Thulium - Thulium
Thulium | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Prononciation |
/ Θj u l i ə m / |
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Apparence | gris argenté | ||||||||||||||||||||||||||||||
Poids atomique standard A r, std (Tm) | 168,934 218 (6) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Thulium dans le tableau périodique | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Numéro atomique ( Z ) | 69 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Grouper | groupe n/a | ||||||||||||||||||||||||||||||
Période | période 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Bloquer | f-bloc | ||||||||||||||||||||||||||||||
Configuration électronique | [ Xe ] 4f 13 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Électrons par coquille | 2, 8, 18, 31, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Propriétés physiques | |||||||||||||||||||||||||||||||
Phase à STP | solide | ||||||||||||||||||||||||||||||
Point de fusion | 1818 K (1545 °C, 2813 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Point d'ébullition | 2223 K (1950 °C, 3542 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Densité (près de rt ) | 9,32 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
quand liquide (au mp ) | 8,56 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Température de fusion | 16,84 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
Chaleur de vaporisation | 191 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||
Capacité calorifique molaire | 27,03 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
La pression de vapeur
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Propriétés atomiques | |||||||||||||||||||||||||||||||
États d'oxydation | 0, +2, +3 (un oxyde basique ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Électronégativité | Échelle de Pauling : 1,25 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Énergies d'ionisation | |||||||||||||||||||||||||||||||
Rayon atomique | empirique : 176 h | ||||||||||||||||||||||||||||||
Rayon covalent | 190±22h | ||||||||||||||||||||||||||||||
Lignes spectrales du thulium | |||||||||||||||||||||||||||||||
Autres propriétés | |||||||||||||||||||||||||||||||
Occurrence naturelle | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||
Structure en cristal | hexagonal compact (hcp) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Dilatation thermique | poly : 13,3 µm/(m⋅K) (à rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Conductivité thermique | 16,9 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Résistivité électrique | poly : 676 nΩ⋅m (à rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Commande magnétique | paramagnétique (à 300 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilité magnétique molaire | +25 500 × 10 −6 cm 3 /mol (291 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Module d'Young | 74,0 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Module de cisaillement | 30,5 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Module de vrac | 44,5 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Coefficient de Poisson | 0,213 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Dureté Vickers | 470-650 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
dureté Brinell | 470-900 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||
Numero CAS | 7440-30-4 | ||||||||||||||||||||||||||||||
Histoire | |||||||||||||||||||||||||||||||
Appellation | après Thulé , une région mythique de Scandinavie | ||||||||||||||||||||||||||||||
Découverte et premier isolement | Par Teodor Clève (1879) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Principaux isotopes du thulium | |||||||||||||||||||||||||||||||
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Le thulium est un élément chimique de symbole Tm et de numéro atomique 69. C'est le treizième et l'avant-dernier élément de la série des lanthanides . Comme les autres lanthanides, l'état d'oxydation le plus courant est +3, vu dans son oxyde, ses halogénures et autres composés ; car il se produit si tard dans la série, cependant, l'état d'oxydation +2 est également stabilisé par la coque 4f presque pleine qui en résulte. En solution aqueuse , comme les composés d'autres lanthanides tardifs, les composés solubles du thulium forment des complexes de coordination avec neuf molécules d'eau.
En 1879, le chimiste suédois Per Teodor Cleve sépara de l'oxyde de terre rare erbia deux autres composants jusqu'alors inconnus, qu'il appela holmia et thulia ; il s'agissait respectivement des oxydes d' holmium et de thulium. Un échantillon relativement pur de thulium métallique a été obtenu pour la première fois en 1911.
Le thulium est le deuxième moins abondant des lanthanides , après le prométhium radioactivement instable que l'on ne trouve qu'à l'état de traces sur Terre. C'est un métal facile à travailler avec un éclat gris argenté brillant. Il est assez mou et se ternit lentement à l'air. Malgré son prix élevé et sa rareté, le thulium est utilisé comme source de rayonnement dans les appareils à rayons X portables et dans certains lasers à solide . Il n'a pas de rôle biologique important et n'est pas particulièrement toxique.
