в 1879 году приступил к чрезвычайно сложному процессу разделения. Задача была беспрецедентной: разделение элементов, химические свойства которых различались менее чем на 1%, требовало аналитических методов, находившихся на абсолютном пределе возможностей XIX века.
Метод разделения Cleve включал многократную дробную кристаллизацию соединений Эрбия, причём каждый цикл занимал несколько недель. Процесс требовал исключительного терпения и точности: колебания температуры всего на несколько градусов могли разрушить результаты многомесячной работы.
После почти двух лет систематической кристаллизации Cleve заметил, что наиболее трудно кристаллизуемые фракции обладали спектроскопическими свойствами, заметно отличавшимися от известных редкоземельных элементов. Наблюдавшиеся им зелёные линии поглощения никогда ранее не описывались.
Ключевой прорыв произошёл, когда Cleve подверг разделённые фракции спектроскопическому анализу. Характерные зелёные линии излучения на 596 и 531 nanometers стали окончательным доказательством существования нового элемента. Эти спектральные признаки были настолько характерными, что другие химики могли немедленно подтвердить открытие Cleve.
Cleve выбрал название «Тулий» в честь Thule — древнего греческого и римского названия Скандинавии или самой северной обитаемой области мира. Это продолжало северную традицию наименования редкоземельных элементов, открытых шведскими химиками.
Даже после открытия получение чистых соединений Тулия оставалось чрезвычайно сложным. Первый достаточно чистый оксид Тулия был получен лишь в 1911 году, более чем через 30 лет после первоначального открытия Cleve. Металлический Тулий удалось выделить только в 1950 году с помощью ионообменных методов.
Систематический подход Cleve к разделению редкоземельных элементов заложил методологию, остававшуюся стандартной на протяжении десятилетий. Его тщательная документация позволила другим учёным воспроизводить и проверять его работу, укрепляя международную уверенность в существовании вновь открытых элементов.
Элемент, для разделения которого Cleve выполнил одну из самых сложных работ, стал одним из наиболее ценных редкоземельных элементов для медицинского применения. Жизненно важная роль Тулия в портативных рентгеновских системах показывает, как, казалось бы, академические открытия XIX века спустя десятилетия могут приобрести огромное практическое значение.
Применение
Тулий, второй по редкости стабильный лантаноид после Прометия, несмотря на чрезвычайную редкость нашёл исключительное применение в медицинских технологиях, спасающих жизни. Этот уникальный элемент стал незаменимым для портативной медицинской визуализации и передовых терапевтических процедур, доказывая, что даже самые редкие материалы могут оказывать глубокое влияние на здоровье людей.
Источники Тулия-170 питают компактные портативные рентгеновские аппараты, обеспечивающие медицинскую визуализацию в отдалённых районах, зонах бедствий и полевых военных госпиталях. Эти устройства с радиоизотопным питанием могут работать месяцами без внешнего источника энергии, обеспечивая жизненно важную диагностику там, где обычное рентгеновское оборудование было бы невозможно развернуть или обслуживать.
В отличие от традиционных рентгеновских трубок, требующих источников высокого напряжения, источники на основе Тулия полностью автономны и не требуют обслуживания. Бригады экстренной медицинской помощи, военные медики и медицинские работники в развивающихся регионах используют эти портативные системы для оценки травм, диагностики переломов костей и планирования экстренных операций.
Уникальные ядерные свойства Тулия-170 делают его исключительно ценным для направленной лучевой терапии. Период полураспада изотопа, составляющий 128 дней, и оптимальные энергетические характеристики обеспечивают точное воздействие на опухоль при минимальном повреждении здоровых тканей. Онкологи используют герметичные источники Тулия-170 для лечения рака кожи, поскольку ограниченная глубина проникновения обеспечивает идеальную локализацию дозы.
