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ツリウムは化学元素であり、元素記号はTm、原子番号は69です。ランタノイド系列の13番目の元素です。地殻中に存在するランタノイド元素の中では、放射性不安定なプロメチウムに次いで2番目に少ない元素です。加工しやすく、明るい銀灰色の光沢を持つ金属です。比較的柔らかく、空気中ではゆっくりと変色します。高価で希少な元素であるにもかかわらず、ツリウムは固体レーザーのドーパントとして使用されています。生物学的に重要な役割はなく、特に毒性もありません。ツリウムの人工放射性同位体は、一部の携帯型X線装置の放射線源として使用されています。
1879年、スウェーデンの化学者ペル・テオドール・クレーベは、希土類鉱物エルビアから、ホルミアとツリアと名付けた2つの未知の成分を分離しました。これらはそれぞれホルミウムとツリウムの酸化物でした。彼のツリウム酸化物のサンプルには、イッテルビウム酸化物の不純物が含まれていました。比較的純粋なツリウム酸化物のサンプルが初めて得られたのは1911年です。金属自体は、1936年にヴィルヘルム・クレムとハインリヒ・ボンマーによって初めて得られました。[ 8 ]
他のランタノイド元素と同様に、ツリウムの最も一般的な酸化状態は+3であり、酸化物、ハロゲン化物、その他の化合物に見られる。水溶液中では、他の後期ランタノイド元素の化合物と同様に、可溶性のツリウム化合物は9分子の水と配位錯体を形成する。
純粋なツリウム金属は明るい銀色の光沢を持ち、空気に触れると変色します。モース硬度が2～3であるため、ナイフで切断できます[ 9 ]。展延性があります[ 10 ]。ツリウムは32 K以下では強磁性、 32～56 Kでは反強磁性、56 K以上では常磁性です[ 11 ] 。
ツリウムは空気中でゆっくりと変色し、150 ℃で容易に燃焼して酸化ツリウム(III)を生成する: [ 12 ]
ツリウム粉塵は爆発や火災を引き起こす可能性がある。[ 13 ]
ツリウムは非常に電気陽性であり、冷水とはゆっくりと反応し、温水とは非常に速やかに反応して水酸化ツリウムを生成する。
ツリウムはすべてのハロゲンと反応する。室温では反応は遅いが、200 ℃以上では激しく反応する。
ツリウムは希硫酸に容易に溶解し、淡緑色のTm(III)イオンを含む溶液を形成する。これらのイオンは[ Tm(OH 2 ) 9 ] 3+錯体として存在する。[ 14 ]
ツリウムはさまざまな金属元素や非金属元素と反応して、TmN、TmS、TmC 2、Tm 2 C 3、TmH 2 、TmH 3 、TmSi 2、TmGe 3、TmB 4、TmB 6、TmB 12など、さまざまな二元化合物を形成します。ほとんどのランタニドと同様に、+3 状態が最も一般的で、ツリウム溶液で観察される唯一の状態です。[ 15 ]ツリウムは溶液中でTm 3+イオンとして存在します。この状態では、ツリウムイオンは 9 分子の水に囲まれています。[ 9 ] Tm 3+イオンは明るい青色の発光を示します。[ 9 ]系列の後半に現れるため、+2 酸化状態も存在できます。これは、ほぼ満たされた 4f電子殻によって安定化されますが、固体でのみ発生します。
ツリウムの既知の酸化物はTm 2 O 3のみです。この酸化物は「ツリア」と呼ばれることもあります。[ 16 ]赤紫色のツリウム(II)化合物は、ツリウム(III)化合物の還元によって生成できます。ツリウム(II)化合物の例としては、ハロゲン化物（フッ化物を除く）があります。TmCl 3 · 7 H 2 O や Tm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 6 H 2 O などの水和ツリウム化合物は、緑色または緑白色です。[ 17 ]二塩化ツリウムは水と非常に激しく反応します。この反応により、水素ガスと、徐々に赤みを帯びるTm(OH) 3が生成されます。ツリウムとカルコゲンの組み合わせにより、ツリウムカルコゲニドが生成されます。[ 18 ]
ツリウムは塩化水素と反応して水素ガスと塩化ツリウムを生成する。硝酸と反応すると硝酸ツリウム、Tm(NO 3 ) 3 を生成する。[ 19 ]