Propriétés
Propriétés physiques
Le métal de thulium pur a un éclat argenté brillant, qui se ternit à l'exposition à l'air. Le métal peut être coupé avec un couteau, car il a une dureté Mohs de 2 à 3 ; il est malléable et ductile. Le thulium est ferromagnétique en dessous de 32 K, antiferromagnétique entre 32 et 56 K et paramagnétique au dessus de 56 K.
Le thulium possède deux allotropes majeurs : le -Tm tétragonal et le β-Tm hexagonal plus stable .
Propriétés chimiques
Le thulium se ternit lentement à l'air et brûle facilement à 150 °C pour former de l' oxyde de thulium(III) :
- 4 Tm + 3 O 2 → 2 Tm 2 O 3
Le thulium est assez électropositif et réagit lentement avec l'eau froide et assez rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de thulium :
- 2 Tm (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Tm(OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
Le thulium réagit avec tous les halogènes . Les réactions sont lentes à température ambiante, mais vigoureuses au-dessus de 200 °C :
- 2 Tm (s) + 3 F 2 (g) → 2 TmF 3 (s) (blanc)
- 2 Tm (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 TmCl 3 (s) (jaune)
- 2 Tm (s) + 3 Br 2 (g) → 2 TmBr 3 (s) (blanc)
- 2 Tm (s) + 3 I 2 (g) → 2 TmI 3 (s) (jaune)
Le thulium se dissout facilement dans l'acide sulfurique dilué pour former des solutions contenant les ions Tm(III) vert pâle, qui existent sous forme de complexes [Tm(OH 2 ) 9 ] 3+ :
- 2 Tm (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Tm 3+ (aq) + 3 SO2−
4(aq) + 3 H 2 (g)
Le thulium réagit avec divers éléments métalliques et non métalliques formant une gamme de composés binaires, notamment TmN, TmS, TmC 2 , Tm 2 C 3 , TmH 2 , TmH 3 , TmSi 2 , TmGe 3 , TmB 4 , TmB 6 et TmB 12 . Dans ces composés, le thulium présente des états de valence +2 et +3, cependant, l'état +3 est le plus courant et seul cet état a été observé dans les solutions de thulium. Le thulium existe sous forme d' ion Tm 3+ en solution. Dans cet état, l'ion thulium est entouré de neuf molécules d'eau. Les ions Tm 3+ présentent une luminescence bleu vif.
Le seul oxyde connu du thulium est le Tm 2 O 3 . Cet oxyde est parfois appelé "thulie". Les composés de thulium(II) rouge pourpre peuvent être produits par la réduction de composés de thulium(III). Des exemples de composés de thulium (II) comprennent les halogénures (à l'exception du fluorure). Certains composés de thulium hydraté, tels que TmCl 3 · 7H 2 O et Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 6H 2 O sont verts ou blanc verdâtre. Le dichlorure de thulium réagit très vigoureusement avec l' eau . Cette réaction donne de l' hydrogène gazeux et du Tm(OH) 3 présentant une couleur rougeâtre décolorée. Combinaison de thulium et chalcogènes résultats dans thulium chalcogénures .
Le thulium réagit avec le chlorure d'hydrogène pour produire de l'hydrogène gazeux et du chlorure de thulium. Avec l'acide nitrique, il donne du nitrate de thulium, ou Tm(NO 3 ) 3 .
Isotopes
Les isotopes du thulium vont de 145 Tm à 179 Tm. Le mode de désintégration primaire avant l'isotope stable le plus abondant, 169 Tm, est la capture d'électrons , et le mode primaire après est l' émission bêta . Les principaux produits de désintégration avant 169 Tm sont les isotopes de l' élément 68 ( erbium ) et les principaux produits après sont les isotopes de l' élément 70 ( ytterbium ).
Le thulium-169 est le seul isotope primordial du thulium et le seul isotope du thulium que l'on pense être stable ; il devrait subir une désintégration alpha en holmium -165 avec une très longue demi-vie. Les radio-isotopes ayant la durée de vie la plus longue sont le thulium-171, qui a une demi-vie de 1,92 an, et le thulium-170, qui a une demi-vie de 128,6 jours. La plupart des autres isotopes ont des demi-vies de quelques minutes ou moins. Trente-cinq isotopes et 26 isomères nucléaires du thulium ont été détectés. La plupart des isotopes du thulium plus légers que 169 unités de masse atomique se désintègrent par capture d'électrons ou désintégration bêta-plus , bien que certains présentent une désintégration alpha ou une émission de protons significative . Les isotopes les plus lourds subissent une désintégration bêta-moins .
