ثوليوم

النظائر

وفي السياق ذاته، تتراوح نظائر الثوليوم من  إلى. وضع الاضمحلال الأساسي قبل أكثر النظائر المستقرة وفرة، هو التقاط الإلكترون، والوضع الأساسي فيما بعد هو انبعاث بيتا. منتجات الاضمحلال الأولية من قبل  هي نظائر العنصر 68 (الإربيوم)، والمنتجات الأولية لاحقًا هي نظائر العنصر 70 (الإيتربيوم).

ومن جهة أخرى، الثوليوم 169 هو النظير البدائي الوحيد للثوليوم وهو النظير الوحيد للثوليوم الذي يُعتقد أنه مستقر؛ من المتوقع أن يخضع لاضمحلال ألفا إلى هولميوم -165 مع عمر نصفي طويل جدًا. أطول النظائر المشعة عمرا هي الثوليوم -171، الذي يبلغ نصف عمره 1.92 سنة، والثوليوم -170، الذي يبلغ عمره النصفي 128.6 يومًا. أغلب النظائر الأخرى لها فترات نصف عمر لبضع دقائق أو أقل. تم الكشف عن 35 نظيرًا و 26 أيزومرًا نوويًا للثوليوم. تتحلل أغلب نظائر الثوليوم الأخف من 169 وحدة كتلة ذرية عن طريق التقاط الإلكترون أو تحلل بيتا زائد، على الرغم من أن بعضها يُظهر انحلال ألفا أو انبعاث بروتون. تخضع النظائر الأثقل لانحلال بيتا ناقص.

الدور البيولوجي والاحتياطات

ومن ناحية أخرى، أملاح الثوليوم القابلة للذوبان سامة بشكل معتدل، لكن أملاح الثوليوم غير القابلة للذوبان غير سامة تمامًا. عند الحقن، يمكن أن يسبب الثوليوم تنكس الكبد والطحال ويمكن أن يتسبب كذلك في تذبذب تركيز الهيموجلوبين. ينتشر تلف الكبد من الثوليوم في ذكور الفئران أكثر من إناث الفئران. على الرغم من ذلك، يحتوي الثوليوم على مستوى منخفض من السمية. في البشر، يوجد الثوليوم بكميات كبيرة في الكبد والكلى والعظام. يستهلك البشر عادةً عدة ميكروجرامات من الثوليوم سنويًا. لا تمتص جذور النباتات الثوليوم، وعادة ما تحتوي المادة الجافة للخضروات على جزء واحد لكل مليار من الثوليوم. الثوليوم الغبار ومسحوق سامة على استنشاق أو ابتلاع ويمكن أن يسبب انفجارات.

آخرى

في هذا الإطار، تم استخدام الثوليوم في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية على غرار الإيتريوم. يحتمل أن يستعمل الثوليوم في الفريت والمواد المغناطيسية الخزفية المستعملة في معدات الميكروويف. يشبه الثوليوم كذلك سكانديوم من حيث أنه يستعمل في إضاءة القوس لطيفه غير المعتاد، وفي هذه الحالة، خطوط الانبعاث الخضراء، والتي لا تغطيها عناصر أخرى. لأن الثوليوم تتفلور مع اللون الأزرق عند التعرض لل أشعة فوق البنفسجية، يتم وضع الثوليوم إلى اليورو الأوراق النقدية كإجراء ضد التزوير. تم استخدام التألق الأزرق لكبريتات الكالسيوم المشبعة بـ Tm في مقاييس الجرعات الشخصية للرصد البصري للإشعاع. هاليدات (Tm-doped) حيث يكون Tm في حالة التكافؤ 2+، هي مواد إنارة واعدة يمكن أن تجعل نوافذ توليد الكهرباء فعالة بناءً على مبدأ المكثف الشمسي الإنارة، ممكنًا.