Соединения Тулия служат важными компонентами газоразрядных металлогалогенных ламп, используемых в специализированных системах освещения. Эти высокоинтенсивные лампы создают исключительно яркое освещение с точной цветопередачей, необходимое для кинопроизводства, освещения спортивных арен и архитектурных решений, где особенно важна идеальная цветопередача.
Уникальные ядерные свойства Тулия делают его ценным для научных исследований, включая нейтронно-активационный анализ, эксперименты по ядерной физике и испытания материалов. Исследовательские реакторы используют мишени из Тулия для получения специализированных радиоизотопов медицинского и промышленного назначения.
Учёные изучают соединения на основе Тулия для возможного применения в сверхпроводниках. Хотя коммерческое использование пока невозможно, электронные свойства Тулия многообещающи для будущих исследований в области квантовых вычислений и передовых материалов.
Источники Тулия-170 обеспечивают надёжное питание без необходимости обслуживания для специализированного военного оборудования, включая полевые рентгеновские системы, устройства досмотра и радиологическое детектирующее оборудование. Стабильность изотопа и предсказуемые характеристики распада делают его идеальным для длительного использования.
Несмотря на то что Тулий относится к наименее распространённым редкоземельным элементам, его уникальные свойства, незаменимые в специализированных областях, обеспечивают ему высокую цену ($2000-4000/kg). Только рынок медицинских изотопов обеспечивает ежегодный спрос более чем на $100 million.
Портативные рентгеновские системы на основе Тулия произвели революцию в оказании медицинской помощи в недостаточно обслуживаемых регионах. Эти устройства обеспечили медицинскую визуализацию в самых разных местах — от клиник в амазонских джунглях до антарктических исследовательских станций, доставив передовую диагностику ранее недоступным группам населения.
Старение населения планеты и расширение доступа к медицинской помощи в развивающихся странах способствуют росту спроса на медицинские технологии на основе Тулия. Ожидается, что рынок портативных рентгеновских систем будет ежегодно расти на 8-12% до 2030 года.
Продолжаются исследования применения Тулия, включая квантовые сенсоры, передовые системы визуализации и противораковые терапии следующего поколения. Уникальные ядерные и электронные свойства Тулия продолжают открывать новые возможности для медицинских и научных применений.
Откуда он происходит
0,52 мг/кг земной коры · более распространён, чем 48% элементов
Тулий — второй по редкости природный редкоземельный элемент: его средняя распространённость в земной коре составляет всего 0.52 parts per million, что делает его более редким, чем золото, платина и любой другой стабильный лантаноид, кроме Прометия. Такая чрезвычайная редкость делает Тулий одним из самых дорогих и стратегически важных редкоземельных элементов.
Китай (95% мирового производства): Ионно-адсорбционные глинистые месторождения Южного Китая фактически являются единственным коммерческим источником Тулия в мире. Эти месторождения, сформировавшиеся в результате выветривания гранитных интрузий на протяжении миллионов лет, содержат самые высокие из известных природных концентраций Тулия.
Альтернативные источники: За пределами Китая значительное производство Тулия отсутствует, что создаёт чрезвычайную уязвимость поставок этого важного сырья для медицинских изотопов. Небольшие количества извлекаются как побочный продукт других операций с редкоземельными элементами, но объёмы остаются незначительными.
Разделение Тулия относится к наиболее технически сложным процедурам аналитической химии. Из-за эффектов лантаноидного сжатия ионный радиус Тулия отличается от соседних элементов менее чем на 2%, поэтому для достижения чистоты, подходящей для медицинских применений, требуются сотни стадий разделения.
Ионообменная хроматография с использованием специальных хелатирующих агентов позволяет отделить Тулий от других тяжёлых редкоземельных элементов, однако для полной очистки до 99.99% может потребоваться более 300 отдельных стадий разделения — больше, чем для любого другого редкоземельного элемента.