Histoire
Le thulium a été découvert par le chimiste suédois Per Teodor Cleve en 1879 en recherchant des impuretés dans les oxydes d'autres éléments des terres rares (c'était la même méthode que Carl Gustaf Mosander utilisait auparavant pour découvrir d'autres éléments des terres rares). Cleve a commencé par éliminer tous les contaminants connus d' erbia ( Er 2 O 3 ). Après un traitement supplémentaire, il a obtenu deux nouvelles substances; un marron et un vert. La substance brune était l'oxyde de l'élément holmium et a été nommée holmia par Cleve, et la substance verte était l'oxyde d'un élément inconnu. Cleve a nommé l'oxyde thulia et son élément thulium d'après Thulé , un nom de lieu grec ancien associé à la Scandinavie ou à l' Islande . Le symbole atomique de Thulium était autrefois Tu, mais il a été changé en Tm.
Le thulium était si rare qu'aucun des premiers ouvriers n'en avait assez pour le purifier suffisamment pour voir réellement la couleur verte ; ils ont dû se contenter d' observer spectroscopiquement le renforcement des deux bandes d'absorption caractéristiques, l'erbium étant progressivement éliminé. Le premier chercheur à obtenir du thulium presque pur fut Charles James , un expatrié britannique travaillant à grande échelle au New Hampshire College de Durham , aux États-Unis. En 1911, il rapporta ses résultats, ayant utilisé sa méthode découverte de cristallisation fractionnée du bromate pour effectuer la purification. Il lui fallut 15 000 opérations de purification pour établir que le matériau était homogène.
L'oxyde de thulium de haute pureté a été commercialisé pour la première fois à la fin des années 1950, à la suite de l'adoption de la technologie de séparation par échange d' ions . Lindsay Chemical Division d'American Potash & Chemical Corporation l'a proposé dans des degrés de pureté de 99 % et 99,9 %. Le prix du kilogramme oscillait entre 4 600 et 13 300 $ US dans la période 1959-1998 pour une pureté de 99,9 %, et il était le deuxième plus élevé pour les lanthanides derrière le lutétium .
Occurrence
L'élément ne se trouve jamais dans la nature sous forme pure, mais il se trouve en petites quantités dans les minéraux avec d'autres terres rares. Le thulium est souvent associé à des minéraux contenant de l' yttrium et du gadolinium . En particulier, le thulium est présent dans la gadolinite minérale . Cependant, le thulium se produit également dans les minéraux monazite , xénotime et euxenite . Le thulium n'a pas encore été trouvé en prévalence par rapport aux autres terres rares dans aucun minéral. Son abondance dans la croûte terrestre est de 0,5 mg/kg en poids et de 50 parties par milliard en moles . Le thulium représente environ 0,5 partie par million de sol , bien que cette valeur puisse aller de 0,4 à 0,8 partie par million. Le thulium représente 250 parties par quadrillion d' eau de mer . Dans le système solaire , le thulium existe en concentrations de 200 parties par billion en poids et 1 partie par billion en moles. Le minerai de thulium se trouve le plus souvent en Chine . Cependant, l' Australie , le Brésil , le Groenland , l' Inde , la Tanzanie et les États-Unis possèdent également d'importantes réserves de thulium. Les réserves totales de thulium sont d'environ 100 000 tonnes . Le thulium est le lanthanide le moins abondant sur terre à l'exception du prométhium radioactif .
Production
Le thulium est principalement extrait des minerais de monazite (~0,007 % de thulium) trouvés dans les sables des rivières, par échange d'ions . Les nouvelles techniques d'échange d'ions et d'extraction par solvant ont permis une séparation plus facile des terres rares, ce qui a entraîné des coûts beaucoup plus bas pour la production de thulium. Les principales sources aujourd'hui sont les argiles d' adsorption d' ions du sud de la Chine. Dans ceux-ci, où environ les deux tiers de la teneur totale en terres rares sont de l'yttrium, le thulium représente environ 0,5% (ou à peu près à égalité avec le lutétium pour la rareté). Le métal peut être isolé par réduction de son oxyde avec du lanthane métallique ou par réduction du calcium dans un récipient fermé. Aucun des composés naturels du thulium n'est commercialement important. Environ 50 tonnes par an d'oxyde de thulium sont produites. En 1996, l'oxyde de thulium coûtait 20 $ US le gramme et en 2005, la poudre de thulium métallique pur à 99 % coûtait 70 $ US le gramme.
