铥

原子序数为69的稀土金属元素

铥

铥(Thulium)是第69号元素，元素符号Tm，位于第六周期IIIB族，属镧系、稀土金属，原子量为168.93，电子排布为[Xe]4f¹³6s²。[0][3][2]铥具有明亮的银白色金属光泽，质软，具有可塑性与延展性。[2]铥可燃，在干燥空气中耐腐蚀性能较强。[8]铥不溶于水，溶于浓酸，在空气中易被氧化而失去光泽，还能与卤素、水等反应。[9][10]铥最主要的用途是作为激光，可在医疗领域中用于手术中人体组织的切割，在激光雷达、遥感测距领域中用作距离测量装置的光源，在材料加工领域中用于材料的切割、焊接和雕刻等。[11][12][13]此外，铥还可掺杂到光催化剂中用于有机污染物的处理等。[14]1879年，瑞典乌普萨拉大学（University of Uppsala）的佩尔·特奥多·克里夫（Per Theodor Cleve）在从饵矿中分离出淡绿色的铥的氧化物时发现了铥元素，他根据斯堪的纳维亚半岛最早的名字“Thule”命名了该元素。克里夫使用了与卡尔·古斯塔夫·莫桑德（Carl Gustaf Mosander）发现镧、铒和铽相同的方法，即在其他稀土元素的氧化物中寻找未知的杂质。他从饵的氧化物Er₂O₃入手，去除所有已知杂质后，经过进一步加工，得到了两种新的物质，一种为棕色，一种为绿色。克里夫将棕色物质命名为holmia，为元素钬的氧化物，绿色物质命名为thulia，即元素铥的氧化物。[7][3][2]

铥diū(Thulium)是第69号元素，元素符号Tm，位于第六周期IIIB族，属镧lán系、稀土金属，原子量为168.93，电子排布为[Xe]4f¹³6s²。[1][4][3]铥具有明亮的银白色金属光泽，质软，具有可塑性与延展性。[3]铥可燃，在干燥空气中耐腐蚀性能较强。[9]铥不溶于水，溶于浓酸，在空气中易被氧化而失去光泽，还能与卤素、水等反应。[10][11]铥最主要的用途是作为激光，可在医疗领域中用于手术中人体组织的切割，在激光雷达、遥感测距领域中用作距离测量装置的光源，在材料加工领域中用于材料的切割、焊接和雕刻等。[12][13][14]此外，铥还可掺杂到光催化剂中用于有机污染物的处理等。[15]

发现历史

1879年，瑞典乌普萨拉大学（University of Uppsala）的佩尔·特奥多·克里夫（Per Theodor Cleve）在从饵矿中分离出淡绿色的铥的氧化物时发现了铥元素，他根据斯堪的纳维亚半岛最早的名字“Thule”命名了该元素。克里夫使用了与卡尔·古斯塔夫·莫桑德（Carl Gustaf Mosander）发现镧、铒和铽tè相同的方法，即在其他稀土元素的氧化物中寻找未知的杂质。他从饵的氧化物Er₂O₃入手，去除所有已知杂质后，经过进一步加工，得到了两种新的物质，一种为棕色，一种为绿色。克里夫将棕色物质命名为holmia，为元素钬huǒ的氧化物，绿色物质命名为thulia，即元素铥的氧化物。[8][4][3]

1911年，化学家查尔斯·詹姆斯（Charles James）首次将铥的氧化物分离出来。[1][8]同年，美国化学家西奥多·威廉·理查兹（Theodore William Richards）进行了15000余次溴酸铥重结晶，以获得绝对纯的铥元素样品，并精确地测定了其原子量。[4]随后在1914年，理查兹因测定了大量元素的原子量而获得了诺贝尔化学奖。[11]

天然来源

铥是已知被发现的量非常少，最不丰富的镧系元素之一，常与其他稀土元素共存于天然矿物中。铥的主要矿物来源是独居石矿，常见于印度和巴西的河沙及佛罗里达海滨沙中，铥在独居石矿中的含量约为0.007％。此外，磷灰石中也有微量的铥，许多富钇矿物中也有铥的存在，如磷钇矿、黑稀金矿、铌钇矿、硅铍钇矿、铈铌钙钛矿、褐钇铌矿和直碳钙钇yǐ矿等。铥的地壳丰度约为5.2x10⁻¹ mg/kg，海洋丰度约为1.7x10⁻⁷ mg/L。[1][8][3]

