(Thulium)是第69號(hào)元素，元素符號(hào)Tm，位于第六周期IIIB族，屬鑭[lán]系、稀土金屬，原子量為168.93421，電子排布為[Xe]4f136s2。銩具有明亮的銀白色金屬光澤，質(zhì)軟，具有可塑性與延展性。銩可燃，在干燥空氣中耐腐蝕性能較強(qiáng)。銩不溶于水，溶于濃酸，在空氣中易被氧化而失去光澤，還能與鹵族元素、水等反應(yīng)。銩最主要的用途是作為激光，可在醫(yī)療領(lǐng)域中用于手術(shù)中人體組織的切割，在激光雷達(dá)、遙感測(cè)距領(lǐng)域中用作距離測(cè)量裝置的光源，在材料加工領(lǐng)域中用于材料的切割、焊接和雕刻等。此外，銩還可摻雜到光觸媒中用于有機(jī)污染物的處理等。
發(fā)現(xiàn)歷史
1879年，烏普薩拉大學(xué)（University of Uppsala）的佩爾·特奧多·克里夫（Per Theodor Cleve）在從鉺礦中分離出淡綠色的銩的氧化物時(shí)發(fā)現(xiàn)了銩元素。他根據(jù)斯堪的納維亞半島最早的名字“Thule”命名了該元素?？死锓蚴褂昧伺c卡爾·古斯塔夫·莫桑德（Carl Gustaf Mosander）發(fā)現(xiàn)鑭、鉺和鋱[tè]相同的方法，即在其他ree的氧化物中尋找未知的雜質(zhì)。他從鉺的氧化物Er?O?入手，去除所有已知雜質(zhì)后，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工，得到了兩種新的物質(zhì)，一種為棕色，一種為綠色。克里夫?qū)⒆厣镔|(zhì)命名為holmia，為元素鈥[huǒ]的氧化物，綠色物質(zhì)命名為thulia，即元素銩的氧化物。
1911年，化學(xué)家查爾斯·詹姆斯（Charles James）首次將銩的氧化物分離出來(lái)。同年，美國(guó)化學(xué)家西奧多·理查茲（Theodore William Richards）進(jìn)行了15000余次溴酸銩重結(jié)晶，以獲得絕對(duì)純的銩元素樣品，并精確地測(cè)定了其原子量。隨后在1914年，理查茲因測(cè)定了大量元素的原子量而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
天然來(lái)源
銩是已知被發(fā)現(xiàn)的量非常少，最不豐富的鑭系金屬之一，常與其他ree共存于天然礦物中。獨(dú)居石含稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般達(dá)50%，銩的主要礦物來(lái)源是獨(dú)居石礦，常見(jiàn)于印度和巴西的河沙及佛羅里達(dá)海濱沙中，銩在獨(dú)居石礦中的含量約為0.007％。此外，磷灰石中也有微量的銩，許多富釔礦物中也有銩的存在，如磷釔礦、黑稀金礦、鈮釔礦、硅鈹釔礦、鈰鈮鈣鈦礦、褐釔鈮礦和直碳鈣釔[yǐ]礦等。銩的地殼豐度約為5.2x10?1 mg/kg，海洋豐度約為1.7x10?? mg/L。
結(jié)構(gòu)
銩的核外電子排布為1s22s22p?3s23p?3d1?4s24p?4d1?4f135s25p?6s2，簡(jiǎn)寫(xiě)為[Xe]4f136s2。其核外電子排布如下圖所示。銩為金屬晶體，其晶體結(jié)構(gòu)為六方最密堆積，屬P63/mmc空間群，其晶胞參數(shù)為a=b=353.75 pm，c=555.46 pm；α=β=90°，γ=120 °。晶體結(jié)構(gòu)如下圖所示。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
