El tulio es un elemento químico de número atómico 69 y símbolo Tm . Es el decimotercer elemento de la serie de los metales lantánidos . Es el segundo lantánido menos abundante en la corteza terrestre, después del prometio , que es radiactivamente inestable . Es un metal fácilmente trabajable con un lustre gris plateado brillante. Es bastante blando y se empaña lentamente en el aire. A pesar de su alto precio y rareza, el tulio se utiliza como dopante en láseres de estado sólido y como fuente de radiación en algunos dispositivos portátiles de rayos X. No tiene un papel biológico significativo y no es particularmente tóxico.
En 1879, el químico sueco Per Teodor Cleve separó dos componentes hasta entonces desconocidos, a los que llamó holmia y tulia , del mineral de tierras raras erbia ; se trataba de los óxidos de holmio y tulio, respectivamente. En 1911 se obtuvo por primera vez una muestra relativamente pura de tulio metálico.
Al igual que los demás lantánidos, su estado de oxidación más común es el +3, que se observa en sus óxidos, haluros y otros compuestos. En solución acuosa , al igual que los compuestos de otros lantánidos tardíos, los compuestos solubles de tulio forman complejos de coordinación con nueve moléculas de agua.
El tulio metálico puro tiene un lustre plateado brillante que se empaña con la exposición al aire. El metal se puede cortar con un cuchillo, [9] ya que tiene una dureza de Mohs de 2 a 3; es maleable y dúctil. [10] El tulio es ferromagnético por debajo de 32 K, antiferromagnético entre 32 y 56 K, y paramagnético por encima de 56 K. [11]
El tulio tiene dos alótropos principales : el tetragonal α-Tm y el hexagonal más estable β-Tm. [10]
El tulio se empaña lentamente en el aire y arde fácilmente a 150 °C para formar óxido de tulio (III) : [12]
El tulio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de tulio:
El tulio reacciona con todos los halógenos . Las reacciones son lentas a temperatura ambiente, pero intensas por encima de los 200 °C:
El tulio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones Tm(III) de color verde pálido, que existen como complejos [Tm(OH 2 ) 9 ] 3+ : [13]
El tulio reacciona con varios elementos metálicos y no metálicos formando una gama de compuestos binarios, incluyendo TmN , TmS , TmC 2 , Tm 2 C 3 , TmH 2 , TmH 3 , TmSi 2 , TmGe 3 , TmB 4 , TmB 6 y TmB 12 . [ cita requerida ] Como la mayoría de los lantánidos, el estado +3 es el más común y es el único estado observado en soluciones de tulio. [14] El tulio existe como un ion Tm 3+ en solución. En este estado, el ion tulio está rodeado por nueve moléculas de agua. [9] Los iones Tm 3+ exhiben una luminiscencia azul brillante. [9] Debido a que ocurre tarde en la serie , el estado de oxidación +2 también puede existir, estabilizado por la capa de electrones 4f casi completa , pero ocurre solo en sólidos. [ cita requerida ]
El único óxido conocido de tulio es el Tm2O3 . Este óxido a veces se denomina "thulia". [ 15] Los compuestos de tulio(II) de color púrpura rojizo se pueden obtener mediante la reducción de compuestos de tulio(III). Los ejemplos de compuestos de tulio(II) incluyen los haluros (excepto el fluoruro). Algunos compuestos de tulio hidratados, como el TmCl3 · 7H2O y el Tm2 ( C2O4 ) 3 · 6H2O son verdes o de color blanco verdoso. [ 16] El dicloruro de tulio reacciona muy vigorosamente con el agua . Esta reacción da como resultado gas hidrógeno y Tm (OH) 3, que exhibe un color rojizo que se desvanece. [ cita requerida ] La combinación de tulio y calcógenos da como resultado calcogenuros de tulio . [17]
El tulio reacciona con cloruro de hidrógeno para producir gas hidrógeno y cloruro de tulio. Con ácido nítrico produce nitrato de tulio o Tm(NO 3 ) 3 . [18]
Los isótopos del tulio varían de 144 Tm a 183 Tm . [8] [19] El modo de desintegración primario antes del isótopo estable más abundante, 169 Tm , es la captura de electrones , y el modo primario después es la emisión beta . Los productos de desintegración primarios antes de 169 Tm son isótopos del elemento 68 ( erbio ), y los productos primarios después son isótopos del elemento 70 ( iterbio ). [20]
