Tulium

Historia

Ruotsalainen kemisti Per Teodor Cleve löysi tuliumin vuonna 1879 etsimällä epäpuhtauksia muiden harvinaisten maametallien oksideista. Cleve poisti ensin kaikki tunnetut epäpuhtaudet erbiumista (erbiumoksidina Er₂O₃, jota sisältävää maalajia kutsuttiin myös nimellä erbia) ja lisäkäsittelyn jälkeen sai eristettyä kaksi uutta ainetta, ruskean ja vihreän. Ruskea aine oli holmiumin ja vihreä tuliumin oksidi. Cleve nimitti oksidimuotoiset aineet holmiaksi ja thuliaksi. Thulia sai nimensä Thulesta, muinaisesta roomalaisesta nimestä myyttiselle pohjoiselle maalle.
Suhteellisen puhdasta tuliummetallia saatiin tuotettua ensimmäisen kerran vuonna 1911.

Fysikaaliset ominaisuudet

Tulium on kiiltävän hopeanvalkoinen metalli. Se on hyvin venyvää, helposti muokattavissa ja niin pehmeää, että sitä voi leikata veitsellä. Metallinen tulium tummuu hitaasti ilmassa. Metalli liukenee laimeisiin happoihin, mutta ei fluorivetyhappoon, jossa liukenematon tuliumfluoridin TmF₃ kerros muodostuu suojaamaan pintaa.
Tulium on voimakkaasti paramagneettinen yli 56 K (−217 °C) lämpötilassa. Välillä 56–32 K (−241 °C) metalli on antiferromagneettista ja alle 32 K tulium on ferrimagneettinen.
Tuliumille tunnetaan vain yksi kiderakenne. Se on tiiviisti pakattu heksagonaalinen rakenne, jonka hilavakiot ovat a = 353,75 pm ja c = 555,40 pm huoneenlämpötilassa.

Isotoopit

Tuliumille tunnetaan 35 radioaktiivista isotooppia (pois lukien ydinisomeerit). Niiden massaluvut vaihtelevat välillä 144–179 ja puoliintumisajat 300 nanosekunnista (¹⁷⁸Tm) aina 1,92 vuoteen (¹⁷¹Tm). Jos luonnossa esiintyvää tuliumia (¹⁶⁹Tm) pommitetaan neutroneilla, saadaan radioaktiivista ¹⁷⁰Tm isotooppia (puoliintumisaika 128,6 päivää), joka emittoi gammasäteilyä, jonka aallonpituus on samaa luokkaa kuin laboratorioissa yleensä käytettävillä röntgensäteilyn lähteillä. Useimpien muiden tuliumin isotooppien puoliintumisajat ovat enimmillään vain joitain minuutteja. Suurin osa tuliumin keveimmistä isotoopeista (massaluku alle 161) hajoavat joko β⁺-hajoamisella tai elektroninsieppauksella, mutta myös protoniemissiota ja α-hajoamista esiintyy. Raskaat tuliumisotoopit hajoavat β⁻-hajoamisella.

Esiintyminen

Tuliumia ei löydy maasta puhtaassa muodossaan, vaan ainoastaan pienissä määrissä mineraaleissa muiden harvinaisten maametallien joukossa. Se on harvinaisin lantanoideihin ja harvinaisiin maametalleihin kuuluva aine radioaktiivisen prometiumin jälkeen. Sitä on maankuoressa 0,5 ppm. Se on kuitenkin kaksi kertaa niin yleistä kuin hopea ja suunnilleen yhtä yleistä kuin jodi ja antimoni. Pääasiassa alkuainetta eristetään jokihiekkojen monatsiittimalmista (~0,002 % tuliumia) ioninvaihdolla tai bastnäsiitista, jossa sitä on vieläkin vähemmän (~0,0008 %). Sitä on myös eukseniitissa ja ksenotiimissä. Merivedessä tuliumia on 0,25 ppt ja maaperän pinta-aineksissa keskimäärin 0,5 ppm (vaihteluväli 0,4–0,8 ppm). Tunnetut tuliumin varannot ovat noin 100 000 tonnia.
Metalli voidaan eristää pelkistämällä tuliumoksidia lantaanimetallilla, mutta nykyisin sitä useimmiten valmistetaan pelkistämällä tuliumfluoridia kalsiumilla.
Tuliumilla ei ole minkäänlaista biologista roolia, tosin jotkin sen suolat kiihdyttävät aineenvaihduntaa. Veteen liukenevat suolat voivat olla lievästi myrkyllisiä suurina annoksina, mutta liukenemattomat eivät ollenkaan. Tuliumyhdisteiden kokonaismääriä ihmiskehossa ei tiedetä, mutta ne ovat erittäin pieniä. Kasvien juuret eivät yleensä ota tuliumia maaperästä, joten se ei pääse rikastumaan ravintoketjussa.

Käyttö

Tuliumin harvinaisuudesta johtuvat kalliit tuotantokustannukset rajoittavat sen käyttöä, joten sillä ei ole merkittäviä käyttökohteita kemian tutkimuksen ulkopuolella. Muut harvinaiset maametallit pystyvät korvaamaan tuliumin lähes kaikissa sen mahdollisissa käyttökohteissa. Ydinreaktorissa säteilytettyä tuliumia (isotooppi ¹⁷⁰Tm) on kuitenkin käytetty joissain kannettavissa lääketieteellistä käyttöä varten valmistetuissa röntgensäteilylähteissä. Tuliumilla doupattua kalsiumsulfaattia on käytetty henkilökohtaisissa dosimetreissä koska se reagoi fluoresenssillaan jo hyvin pieniin säteilytasoihin.
Tuliumia käytetään joissain lasereissa. Tällaisia ovat pelkästään tuliumilla doupattu Tm:YAG (tuliumilla seostettua yttriumalumiinigranaatti-materiaalia käyttävä laser), joka toimii 2 010 nm aallonpituudella. Tm:YAG-laseria käytetään lääketieteessä, meteorologiassa ja Lidar-keilauksessa. Käytössä on myös holmiumia, kromia ja tuliumia käyttävä Ho:Cr:Tm:YAG (2 080 nm), sekä Cr:Tm:YAG (1 945 –1 965 nm). Tunnetaan myös ytterbiumia ja telluuria (telluurioksidina TeO₂) sisältävä Yb,Tm,Ho-telluurikuitulaser. Tuliumlasereiden aallonpituus tekee niistä erityisen soveltuvia etenkin pehmytkudosten leikkaamiseen lääketieteellisissä sovellutuksissa.
Yhdessä yttriumin kanssa tuliumia on käytetty komponenttina joissain korkean lämpötilan suprajohtavissa oksideissa.
Eurosetelit sisältävät tuliumia rahanväärennöksiä ehkäisevänä turvatekijänä. Jotkin setelien siniset alueet on käsitelty Tm³⁺-suoloilla, jotka saavat ne fluoresoimaan ultraviolettivalossa sinisenä.