الخواص الكيميائية

من جهة ثانية، يتلاشى الثوليوم ببطء في الهواء ويحترق بسرعة عند 150 درجة مئوية لتكوين أكسيد الثوليوم (III) :

الليزر

إضافةً إلى ذلك، عقيق الإيتريوم الألومنيوم ثلاثي المنشطات هولميوم - كروم - ثوليوم (Ho: Cr: Tm: YAG، أو Ho، Cr، Tm: YAG) عبارة عن مادة ليزر متوسطة نشطة ذات كفاءة عالية. إنه يتأرجح عند 2080 نانومتر في الأشعة تحت الحمراء ويستعمل على نطاق واسع في التطبيقات العسكرية والطب والأرصاد الجوية. يعمل ليزر YAG أحادي العنصر الثوليوم (Tm: YAG) عند 2010 نانومتر. يعتبر الطول الموجي لليزر القائم على الثوليوم فعالاً للغاية في الاستئصال السطحي للأنسجة، مع الحد الأدنى من عمق التخثر في الهواء أو في الماء. هذا يجعل ليزر الثوليوم جذابًا للجراحة القائمة على الليزر.

إنتاج

التطبيقات

من جانب آخر، يُستخرج الثوليوم بشكل أساسي من خامات المونازيت (~ 0.007٪ ثوليوم) الموجود في رمال الأنهار، من خلال التبادل الأيوني. أدت تقنيات التبادل الأيوني واستخراج المذيبات الحديثة إلى فصل أسهل للعناصر الأرضية النادرة، مما أدى إلى انخفاض تكاليف إنتاج الثوليوم. المصادر الرئيسية اليوم هي طين الامتزاز الأيوني في جنوب الصين. في هذه، حيث يكون قرابة ثلثي إجمالي محتوى الأرض النادرة هو الإيتريوم، يكون الثوليوم نحو 0.5 ٪ (أو على وجه التقريب مرتبط باللوتيتيوم من أجل الندرة). يمكن عزل المعدن عن طريق اختزال أكسيده بمعدن اللانثانم أو عن طريق تقليل الكالسيوم في حاوية مغلقة. لا تعتبر أي من مركبات الثوليوم الطبيعية ذات أهمية تجارية. يتم إنتاج ما يقرب من 50 طنًا من أكسيد الثوليوم سنويًا. في عام 1996، كان أكسيد الثوليوم يكلف 20 دولارًا أمريكيًا للجرام الواحد، وفي سنة 2005، تكلف 99 ٪ من مسحوق معدن الثوليوم النقي 70 دولارًا أمريكيًا للجرام.

مصدر الأشعة السينية

وفي هذا السياق، على الرغم من تكلفتها العالية، تستعمل أجهزة الأشعة السينية المحمولة الثوليوم الذي تم قصفه بالنيوترونات في مفاعل نووي لإنتاج نظير ثوليوم-170، بعمر نصف يبلغ 128.6 يومًا وخمسة خطوط انبعاث رئيسية ذات كثافة مماثلة (عند 7.4، 51.354 و 52.389 و 59.4 و 84.253 كيلو فولت). هذه المصادر المشعة لها عمر مفيد يبلغ قرابة عام واحد، كأدوات في التشخيص الطبي وطب الأسنان، وكذلك للكشف عن العيوب في المكونات الميكانيكية والإلكترونية التي يتعذر الوصول إليها. لا تحتاج هذه المصادر إلى حماية واسعة من الإشعاع - فقط كوب صغير من الرصاص. وهي من بين أكثر مصادر الإشعاع شيوعًا للاستخدام في التصوير الشعاعي الصناعي. يكتسب الثوليوم -170 شعبية كمصدر للأشعة السينية لعلاج السرطان عن طريق المعالجة الكثبية (العلاج الإشعاعي المختوم المصدر).