El tulio-169 es el único isótopo primordial del tulio y es el único isótopo del tulio que se piensa que es estable; se predice que sufre una desintegración alfa a holmio -165 con una vida media muy larga. [9] [21] Los radioisótopos de vida más larga son el tulio-171, que tiene una vida media de 1,92 años, y el tulio-170 , que tiene una vida media de 128,6 días. La mayoría de los demás isótopos tienen vidas medias de unos pocos minutos o menos. [22] En total, se han detectado 40 isótopos y 26 isómeros nucleares del tulio. [9] La mayoría de los isótopos de tulio más ligeros que 169 unidades de masa atómica se desintegran mediante captura de electrones o desintegración beta-plus , aunque algunos exhiben una desintegración alfa significativa o emisión de protones . Los isótopos más pesados sufren una desintegración beta-minus . [22]
El químico sueco Per Teodor Cleve descubrió el tulio en 1879 al buscar impurezas en los óxidos de otros elementos de tierras raras (este fue el mismo método que Carl Gustaf Mosander utilizó anteriormente para descubrir algunos otros elementos de tierras raras). [ 23] Cleve comenzó eliminando todos los contaminantes conocidos del erbio ( Er2O3 ) . Tras un procesamiento adicional, obtuvo dos sustancias nuevas; una marrón y otra verde. La sustancia marrón era el óxido del elemento holmio y Cleve la llamó holmia, y la sustancia verde era el óxido de un elemento desconocido. Cleve nombró al óxido thulia y a su elemento tulio en honor a Thule , un antiguo nombre de lugar griego asociado con Escandinavia o Islandia . El símbolo atómico del tulio fue inicialmente Tu, pero luego [ ¿cuándo? ] cambió a Tm. [ ¿ por qué? ] [9] [24] [25] [26] [27] [28] [29]
El tulio era tan raro que ninguno de los primeros trabajadores tenía suficiente para purificarlo lo suficiente como para ver realmente el color verde; tuvieron que contentarse con observar espectroscópicamente el fortalecimiento de las dos bandas de absorción características, a medida que el erbio se eliminaba progresivamente. El primer investigador en obtener tulio casi puro fue Charles James , un expatriado británico que trabajaba a gran escala en el New Hampshire College en Durham , EE. UU. En 1911 informó sus resultados, habiendo utilizado su método descubierto de cristalización fraccionada de bromato para hacer la purificación. Es famoso que necesitó 15.000 operaciones de purificación para establecer que el material era homogéneo. [30]
El óxido de tulio de alta pureza se comercializó por primera vez a fines de la década de 1950, como resultado de la adopción de la tecnología de separación por intercambio iónico . Lindsay Chemical Division de American Potash & Chemical Corporation lo ofrecía en grados de pureza del 99% y 99,9%. El precio por kilogramo osciló entre 4.600 y 13.300 dólares estadounidenses en el período de 1959 a 1998 para el 99,9% de pureza, y fue el segundo más alto para los lantánidos después del lutecio . [31] [32]
El elemento nunca se encuentra en la naturaleza en forma pura, pero se encuentra en pequeñas cantidades en minerales con otras tierras raras. El tulio se encuentra a menudo con minerales que contienen itrio y gadolinio . En particular, el tulio se encuentra en el mineral gadolinita . [33] Sin embargo, como muchos otros lantánidos , el tulio también se encuentra en los minerales monacita , xenotima y euxenita . El tulio no se ha encontrado en prevalencia sobre las otras tierras raras en ningún mineral todavía. [34] Su abundancia en la corteza terrestre es de 0,5 mg/kg en peso. [35] El tulio constituye aproximadamente 0,5 partes por millón del suelo , aunque este valor puede variar de 0,4 a 0,8 partes por millón. El tulio constituye 250 partes por cuatrillón de agua de mar . [9] En el Sistema Solar , el tulio existe en concentraciones de 200 partes por billón en peso y 1 parte por billón en moles. [18] El mineral de tulio se encuentra con mayor frecuencia en China . Sin embargo, Australia , Brasil , Groenlandia , India , Tanzania y los Estados Unidos también tienen grandes reservas de tulio. Las reservas totales de tulio son aproximadamente 100.000 toneladas . El tulio es el lantánido menos abundante en la Tierra, a excepción del prometio radiactivo . [9]