銩為有明亮銀白色光澤的金屬，質(zhì)軟，具有可塑性、延展性和揮發(fā)性。銩不溶于水，其原子量為168.93，密度為9.321 g/cm3(25 ℃)，熔點(diǎn)為1545 ℃，沸點(diǎn)為1947 ℃，電離能為6.184 eV，電負(fù)性為1.25(鮑林標(biāo)度)，熔化熱為16.8 KJ/摩爾，汽化熱為250 KJ/mol，比熱容為160 J/(千克K)，布氏硬度為471 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為17 W/(m·K)。銩還具有磁性，其在臨界溫度32 K以下時(shí)具有鐵磁性，在51 K以上時(shí)具有順磁性，低于51 K時(shí)具有反鐵磁性。其質(zhì)量磁化率為1.99×10?? 立方米/kg，摩爾磁化率為3.36179×10 m3/mol，體積磁化率為0.0185488。
化學(xué)性質(zhì)
銩易溶于酸，在空氣中易被氧化而失去光澤，還能與鹵族元素、水等物質(zhì)反應(yīng)。銩可燃，在干燥空氣中耐腐蝕性能較強(qiáng)。
與酸反應(yīng)
銩易溶于硫酸，形成淡綠色的三價(jià)銩離子并放出氫氣。反應(yīng)方程式如下：
與氧氣反應(yīng)
銩易在空氣中被緩慢氧化為三氧化二銩，150 ℃時(shí)可燃燒。反應(yīng)方程式如下：
與鹵素反應(yīng)
銩可與所有的鹵素單質(zhì)反應(yīng)，形成相應(yīng)的銩鹵化物。反應(yīng)方程式如下：
與水反應(yīng)
銩與冷水反應(yīng)緩慢，與熱水反應(yīng)迅速，形成氫氧化銩并放出氫氣。反應(yīng)方程式如下：
化合物
銩的常見(jiàn)二氧化鈦為+2和+3，+3價(jià)的銩鹽為綠色，有Tm?O?、Tm?S?、Tm?(SO?)?、Tm?(C?O?)?、TmF?、TmCl?、TmCl?·7H?O、TmBr?、TmI?等；+2價(jià)的銩鹽為磚紅色，有TmCl?、TmI?等。銩的氧化物、氯化物和硫化物易溶于水和酸，并能與某些物質(zhì)反應(yīng)形成穩(wěn)定的配位化合物。Tm3?離子在紫外和可見(jiàn)光譜區(qū)有不連續(xù)的吸收帶，可用于銩的光譜定量分析，Tm2?離子有強(qiáng)順磁性，在水中不穩(wěn)定。
同位素
銩只有一種穩(wěn)定的天然同位素，即1??Tm(100%)，還有質(zhì)量范圍為146-168、170-176的30余種放射性同位素。其中最穩(wěn)定的為1?1Tm，半衰期約1.92年，1??Tm約為128.6天，1??Tm約為93.1天，1??Tm約為9.25天。所有剩下的放射性同位素的半衰期都小于64小時(shí)，其中大多數(shù)都小于2分鐘。
銩同位素的原子量在145.966u(1??Tm)到176.949u(1??Tm)之間。1??Tm之前的主要衰變模式是電子俘獲，主要衰變產(chǎn)物是68號(hào)元素餌的同位素，1??Tm之后的主要衰變模式是β發(fā)射，主要衰變產(chǎn)物是70號(hào)元素的同位素。
制備方法
銩通常以銩--鐿富集物為原料，由選擇性還原法與萃取色層法制得。銩-镥-鐿富集物是風(fēng)化殼淋積型稀土礦經(jīng)簡(jiǎn)單萃取分離后得到的副產(chǎn)品，主要含有銩、鐿、镥、餌及少量或微量其他ree和非稀土元素。
選擇性還原法
銩可由選擇性還原法制得。以銩-镥-鐿富集物為原料，金屬鑭為還原劑，在特制的反應(yīng)裝置中，采用選擇性還原的方法，通過(guò)控制反應(yīng)的物理化學(xué)條件來(lái)制備金屬銩。將高溫焙燒后的銩-镥-鐿富集物與金屬鑭屑混合均勻，壓制后置于堝內(nèi)，經(jīng)降壓、升溫、冷卻后即可在接收器中可得到金屬銩，其反應(yīng)方程式與裝置圖如下：
萃取色層法
銩可由萃取色層法制得。以銩-鐿-镥富集物為原料，采用Cyanex272萃取劑浸漬制得實(shí)驗(yàn)所需的浸漬沒(méi)藥樹(shù)，將樹(shù)脂裝填于色層柱中，以鹽酸為淋洗液，對(duì)銩-鐿-镥富集物進(jìn)行梯度淋洗，控制酸度、流速和溫度等參數(shù)，即可將銩分離出來(lái)。除采用Cyanex272萃取劑外，還可采用5709萃取劑、Cyanex272-P???協(xié)同萃取劑等用于樹(shù)脂的制備。
應(yīng)用領(lǐng)域
醫(yī)療領(lǐng)域