حقيقة

في هذا الإطار، لا يوجد العنصر أبدًا في الطبيعة في شكل نقي، ولكنه يوجد بكميات صغيرة في المعادن ذات العناصر الأرضية النادرة الأخرى. غالبًا ما يوجد الثوليوم مع المعادن التي تحتوي على الإيتريوم والجادولينيوم. على وجه الخصوص، يحدث الثوليوم في معدن الجادولينيت. ومع ذلك، يوجد الثوليوم كذلك في معادن المونازيت والزينوتيم والأوكسينيت. لم يتم العثور على الثوليوم منتشرًا على العناصر الأرضية النادرة الأخرى في أي معدن حتى الآن. وفرتها في القشرة الأرضية 0.5 مجم / كجم بالوزن و 50 جزء من المليار بالمول. يشكل الثوليوم نحو 0.5 جزء في المليون من التربة، على الرغم من أن هذه القيمة يمكن أن تتراوح من 0.4 إلى 0.8 جزء في المليون. يشكل الثوليوم 250 جزءًا لكل كوادريليون من مياه البحر. في النظام الشمسي، يوجد الثوليوم بتركيزات 200 جزء لكل تريليون بالوزن و 1 جزء لكل تريليون بالمولات. يحدث خام الثوليوم بشكل شائع في الصين. ومع ذلك، تمتلك أستراليا والبرازيل وغرينلاند والهند وتنزانيا والولايات المتحدة كذلك احتياطيات كبيرة من الثوليوم. إجمالي احتياطيات الثوليوم نحو 100000 طن. الثوليوم هو اللانثانيد الأقل وفرة على الأرض باستثناء البروميثيوم المشع.

تاريخ

في هذا الإطار، كان الثوليوم نادرًا جدًا بحيث لم يكن لدى أي من العمال الأوائل ما يكفي منه لتنقية كافية لرؤية اللون الأخضر بالفعل؛ كان عليهم أن يكتفوا بالمراقبة الطيفية لتقوية نطاقي الامتصاص المميزين، حيث تمت إزالة الإربيوم تدريجياً. كان تشارلز جيمس أول باحث حصل على الثوليوم النقي على وجه التقريب، وهو بريطاني مغترب يعمل على نطاق واسع في كلية نيو هامبشاير في دورهام بالولايات المتحدة الأمريكية. في سنة 1911 أبلغ عن نتائجه، بعد أن استعمل طريقته المكتشفة في التبلور الجزئي للبرومات للقيام بالتنقية. اشتهر بحاجته إلى 15000 عملية تنقية لإثبات أن المادة كانت متجانسة.

كذلك، اكتشف الكيميائي السويدي بير تيودور كليف الثوليوم في عام 1879 من خلال البحث عن الشوائب في أكاسيد العناصر الأرضية النادرة الأخرى (كانت هذه هي نفس الطريقة التي استعملها كارل جوستاف موساندر سابقًا لاكتشاف بعض العناصر الأرضية النادرة الأخرى). بدأ كليف بإزالة جميع ملوثات أكسيد الإربيوم الثلاثي. عند المعالجة الإضافية، حصل على مادتين جديدتين؛ واحد بني والآخر أخضر. كانت المادة البنية هي أكسيد عنصر الهولميوم وأطلق عليها كليف اسم هولميوم، وكانت المادة الخضراء هي أكسيد عنصر غير معروف. أطلق كليف على أكسيد ثوليا وعنصره ثوليوم نسبة إلى ثول، وهو اسم مكان يوناني قديم مرتبط بالدول الاسكندنافية أو آيسلندا. كان الرمز الذري للثوليوم هو Tu، ولكن تم تغييره إلى Tm.

وفي هذا السياق، تم تقديم أكسيد الثوليوم عالي النقاء لأول مرة تجاريًا في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، نتيجة لاعتماد تقنية فصل التبادل الأيوني. قدم قسم ليندسي الكيميائي التابع لشركة شركة البوتاس والكيماويات الأمريكية درجات نقاء 99٪ و 99.9٪. تذبذب سعر الكيلوغرام بين 4600 دولار أمريكي و 13300 دولار أمريكي في الفترة من 1959 إلى 1998 مقابل 99.9٪ من النقاوة، وكان ثاني أعلى سعر لللانثانيدات بعد اللوتيتيوم.

