Thulium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Thulium, Tm, 69
Elementkategorie Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block La, 6, f
Aussehen silbrig grau
CAS-Nummer

7440-30-4

EG-Nummer 231-140-2
ECHA-InfoCard 100.028.309
Massenanteil an der Erdhülle 0,19 ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse 168,934218(6)[3] u
Atomradius (berechnet) 175 (222) pm
Kovalenter Radius 190 pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f13 6s2
1. Ionisierungsenergie 6.18431(6) eV[4] ≈ 596.7 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 12.065(20) eV[4] ≈ 1164.1 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 23.66(3) eV[4] ≈ 2280 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 42.41(4) eV[4] ≈ 4090 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 65.4(3) eV[4] ≈ 6310 kJ/mol[5]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 9,318 g/cm3 (25 °C)[6]
Magnetismus paramagnetisch (χm = 0,017)[7]
Schmelzpunkt 1818 K (1545 °C)
Siedepunkt 2223 K[8] (1950 °C)
Molares Volumen 19,1 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 247 kJ·mol−1[8]
Schmelzenthalpie 16,8 kJ·mol−1
Elektrische Leitfähigkeit 1,477 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 16,8 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände +2, +3, +4
Normalpotential −2,32 V (Tm3+ + 3 e− → Tm)
Elektronegativität 1,25 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
167Tm {syn.} 9,25 d ε 0,748 167Er
168Tm {syn.} 93,1 d ε 0,257 168Er
169Tm 100 % Stabil
170Tm {syn.} 128,6 d β− 0,314 170Yb
171Tm {syn.} 1,92 a β− 1,880 171Yb
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[9]

Pulver

Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228​‐​319​‐​335
P: 210​‐​261​‐​305+351+338[9]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Thulium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Tm und der Ordnungszahl 69. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden.

Geschichte

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Die Entdeckung des Thuliums erfolgte im Zuge der genaueren Untersuchungen des Gadolinits und der daraus isolierbaren Elemente. Carl Gustav Mosander und anderen gelang es zunächst, Gadolinit in Erbinerde (Erbiumoxid), Terbinerde (Terbiumoxid) und Yttererde (Yttriumoxid) zu trennen. Die Erbinerde stellte sich bald darauf ebenfalls als Gemisch heraus, als zunächst durch Jean Charles Galissard de Marignac das Ytterbium, dann durch Lars Fredrik Nilson das Scandium abgetrennt werden konnte.

1879 stellte Per Teodor Cleve durch Vergleich von Absorptionsspektren verschiedener Proben, die beim Trennen von Erbium und Ytterbium entstanden waren, fest, dass diese bestimmte Absorptionsbanden in unterschiedlicher Stärke enthielten, also weitere Elemente enthalten sein müssten. Er identifizierte zwei Elemente, die er Holmium und Thulium nannte. Die charakteristische Absorptionsbande des Thuliums lag dabei bei 684 nm. Der Name Thulium wurde nach einem alten Namen von Skandinavien gewählt.[10] Zwar hatte Jacques-Louis Soret schon vor Cleve die Absorptionsbanden für Thulium und Holmium entdeckt, jedoch nur ein neues Element („X“ genannt), das dem Holmium entsprach, identifiziert.[11]

Nach seiner Entdeckung des Thuliums versuchte Cleve 1880, reines Thuliumoxid zu erhalten, er konnte dieses jedoch nicht vollständig von Ytterbium trennen und daher nur eine ungefähre Atommasse bestimmen.[12] Charles James stellte 1911 erstmals reines Thuliumoxid durch Trennung der Bromate von Erbium, Thulium und Ytterbium dar.[13]

Elementares Thulium wurde erstmals 1936 von Wilhelm Klemm und Heinrich Bommer erhalten. Sie gewannen das Metall durch Reduktion von Thulium(III)-chlorid mit Kalium bei 250 °C. Weiterhin bestimmten sie die Kristallstruktur und die magnetischen Eigenschaften des Metalls.[14]

Vorkommen

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Thulium ist auf der Erde ein seltenes Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 0,52 ppm. Es ist damit abgesehen vom instabilen Promethium das seltenste Lanthanoid. Thulium ist jedoch häufiger als Elemente wie Iod oder Silber.[15]

Das Element kommt ausschließlich als Nebenbestandteil von verschiedenen Seltenerd-Mineralen, insbesondere von Yttererden der schweren Lanthanoide vor. So enthält Monazit je nach Vorkommen 0,01–0,51 % Thulium, Xenotim bis zu 0,9 % des Elementes. Minerale mit dem Hauptbestandteil Thulium oder natürliches elementares Thulium sind nicht bekannt.[16]

Thulium ist zwar nur sehr aufwändig und teuer herzustellen, wird jedoch auch nur in sehr geringen Mengen eingesetzt. Darum wird die Versorgung mit Thulium nicht als kritisch angesehen.[17]

Gewinnung und Darstellung

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Nach einer aufwändigen Abtrennung der anderen Thuliumbegleiter wird das Oxid mit Lanthan zum metallischen Thulium reduziert. Anschließend wird das Thulium absublimiert.