El tulio se extrae principalmente de los minerales de monacita (~0,007% de tulio) que se encuentran en las arenas de los ríos, mediante intercambio iónico . Las técnicas más nuevas de intercambio iónico y extracción con disolventes han permitido separar con mayor facilidad las tierras raras, lo que ha dado lugar a unos costes de producción mucho más bajos. Las principales fuentes actuales son las arcillas de adsorción iónica del sur de China. En estas tierras raras, donde aproximadamente dos tercios del contenido total de tierras raras es itrio, el tulio representa aproximadamente el 0,5% (o aproximadamente el 0,5% del contenido total de tierras raras, lo que lo convierte en un metal raro). El metal se puede aislar mediante la reducción de su óxido con lantano metálico o mediante la reducción con calcio en un recipiente cerrado. Ninguno de los compuestos naturales del tulio tiene importancia comercial. Se producen aproximadamente 50 toneladas de óxido de tulio al año. [9] En 1996, el óxido de tulio costaba 20 dólares por gramo, y en 2005, el polvo de tulio metálico con una pureza del 99% costaba 70 dólares por gramo. [10]
El granate de itrio y aluminio dopado con triple dopaje de holmio, cromo y tulio ( Ho:Cr:Tm:YAG , o Ho,Cr,Tm:YAG ) es un material de medio láser activo con alta eficiencia. Su láser emite a 2080 nm en el infrarrojo y se utiliza ampliamente en aplicaciones militares, médicas y meteorológicas. Los láseres YAG dopados con tulio (Tm:YAG) de un solo elemento funcionan a 2010 nm. [36] La longitud de onda de los láseres basados en tulio es muy eficiente para la ablación superficial de tejido, con una profundidad de coagulación mínima en el aire o en el agua. Esto hace que los láseres de tulio sean atractivos para la cirugía basada en láser. [37]
A pesar de su alto costo, los dispositivos portátiles de rayos X utilizan tulio que ha sido bombardeado con neutrones en un reactor nuclear para producir el isótopo Tulio-170, que tiene una vida media de 128,6 días y cinco líneas de emisión principales de intensidad comparable (a 7,4, 51,354, 52,389, 59,4 y 84,253 keV). Estas fuentes radiactivas tienen una vida útil de aproximadamente un año, como herramientas en el diagnóstico médico y dental, así como para detectar defectos en componentes mecánicos y electrónicos inaccesibles. Estas fuentes no necesitan una amplia protección radiológica, solo una pequeña taza de plomo. [38] Se encuentran entre las fuentes de radiación más populares para su uso en radiografía industrial . [39] El Tulio-170 está ganando popularidad como fuente de rayos X para el tratamiento del cáncer mediante braquiterapia (radioterapia de fuente sellada). [40] [41]
El tulio se ha utilizado en superconductores de alta temperatura de forma similar al itrio . El tulio tiene un uso potencial en ferritas , materiales magnéticos cerámicos que se utilizan en equipos de microondas . [38] El tulio también es similar al escandio en que se utiliza en iluminación de arco por su espectro inusual, en este caso, sus líneas de emisión verdes, que no están cubiertas por otros elementos. [42] Debido a que el tulio fluoresce con un color azul cuando se expone a la luz ultravioleta , el tulio se incluye en los billetes de euro como medida contra la falsificación . [43] La fluorescencia azul del sulfato de calcio dopado con Tm se ha utilizado en dosímetros personales para el control visual de la radiación. [9] Los haluros dopados con Tm en los que Tm está en su estado de oxidación 2+ son materiales luminiscentes que se proponen para ventanas generadoras de energía eléctrica basadas en el principio de un concentrador solar luminiscente . [44]
Las sales solubles de tulio son levemente tóxicas , pero las sales insolubles de tulio son completamente no tóxicas . [9] Cuando se inyecta, el tulio puede causar degeneración del hígado y el bazo y también puede hacer que la concentración de hemoglobina fluctúe. El daño hepático por tulio es más frecuente en ratones machos que en ratones hembra. A pesar de esto, el tulio tiene un bajo nivel de toxicidad. [45] [46] En los humanos, el tulio se presenta en las cantidades más altas en el hígado , los riñones y los huesos . Los humanos suelen consumir varios microgramos de tulio por año. Las raíces de las plantas no absorben tulio, y la materia seca de las verduras suele contener una parte por mil millones de tulio. [9] El tulio es tóxico. [47] El polvo de tulio puede causar explosiones e incendios . [48]
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