4Tm + 3O2 → 2Tm2O3

كذلك، يذوب الثوليوم بسهولة في حمض الكبريتيك المخفف لتشكيل محاليل تحتوي على أيونات Tm (III) الخضراء الباهتة، والتي توجد على شكل  مجمعات:

2Tm(s) + 6 H2O(l) → 2Tm(OH)3(aq) + 3H2(g)

وفي هذا الصدد، يتفاعل الثوليوم مع كلوريد الهيدروجين لإنتاج غاز الهيدروجين وكلوريد الثوليوم. مع حامض النيتريك ينتج نترات الثوليوم، أو.

2Tm(s) + 3H2SO4(aq) → 2Tm3+(aq) + 3SO2−4(aq) + 3H2(aq)

من جانب آخر، يتفاعل الثوليوم مع جميع الهالوجينات. تكون التفاعلات بطيئة في درجة حرارة الغرفة، لكنها قوية فوق 200 درجة مئوية:

• 2Tm(s) + 3F2(g) → 2TmF3(s) (أبيض)
• 2Tm(s) + 3Cl2(g) → 2TmCl3(s) (أصفر)
• 2Tm(s) + 3Br2(g) → 2TmBr3(s) (أبيض)
• 2Tm(s) + 3I2(g) → 2TmI3(s) (أضفر)

من جهة ثانية، يتفاعل الثوليوم مع عناصر معدنية وغير معدنية مختلفة مكونة مجموعة من المركبات الثنائية، بما في ذلك، ، ، ، ،  و.  في تلك المركبات، يُظهر الثوليوم حالات تكافؤ +2 و +3، ومع ذلك، فإن حالة +3 هي الأكثر شيوعًا وقد لوحظت هذه الحالة فقط في محاليل الثوليوم. يوجد الثوليوم كأيون في المحلول. في هذه الحالة، يكون أيون الثوليوم محاطًا بتسعة جزيئات من الماء. تعرض أيونات Tm 3+ لمعانًا أزرقًا ساطعًا.

وفي هذا السياق، أكسيد الثوليوم الوحيد المعروف هو أكسيد الثوليوم . يسمى هذا الأكسيد أحيانًا «ثوليا». يمكن صنع مركبات الثوليوم الأرجواني المحمر (II) عن طريق تقليل مركبات الثوليوم (III). تتضمن أمثلة مركبات الثوليوم (II) الهاليدات (باستثناء الفلورايد). بعض مركبات الثوليوم المميهة مثل  و  أخضر أو أبيض مخضر. يتفاعل ثنائي كلوريد الثوليوم بشدة مع الماء. ينتج عن هذا التفاعل غاز الهيدروجين و هيدروكسيد الثوليوم لونًا باهتًا ضارب إلى الحمرة.  مزيج من الثوليوم والكالكوجين ينتج عنه كالكوجينيد الثوليوم.

من جانب آخر، الثوليوم هو تماما كهربي ويتفاعل ببطء مع الماء البارد وبسرعة مع الماء الساخن لتشكيل الثوليوم هيدروكسيد:

الخصائص الفيزيائية

في هذا الإطار، يحتوي الثوليوم على اثنين من التآصلات الرئيسية: رباعي الزوايا α-Tm والأكثر استقرارًا سداسيًا β-Tm.

من جانب آخر، يحتوي معدن الثوليوم النقي على بريق فضي لامع يتلوه عند التعرض للهواء. يمكن قطع المعدن بسكين، حيث أن صلابة موس تتراوح من 2 إلى 3 ؛ إنه مرن ومرن. الثوليوم مغنطيسي مغناطيسي أقل من 32 K، مضاد مغناطيسي بين 32 و 56 K، والمغناطيسية فوق 56 K.