Applications
Le thulium a quelques applications :
Laser
Le grenat d'aluminium et d'yttrium dopé triple Holmium - chrome -thulium (Ho:Cr:Tm:YAG, ou Ho,Cr,Tm:YAG) est un matériau laser actif à haute efficacité. Il émet à 2080 nm dans l'infrarouge et est largement utilisé dans les applications militaires, la médecine et la météorologie. Les lasers YAG à élément unique dopé au thulium (Tm:YAG) fonctionnent à 2010 nm. La longueur d'onde des lasers à base de thulium est très efficace pour l'ablation superficielle des tissus, avec une profondeur de coagulation minimale dans l'air ou dans l'eau. Cela rend les lasers au thulium attrayants pour la chirurgie au laser.
Source de rayons X
Malgré son coût élevé, les appareils à rayons X portables utilisent du thulium qui a été bombardé de neutrons dans un réacteur nucléaire pour produire l'isotope Thulium-170, ayant une demi-vie de 128,6 jours et cinq raies d'émission majeures d'intensité comparable (à 7,4, 51.354, 52.389, 59.4 et 84.253 keV). Ces sources radioactives ont une durée de vie d'environ un an, en tant qu'outils de diagnostic médical et dentaire, ainsi que pour détecter des défauts dans des composants mécaniques et électroniques inaccessibles. De telles sources n'ont pas besoin d'une radioprotection étendue – seulement une petite tasse de plomb. Ils font partie des sources de rayonnement les plus utilisées en radiographie industrielle . Le thulium-170 gagne en popularité en tant que source de rayons X pour le traitement du cancer par curiethérapie (radiothérapie à source scellée).
Autres
Le thulium a été utilisé dans les supraconducteurs à haute température de la même manière que l' yttrium . Le thulium est potentiellement utilisé dans les ferrites , des matériaux magnétiques céramiques utilisés dans les équipements à micro-ondes . Le thulium est également similaire au scandium en ce qu'il est utilisé dans l'éclairage à arc pour son spectre inhabituel, en l'occurrence ses raies d'émission vertes, qui ne sont pas couvertes par d'autres éléments. Parce que le thulium émet une fluorescence bleue lorsqu'il est exposé à la lumière ultraviolette , le thulium est mis dans les billets en euros comme mesure contre la contrefaçon . La fluorescence bleue du sulfate de calcium dopé au Tm a été utilisée dans les dosimètres personnels pour la surveillance visuelle du rayonnement. Les halogénures dopés au Tm dans lesquels Tm est dans son état de valence 2+, sont des matériaux luminescents prometteurs qui peuvent rendre possibles des fenêtres génératrices d'électricité efficaces basées sur le principe d'un concentrateur solaire luminescent .
Rôle biologique et précautions
Les sels de thulium solubles sont légèrement toxiques , mais les sels de thulium insolubles sont totalement non toxiques . Lorsqu'il est injecté, le thulium peut provoquer une dégénérescence du foie et de la rate et peut également faire fluctuer la concentration d' hémoglobine . Les dommages au foie causés par le thulium sont plus fréquents chez les souris mâles que chez les souris femelles. Malgré cela, le thulium a un faible niveau de toxicité. Chez l'homme, le thulium est présent en plus grande quantité dans le foie , les reins et les os . Les humains consomment généralement plusieurs microgrammes de thulium par an. Les racines des plantes n'absorbent pas le thulium et la matière sèche des légumes contient généralement une partie par milliard de thulium. La poussière et la poudre de thulium sont toxiques en cas d'inhalation ou d'ingestion et peuvent provoquer des explosions .
Voir également
Les références
Liens externes
- Poole, Charles P. Jr. (2004). Dictionnaire encyclopédique de la physique de la matière condensée . Presse académique. p. 1395. ISBN 978-0-08-054523-3.