天然のツリウムは、観測上安定な同位体であるツリウム-169のみで構成されており、非常に長い半減期でアルファ崩壊を起こしてホルミウム-165になると予測されている。[ 9 ] [ 20 ]ツリウムの既知の同位体は144Tmから183Tmまでである。[ 7 ] [ 21 ]
安定同位体である169 Tmより前の主な崩壊モードはエルビウム同位体への電子捕獲であり、その後の主なモードはイッテルビウム同位体へのベータ放出である。最も寿命の長い放射性同位体は、半減期が 1.92 年であるツリウム 171 と、半減期が 128.6 日であるツリウム 170である。他のほとんどの同位体の半減期は 10 分未満である。[ 7 ]
ツリウムは、1879 年にスウェーデンの化学者ペル・テオドール・クレーベによって、他の希土類元素の酸化物中の不純物を探すことによって発見されました。これは、カール・グスタフ・モサンデルが以前に他の希土類元素を発見するために使用したのと同じ方法です。 [ 22 ]クレーベは、まずエルビア( Er 2 O 3 )の既知の不純物をすべて除去することから始めました。さらに処理すると、茶色と緑色の 2 つの新しい物質が得られました。茶色の物質は元素ホルミウムの酸化物で、クレーベによってホルミアと名付けられ、緑色の物質は未知の元素の酸化物でした。クレーベは、スカンジナビアまたはアイスランドに関連する古代ギリシャの地名であるトゥーレにちなんで、酸化物をツリア、その元素をツリウムと名付けました。ツリウムの原子記号は最初は Tu でしたが、ツリウムの発見の頃にはタングステンが Tu と表記されることが多かったため、混同を避けるために後に Tm に変更されました。[ 9 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
ツリウムは非常に希少であったため、初期の研究者たちは緑色を実際に確認できるほど十分に精製するだけの量を持っていなかった。彼らはエルビウムが徐々に除去されるにつれて、2つの特徴的な吸収帯が強くなることを分光法で観察することで満足しなければならなかった。ほぼ純粋なツリウムを初めて得たのは、米国ダラムのニューハンプシャー大学で大規模な研究を行っていた英国人駐在員のチャールズ・ジェームズであった。1911年に彼は、自身が発見した臭素酸塩分画結晶法を用いて精製した結果を報告した。彼は、物質が均質であることを確認するために15,000回の精製操作が必要であったことで有名である。[ 29 ]
高純度酸化ツリウムは、イオン交換分離技術の採用により、1950年代後半に初めて商業的に提供されました。アメリカン・ポタッシュ・アンド・ケミカル社のリンゼイ化学部門は、純度99%と99.9%のグレードで提供しました。純度99.9%の1キログラムあたりの価格は、1959年から1998年の間に4,600米ドルから13,300米ドルの間で変動し、ルテチウムに次いでランタノイドの中で2番目に高い価格でした。[ 30 ] [ 31 ]
この元素は自然界に純粋な形で存在することはなく、他の希土類元素とともに鉱物中に少量含まれています。ツリウムはイットリウムやガドリニウムを含む鉱物中によく見られます。特に、ツリウムはガドリナイトという鉱物中に存在します。[ 32 ]他の多くのランタニドと同様に、ツリウムはモナザイト、ゼノタイム、ユークセナイトという鉱物中にも存在します。ツリウムは、他の希土類元素よりも多く含まれている鉱物はまだ見つかっていません。[ 33 ]地殻におけるその存在量は重量比で0.5 mg/kgです 。[ 34 ]
ツリウムは土壌の約 0.5 ppm を占めていますが、この値は 0.4 ～ 0.8 ppm の範囲で変動します。ツリウムは海水の 250 ppm を占めています。[ 9 ]太陽系では、ツリウムは重量で 200 ppt、 モルで 1 ppt の濃度で存在します。[ 19 ]ツリウム鉱石は中国で最も多く産出されます。オーストラリア、ブラジル、グリーンランド、インド、タンザニア、米国にもツリウムの大きな埋蔵量があります。2001 年、世界のツリウムの総埋蔵量は約 10 万トンでした。ツリウムは、放射性プロメチウムを除いて、地球上で最も少ないランタニドです。[ 9 ]