銩激光可用于治療泌尿系統(tǒng)良性前列腺增生癥(BPH)、膀胱腫瘤、腎盂癌和輸尿管癌、尿道狹窄、腎部分切除等；在婦科學(xué)可以用于宮頸癌和濕疣的治療；消化科可以進(jìn)行胃癌根治術(shù)、全胃切除術(shù)、遠(yuǎn)端胃大部分切除術(shù)、食管癌根治術(shù)；胸肺科用于肺結(jié)節(jié)切除術(shù)、支氣管內(nèi)膜切除、取支氣管合金支架。其中泌尿科是銩激光應(yīng)用最成熟的科室，銩激光主要的優(yōu)勢(shì)在于其物理特性和其可以選擇連續(xù)波或脈沖波模式。連續(xù)波模式切割效率較高，主要適用于前列腺手術(shù)；脈沖模式主要適用于輸尿管狹窄和尿道狹窄切開(kāi)等精細(xì)的操作。
激光雷達(dá)、遙感測(cè)距領(lǐng)域
銩激光可在遠(yuǎn)距離測(cè)量裝置中用作光源。2 μm銩激光安全使用的功率更高，提高了裝置的有效工作距離。其激光線寬更窄，測(cè)量精度更高，對(duì)煙霧的穿透能力更強(qiáng)，尤其適合戰(zhàn)場(chǎng)硝煙及濕氣較重的惡劣自然環(huán)境，對(duì)目標(biāo)與背景有較高的對(duì)比度，測(cè)距能力更強(qiáng)。因此銩激光可用于激光雷達(dá)、遙感測(cè)距、自由空間通信、遠(yuǎn)距離大氣空間傳輸?shù)阮I(lǐng)域。
材料加工領(lǐng)域
銩激光常用于材料加工領(lǐng)域。大部分透明有機(jī)材料對(duì)2 μm銩激光器有足夠充分的吸收，因此可以直接使用銩激光應(yīng)用于透明材料的切割、焊接、雕刻等加工。高功率全固態(tài)銩激光器技術(shù)可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、航空、鐵路等相關(guān)的材料加工領(lǐng)域。
水處理領(lǐng)域
銩可用于水處理領(lǐng)域。在處理廢水中的有機(jī)污染物時(shí)，采用光催化法能高效、徹底的將其降解。將銩離子摻入光觸媒中，利用稀土離子的上轉(zhuǎn)換光性能，將太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光或遠(yuǎn)紅外線轉(zhuǎn)換成光催化劑可利用的紫外光，從而提高光催化劑對(duì)太陽(yáng)光的利用率，為高效、大規(guī)模的廢水處理提供了更多可能性。
其他應(yīng)用
除上述應(yīng)用外，銩還可用于制備高溫超導(dǎo)體、像鈧一樣應(yīng)用于弧光燈照明方面（使用銩的弧光燈發(fā)出的綠色光線不會(huì)被其他元素的發(fā)射線覆蓋）、摻雜于陶瓷材料中以提高其性能。由于三價(jià)銩在紫外光照射下可發(fā)出藍(lán)色熒光，所以被用作歐元紙幣的防偽標(biāo)志之一。銩的同位素1??Tm可在核反應(yīng)堆中進(jìn)行轟擊，反應(yīng)產(chǎn)生1??Tm并發(fā)射X射線，所以可在便攜式X射線設(shè)備中用作輻射源。1??Tm還可應(yīng)用于高劑量率近距離放射治療和中等大小關(guān)節(jié)的滑膜切除術(shù)等。此外，1??Tm可用于腫瘤和骨骼研究，1?1Tm是一種潛在能源。
檢測(cè)方法
銩可由電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法、萃取色譜分離﹣原子發(fā)射光譜法、偏導(dǎo)數(shù)熒光分析法和原子吸收分光光度法等進(jìn)行檢測(cè)。
安全事宜
銩已知沒(méi)有生物學(xué)作用，盡管少量的銩能刺激新陳代謝，可溶性銩鹽具有輕微的毒性，但不溶性銩鹽是無(wú)毒的。注入銩鹽溶液會(huì)引起肝臟和脾臟的退化和血紅蛋白含量的波動(dòng)。人體的肝臟、腎臟和骨骼中有微量的銩（準(zhǔn)確含量仍屬未知），并且人類(lèi)通常每年要消耗幾微克的銩。植物的根不吸收銩，蔬菜的干物質(zhì)中通常含有十億分之一的銩。此外，銩具有可燃性與刺激性，其粉末吸入或攝入是有毒的，并可引起爆炸。
參考資料 >
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