Eigenschaften

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Thulium, sublimiert dendritisch

Physikalische Eigenschaften

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Das silbergraue Metall der seltenen Erden ist sehr weich, gut dehnbar und schmiedbar.

Chemische Eigenschaften

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In trockener Luft ist Thulium recht beständig, in feuchter Luft läuft es grau an. Bei höheren Temperaturen verbrennt es zum Sesquioxid.

Mit Wasser reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von Wasserstoff auf.

In seinen Verbindungen liegt es in der Oxidationsstufe +3 vor, die Tm3+-Kationen bilden in Wasser pastell-bläulich-grüne Lösungen.

Verwendung

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Thulium ist das seltenste Metall der seltenen Erden, kommt aber in der Erdkruste immer noch häufiger vor als Gold oder Platin. Neben einer minimalen Verwendung in Fernsehgeräten (zur Aktivierung der Leuchtstoffe auf der Bildschirmfläche) gibt es nur wenige kommerzielle Anwendungen:

  • Aus Nuklearreaktoren ausgelagertes 170Tm dient als Röntgenstrahlungsquelle (Gammastrahler in der Materialprüfung)
  • Thuliumdotiertes Yttriumtantalat oder Lanthanoxybromid (LaOBr) dient als Szintillator in Röntgenverstärkerfolien oder Leuchtschirmen in der Röntgentechnik
  • Thuliumdotiertes Calciumsulfat dient als Detektor in Personendosimetern zur Messung niedriger Strahlendosen
  • Thuliumkristalle können als aktives Medium in diodengepumpten Festkörperlasern (Wellenlänge 2 µm) mit einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 10 % bei maximal 60 W Lichtleistung verwendet werden.
  • Thuliumdotiertes Kieselglas als aktives Medium in Faserlasern (Wellenlänge 2 µm) wurde mit einem differentiellen Wirkungsgrad von 53,2 % bei einer Leistung > 1000 W betrieben.[18] Es werden Pulsspitzenleistungen von bis zu 2 GW erreicht.[19]
  • Verwendung findet es auch in Lasergeräten, die als chirurgische Skalpelle dienen (Urologie, Stein- und die Prostatabehandlung)[20]

Sicherheitshinweise

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Thulium und Thuliumverbindungen sind gering toxisch. Thuliumstäube sind feuer- und explosionsgefährlich.

Verbindungen

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Commons: Thulium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Thulium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  • Eintrag zu Thulium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.

Einzelnachweise

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  1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Thulium) entnommen.
  3. ↑ IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights: Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. In: Chemistry International. 40, 2018, S. 23, doi:10.1515/ci-2018-0409.
  4. ↑ a b c d e Eintrag zu thulium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 13. Juni 2020.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu thulium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 13. Juni 2020.
  6. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.
  7. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  8. ↑ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  9. ↑ a b Datenblatt Thulium, powder bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 26. April 2017 (PDF).
  10. ↑ Per Teodor Cleve: Sur deux nouveaux elements dans l’erbine. In: Comptes rendus. 89, 1879, S. 478–481 (Digitalisat auf Gallica).
  11. ↑ Per Teodor Cleve: Sur l’erbine. In: Comptes rendus. 89, 1879, S. 708–709 (Digitalisat auf Gallica).
  12. ↑ Per Teodor Cleve: Sur le thulium. In: Comptes rendus. 91, 1880, S. 328–329 (Digitalisat auf Gallica).
  13. ↑ C. James: THULIUM I. In: Journal of the American Chemical Society. 33, 1911, S. 1332–1344, doi:10.1021/ja02221a007.
  14. ↑ W. Klemm, H. Bommer: Zur Kenntnis der Metalle der seltenen Erden. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 231, 1937, S. 138–171, doi:10.1002/zaac.19372310115.
  15. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea, S. 14-18.
  16. ↑ Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607.
  17. ↑ Harald Elsner: Kritische Versorgungslage mit schweren Seltenen Erden – Entwicklung „Grüner Technologien“ gefährdet? In: Commodity Top News. Nr. 36, 2011. (pdf)
  18. ↑ Thomas Ehrenreich, Ryan Leveille, Imtiaz Majid, Kanishka Tankala, Glen Rines, Peter Moulton: 1-kW, All-Glass Tm:fiber Laser. SPIE Photonics West 2010: LASE Fiber Lasers VII: Technology, Systems, and Applications, Conference 7580, Session 16: Late-Breaking News, January 28, 2010.
  19. ↑ Jenaer Laserphysiker verzehnfachen Pulsspitzenleistung Thulium‐basierter Ultrakurzpusfaserlaser und erhalten Preis auf US‐amerikanischer Konferenz
  20. ↑ Hintermaier-Erhard, Gerd: Alles ist Chemie! : die chemischen Elemente und wie wir sie nutzen. München 2017, ISBN 978-3-8310-3339-3.
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