ツリウムは主に、川砂に含まれるモナザイト鉱石（ツリウム含有量約0.007%）からイオン交換によって抽出されます。新しいイオン交換および溶媒抽出技術により、希土類元素の分離が容易になり、ツリウム生産コストが大幅に削減されました。現在、主な供給源は中国南部のイオン吸着粘土です。これらの粘土では、希土類元素全体の約3分の2がイットリウムであり、ツリウムは約0.5%（ルテチウムとほぼ同程度の希少性）です。[ 9 ]
金属は、ランタン金属による酸化物の還元、または密閉容器内でのカルシウム還元によって単離することができる。ツリウムの天然化合物はどれも商業的に重要ではない。2001年には、年間約50トンの酸化ツリウムが生産された。[ 9 ] 1996年には、酸化ツリウムは1グラムあたり20米ドル、2005年には、純度99%のツリウム金属粉末は1グラムあたり70米ドルであった。[ 10 ]
ホルミウム-クロム-ツリウム三重ドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ho:Cr:Tm:YAG、またはHo,Cr,Tm:YAG）は、高効率の活性レーザー媒質材料です。赤外線の2080 nmでレーザー発振し、軍事用途、医療、気象学で広く使用されています。単一元素のツリウムドープYAG（Tm:YAG）レーザーは2010 nmで動作します。[ 35 ]ツリウムベースのレーザーの波長は、空気中または水中での凝固深度が最小限で、組織の表面アブレーションに非常に効率的です。このため、ツリウムレーザーはレーザーベースの手術に魅力的です。[ 36 ]
高価ではあるものの、携帯型X線装置は、原子炉で中性子を照射してツリウム170同位体を生成するツリウムを使用しており、その半減期は128.6日、強度が同程度の5つの主要な発光線（7.4、51.354、52.389、59.4、84.253 keV）があります。これらの放射性線源は、医療および歯科診断のツールとして、またアクセスできない機械部品や電子部品の欠陥を検出するために、約1年間使用できます。このような線源は、大規模な放射線防護を必要とせず、小さな鉛のカップだけで済みます。[ 37 ]これらは、産業放射線撮影 で使用される最も一般的な放射線源の1つです。[ 38 ]ツリウム170は、密封線源放射線療法 による癌治療のX線源として人気が高まっています。[ 39 ] [ 40 ]
ツリウムはイットリウムと同様に高温超伝導体に使用されています。ツリウムはマイクロ波機器に使用されるセラミック磁性材料であるフェライトにも使用できる可能性があります。 [ 37 ]ツリウムは、他の元素ではカバーされない緑色の発光線という特異なスペクトルを持つため、アーク照明に使用されるという点でもスカンジウムと似ています。[ 41 ]ツリウムは紫外線にさらされると青色に蛍光を発するため、偽造防止策としてユーロ紙幣に使用されています。[ 42 ]
Tmをドープした硫酸カルシウムの青色蛍光は、放射線の視覚的モニタリングのための個人線量計に使用されている。[ 9 ] Tmが2+の酸化状態にあるTmドープハロゲン化物は、発光太陽光集光器の原理に基づいて発電窓用に提案されている発光材料である。[ 43 ]
可溶性ツリウム塩は軽度の毒性がありますが、不溶性ツリウム塩は完全に無毒です。[ 9 ]ツリウムを注射すると、肝臓や脾臓の変性を引き起こし、ヘモグロビン濃度が変動することもあります。ツリウムによる肝臓障害は、雌マウスよりも雄マウスで多く見られます。それにもかかわらず、ツリウムの毒性は低いレベルです。[ 44 ] [ 45 ]
ヒトでは、ツリウムは肝臓、腎臓、骨に最も多く存在します。ヒトは通常、年間数マイクログラムのツリウムを摂取します。植物の根はツリウムを吸収せず、野菜の乾燥物質には通常、 10億分の1のツリウムが含まれています。[ 9 ]ツリウム金属の毒性は低度から中程度です。[ 46 ]
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