Thulium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Thulium, Tm, 69
Serie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig grau
CAS-Nummer	7440-30-4
Massenanteil an der Erdhülle	0,19 ppm
Atomar
Atommasse	168,93422(2) u
Atomradius (berechnet)	175 (222) pm
Kovalenter Radius	190 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f13 6s2
1. Ionisierungsenergie	596,7 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1160 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2285 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	9,318 g/cm3 (25 °C)
Magnetismus	paramagnetisch (Χm = 0,017)
Schmelzpunkt	1818 K (1545 °C)
Siedepunkt	2223 K (1950 °C)
Molares Volumen	19,1 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	247 kJ/mol
Schmelzwärme	16,8 kJ/mol
Elektrische Leitfähigkeit	1,477 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	16,8 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	2, 3, 4
Normalpotential	−2,32 V (Tm3+ + 3 e− → Tm)
Elektronegativität	1,25 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
H- und P-Sätze	H: 228‐319‐335
	P: 210‐261‐305+351+338
	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

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.^[9] 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.^[10]

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.^[11] Charles James stellte 1911 erstmals reines Thuliumoxid durch 15.000-fache fraktionierte Kristallisation und Trennung der Bromate von Erbium, Thulium und Ytterbium dar.^[12]

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.^[13]

Vorkommen

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.^[14]

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.^[15]

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.^[16]

Gewinnung und Darstellung

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

Eigenschaften

Thulium, sublimiert dendritisch

Physikalische Eigenschaften

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

Chemische Eigenschaften

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

\mathrm {4\,Tm+3\,O_{2}\rightarrow 2\,Tm_{2}O_{3}}

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

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.^[17]

Sicherheitshinweise

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

Verbindungen

Thulium(III)-oxid Tm₂O₃
Thulium(III)-fluorid TmF₃
Thulium(III)-chlorid TmCl₃
Thulium(III)-bromid TmBr₃
Thulium(III)-iodid TmI₃
Thulium(III)-sulfat Tm₂(SO₄)₃ · 8 H₂O
Thulium(III)-nitrat Tm(NO₃)₃ · 5 H₂O

Einzelnachweise

↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Thulium) entnommen.
↑ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2 (Memento vom 3. März 2016 im Internet Archive).
↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.
↑ 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.
↑ ^7,0 ^7,1 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.
↑ ^8,0 ^8,1 Datenblatt Thulium, powder bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 26. April 2017 (PDF).
↑ Per Teodor Cleve: Sur deux nouveaux elements dans l’erbine. In: Comptes rendus. 89, 1879, S. 478–481 (Digitalisat auf Gallica).
↑ Per Teodor Cleve: Sur l’erbine. In: Comptes rendus. 89, 1879, S. 708–709 (Digitalisat auf Gallica).
↑ Per Teodor Cleve: Sur le thulium. In: Comptes rendus. 91, 1880, S. 328–329 (Digitalisat auf Gallica).
↑ C. James: THULIUM I. In: Journal of the American Chemical Society. 33, 1911, S. 1332–1344, doi:10.1021/ja02221a007.
↑ 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.
↑ 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.
↑ Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607.
↑ Harald Elsner: Kritische Versorgungslage mit schweren Seltenen Erden – Entwicklung „Grüner Technologien“ gefährdet? In: Commodity Top News. Nr. 36, 2011. (pdf)
↑ 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.