结构

铥的核外电子排布为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹³5s²5p⁶6s²，简写为[Xe]4f¹³6s²。[1]其核外电子排布如下图所示。[16]铥为金属晶体，[10]其晶体结构为六方最密堆积，属P63/mmc空间群，其晶胞参数为a=b=353.75 pm，c=555.46 pm；α=β=90°，γ=120 °。[17]晶体结构如下图所示。[18]

铥的核外电子排布
铥的核外电子排布
铥的晶体结构
铥的晶体结构

物理性质

铥为有明亮银白色光泽的金属，质软，具有可塑性、延展性和挥发性。[3][19]铥不溶于水，其原子量为168.93，密度为9.321 g/cm³(25 ℃)，熔点为1545 ℃，沸点为1947 ℃，电离能为6.184 eV，电负性为1.25(鲍林标度)，[1][8]熔化热为16.8 KJ/mol，汽化热为250 KJ/mol，比热容为160 J/(kg·K)，布氏硬度为471 MPa，导热系数为17 W/(m·K)。[6]铥还具有磁性，其在临界温度32 K以下时具有铁磁性，在51 K以上时具有顺磁性，低于51 K时具有反铁磁性。[20][21]其质量磁化率为1.99×10⁻⁶ m³/kg，摩尔磁化率为3.36179×10 m³/mol，体积磁化率为0.0185488。[6]

化学性质

铥易溶于酸，在空气中易被氧化而失去光泽，还能与卤素、水等物质反应。[10]铥可燃，在干燥空气中耐腐蚀性能较强。[9]

与酸反应

铥易溶于稀硫酸，形成淡绿色的三价铥离子并放出氢气。反应方程式如下：[10]

与氧气反应

铥易在空气中被缓慢氧化为三氧化二铥，150 ℃时可燃烧。反应方程式如下：[10][22]

与卤素反应

铥可与卤素反应，形成相应的铥卤化物。反应方程式如下：[10]

与水反应

铥与冷水反应缓慢，与热水反应迅速，形成氢氧化铥并放出氢气。反应方程式如下：[10]

化合物

铥的常见氧化钛为+2和+3，+3价的铥盐为绿色，有Tm₂O₃、Tm₂S₃、Tm₂(SO₄)₃、Tm₂(C₂O₄)₃、TmF₃、TmCl₃、TmCl₃·7H₂O、TmBr₃、TmI₃等；+2价的铥盐为砖红色，有TmCl₂、TmI₂等。铥的氧化物、氯化物和硫化物易溶于水和酸，并能与某些物质反应形成稳定的络合物。[23][24]Tm³⁺离子在紫外和可见光谱区有不连续的吸收带，可用于铥的光谱定量分析，Tm²⁺离子有强顺磁性，在水中不稳定。[7]

同位素

铥只有一种稳定的天然同位素，即¹⁶⁹Tm(100%)，还有质量范围为146-168、170-176的30余种放射性同位素。其中最稳定的为¹⁷¹Tm，半衰期约1.92年，¹⁷⁰Tm约为128.6天，¹⁶⁸Tm约为93.1天，¹⁶⁷Tm约为9.25天。所有剩下的放射性同位素的半衰期都小于64小时，其中大多数都小于2分钟。[1][25]

铥同位素的原子量在145.966u(¹⁴⁶Tm)到176.949u(¹⁷⁷Tm)之间。¹⁶⁹Tm之前的主要衰变模式是电子俘获，主要衰变产物是68号元素饵的同位素，¹⁶⁹Tm之后的主要衰变模式是β发射，主要衰变产物是70号元素镱yì的同位素。[25]

制备方法

铥通常以铥-镥lǔ-镱富集物为原料，由选择性还原法与萃取色层法制得。铥-镥-镱富集物是风化壳淋积型稀土矿经简单萃取分离后得到的副产品，主要含有铥、镱、镥、饵及少量或微量其他稀土元素和非稀土元素。[26][27]

选择性还原法

铥可由选择性还原法制得。以铥-镥-镱富集物为原料，金属镧为还原剂，在特制的反应装置中，采用选择性还原的方法，通过控制反应的物理化学条件来制备金属铥。将高温焙烧后的铥-镥-镱富集物与金属镧屑混合均匀，压制后置于坩gān埚内，经降压、升温、冷却后即可在接收器中可得到金属铥，其反应方程式与装置图如下：[26]