Мировое производство Тулия оценивается менее чем в 50 tons annually, причём большая часть материала потребляется в Китае для внутренних нужд. Международная торговля соединениями Тулия представляет собой один из мельчайших товарных рынков по объёму, но один из крупнейших по удельной стоимости.
Учитывая чрезвычайную редкость и высокую стоимость Тулия, переработка медицинского оборудования после окончания срока службы становится всё более важной. Специализированные процессы восстановления позволяют извлекать Тулий из портативных рентгеновских источников и генераторов медицинских изотопов, хотя существующая инфраструктура переработки пока остаётся ограниченной.
Тулий-170 для медицинских применений получают активацией природного Тулия-169 нейтронами в ядерных реакторах. Для этого процесса требуется высокообогащённый исходный материал Тулия, что ещё больше повышает значение эффективных технологий разделения и переработки.
В будущем глубоководная добыча может обеспечить доступ к богатым Тулием полиметаллическим конкрециям, хотя экологические и технические проблемы остаются значительными. Передовые технологии извлечения потенциально могут сделать ранее нерентабельные месторождения пригодными для добычи Тулия.
Обращение
Соединения Тулия представляют умеренную химическую опасность, однако изотопы Тулия-170 требуют строгих протоколов радиологической безопасности из-за их применения в медицине. При обращении необходимо учитывать как химическую токсичность, так и риск радиационного облучения.
Тулий-170: Бета- и гамма-излучатель, требующий процедур контролируемого доступа. Максимально допустимая нагрузка на организм: 0.4 μCi. Для герметичных источников требуется лицензирование и регулярные испытания на герметичность.
Принцип ALARA: Все операции с Тулием-170 должны соответствовать принципу минимально достижимого уровня радиационного облучения. Сокращайте время воздействия, увеличивайте расстояние, используйте соответствующее экранирование.
Контроль пыли: Пыль оксида Тулия может вызывать раздражение дыхательных путей. Поддерживайте средневзвешенную концентрацию на рабочем месте ниже 5 mg/m³.
Контакт с кожей: Избегайте длительного контакта кожи с соединениями Тулия, которые у некоторых людей могут вызвать сенсибилизацию.
Источники Тулия медицинского качества требуют специальных процедур обращения, включая зоны контролируемого доступа, радиационный мониторинг и планы реагирования на чрезвычайные ситуации. Эксплуатировать медицинские устройства с Тулием-170 могут только обученные специалисты, имеющие соответствующую лицензию.
Источники Тулия-170 требуют безопасного хранения на лицензированных объектах с соответствующим экранированием, контролем доступа и учётом запасов. Химические соединения следует хранить в прохладных сухих условиях вдали от несовместимых материалов.
Радиоактивные отходы Тулия необходимо утилизировать через лицензированные компании по обращению с радиоактивными отходами. Для короткоживущих изотопов может применяться выдержка до распада. Нерадиоактивные соединения Тулия следует перерабатывать из-за их чрезвычайной редкости и высокой стоимости.
Персонал, работающий с Тулием-170, нуждается в регулярном радиационном мониторинге, включая дозиметрию всего тела и программы биопроб. Мониторинг помещений должен выявлять возможные утечки радиации или загрязнение.
Краткие ответы
Тулий (символ Tm) — элемент 69 в периодической таблице, представитель семейства Лантаноид в 6 периоде. Самый редкий из стабильных лантаноидов и переносной источник рентгеновского излучения после облучения. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹³ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 31, 8, 2.Тулий плавится при 1818 K (1544.9 °C) и кипит при 2223 K (1949.9 °C).
Стандартная атомная масса Тулий составляет 168.934 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Тулий составляет 9.32 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Тулий примерно в 9.3× тяжелее.
Электроотрицательность Тулий по шкале Полинга составляет 1.25. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Тулий был открыт в 1879 году Per Teodor Cleve. Назван в честь туле, мифический Крайний Север.
На долю Тулий приходится около 0.52 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.