选择性还原法制铥装置图
选择性还原法制铥装置图

萃取色层法

铥可由萃取色层法制得。以铥-镱-镥富集物为原料，采用Cyanex272萃取剂浸渍制得实验所需的浸渍树脂，将树脂装填于色层柱中，以盐酸为淋洗液，对铥-镱-镥富集物进行梯度淋洗，控制酸度、流速和温度等参数，即可将铥分离出来。[27]除采用Cyanex272萃取剂外，还可采用5709萃取剂、Cyanex272-P₅₀₇协同萃取剂等用于树脂的制备。[28][29]

医疗领域

铥激光可用于治疗泌尿系统良性前列腺增生症(BPH)、膀胱肿瘤、输尿管癌、尿道狭窄、肾部分切除等；在妇科可以用于宫颈癌和湿疣的治疗；消化科可以进行胃癌根治术、全胃切除术、远端胃大部分切除术、食管癌根治术；胸肺科用于肺结节切除术、支气管内膜切除、取支气管合金支架。其中泌尿科是铥激光应用最成熟的科室，铥激光主要的优势在于其物理特性和其可以选择连续波或脉冲波模式。连续波模式切割效率较高，主要适用于前列腺手术；脉冲模式主要适用于输尿管狭窄和尿道狭窄切开等精细的操作。[12][13]

激光雷达、遥感测距领域

铥激光可在远距离测量装置中用作光源。2 μm铥激光安全使用的功率更高，提高了装置的有效工作距离。其激光线宽更窄，测量精度更高，对烟雾的穿透能力更强，尤其适合战场硝烟及湿气较重的恶劣自然环境，对目标与背景有较高的对比度，测距能力更强。因此铥激光可用于激光雷达、遥感测距、自由空间通信、远距离大气空间传输等领域。[14]

材料加工领域

铥激光常用于材料加工领域。大部分透明有机材料对2 μm铥激光器有足够充分的吸收，因此可以直接使用铥激光应用于透明材料的切割、焊接、雕刻等加工。高功率全固态铥激光器技术可广泛应用于汽车、船舶、航空、铁路等相关的材料加工领域。[14]

水处理领域

铥可用于水处理领域。在处理废水中的有机污染物时，采用光催化法能高效、彻底的将其降解。将铥离子掺入光催化剂中，利用稀土离子的上转换光性能，将太阳光中的可见光或红外光转换成光催化剂可利用的紫外光，从而提高光催化剂对太阳光的利用率，为高效、大规模的废水处理提供了更多可能性。[15][30]

其他应用

除上述应用外，铥还可用于制备高温超导体、[31]用作弧光照明、[32]掺杂于陶瓷材料中以提高其性能。[33]由于三价铥在紫外光照射下可发出蓝色荧光，所以被用于欧元纸币的防伪。[34]铥的同位素¹⁶⁹Tm可在核反应堆中进行轰击， 反应产生¹⁷⁰Tm并发射X射线，所以可在便携式X射线设备中用作辐射源。¹⁷⁰Tm还可应用于高剂量率近距离放射治疗和中等大小关节的滑膜切除术等。此外，¹⁶⁷Tm可用于肿瘤和骨骼研究 ，¹⁷¹Tm是一种潜在能源。[1][8]

检测方法

铥可由电感耦合等离子体原子发射光谱法、[35]X射线荧光光谱法、[36]萃取色谱分离﹣原子发射光谱法、[37]导数荧光分析法和原子吸收分光光度法等进行检测。[38][39]

安全事宜

可溶性的铥盐有轻微毒性，而不溶的铥盐则完全无毒。人体的肝脏、肾脏和骨骼中有微量的铥，并且人类通常每年要消耗几微克的铥。植物的根不吸收铥，蔬菜的干物质中通常含有十亿分之一的铥。此外，铥具有可燃性与刺激性，其粉末吸入或摄入是有毒的，并可引起爆炸。[4][11]

参考资料 39

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. Thulium — Royal Society Of Chemistry
  5. Thulium — CAS Common Chemistry
  6. Technical data for Thulium — Periodictable
  7. 参考 7
  8. Thulium(Element） — PubChem
  9. Thulium（Compound） — PubChem
  10. Thulium — Pilgaardel Elements
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. thulium-atomic-structure-has-number-mass-1918649819 — shutterstock
  17. WebElements Periodic Table ? Thulium ? crystal structures — WebElements
  18. thulium-element — newtondesk
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. Thulium: compounds information — WebElements
  24. 参考 24
  25. Thulium — McGill School Of Computer Science
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
  38. 参考 38
  39. 参考 39
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