Tulio: propiedades, estructura, obtención, usos
¿Qué es el tulio?
El tulio (Tm) es un elemento químico que pertenece a la serie de los lantánidos y se trata del metal natural y no radiactivo más escaso de las tierras raras. Por lo tanto, su costo siempre ha sido elevado, llegando incluso a ser más caro que el mismo platino. Su nombre proviene de la palabra ‘Thule’, designada a la parte más septentrional de los antiguos mapas europeos, donde actualmente se sitúa la región escandinava.
Fue descubierto y nombrado en 1879 por el químico sueco Per Teodor Cleve, quien estudiaba los óxidos de las tierras raras, específicamente el del erbio, del cual extrajo cantidades despreciables del óxido de tulio, identificado gracias a su espectro de absorción y sus líneas características asociadas al color verde.
La primera muestra relativamente pura de tulio se obtuvo en 1911, tras 15000 cristalizaciones fraccionadas con sales de bromato realizadas por el químico Charles James, residenciado para entonces en Estados Unidos. A medida que evolucionaban las técnicas de separación y la cromatografía de intercambio iónico, se fueron produciendo muestras cada vez más puras y baratas de tulio metálico.
El tulio es un elemento que suele ignorarse por considerarse extraño. Tiene utilidad en medicina, siendo una importante fuente de rayos X, así como un elemento dopante para la producción de aleaciones y cerámicas especiales.
Propiedades del tulio
Físicas
El tulio presenta una superficie grisácea plateada, la cual se oscurece paulatinamente mientras se oxida. Cuando es limado con dureza desprende chispas ardientes y destellos verdosos, cuyo color recuerda al estado excitado del cobre. Es blando, maleable y dúctil, teniendo una dureza de Mohs entre 2 y 3, por lo que puede cortarse utilizando un cuchillo.
Es un metal fuertemente paramagnético, y su líquido fundido presenta altas presiones de vapor, un poco inusuales para muchos metales.
Químicas
El tulio, al igual que los otros lantánidos, participa en la mayoría de sus compuestos con un estado o número de oxidación de +3 (Tm3+). Por ejemplo, su único óxido, Tm2O3, contiene los cationes Tm3+ y se forma rápidamente cuando se calienta una muestra de tulio metálico a 150 ºC:
4 Tm (s) + 3 O2 (g) → 2 Tm2O3 (s)
Por otro lado, el tulio reacciona con el agua fría o caliente para producir su respectivo hidróxido:
2 Tm (s) + 6 H2O (l) → 2 Tm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)
Las soluciones acuosas de los iones Tm3+ son de coloraciones verdosas debido a la formación del acuo complejo [Tm(OH2)9]3+. Estas exhiben además luminiscencia azulada cuando se les irradian con luz ultravioleta.
Los hidratos de los compuestos de tulio (III), asimismo, se caracterizan por tener colores verdosos, pues las moléculas de agua logran coordinarse con parte de los Tm3+ presentes en los cristales.
El tulio también es capaz de participar como Tm2+ en varios de sus compuestos. Para ello, los compuestos de tulio (III) deben reducirse a tulio (II). Los compuestos de tulio (II) son inestables, ya que se oxidan en contacto con el aire, y suelen mostrar además coloraciones oscuras o rojo violetas.
Estructura química
En algunas fuentes se cita que el tulio posee una única forma alotrópica, correspondiente a una estructura hexagonal compacta, hcp. Sin embargo, se hace referencia a otra segunda forma alotrópica, llamada α-Tm, cuya estructura es tetragonal; mientras que el tulio hcp recibe el nombre de β-Tm, siendo por lejos la más estable y reportada.
Bajo altas presiones (en el orden de los GPa), el tulio sufre transiciones a fases cristalinas más densas, pasando de la hcp o β-Tm a una estructura hexagonal isomórfica a la del samario, para luego tornarse doble hexagonal compacta (dhcp), y finalmente compactarse a formas distorsionadas de cristales fcc.
Configuración electrónica
La configuración electrónica del tulio es la siguiente:
[Xe] 6s2 4f13
Nótese que le falta apenas un solo electrón para completar el llenado de sus orbitales 4f. Al tener 13 electrones en esta subcapa, y al ubicarse en la posición o grupo 13 de la serie lantánida, se dice que su configuración electrónica no presenta ninguna desviación.
Los electrones de sus orbitales 4f son responsables del enlace metálico que une los átomos de tulio. Como hay 13 de ellos, las atracciones entre los átomos Tm son grandes, explicando por qué sus puntos de fusión y ebullición son mayores en comparación a los del europio, por ejemplo, siendo también este metal miembro de los lantánidos.
Obtención del tulio
Materia prima
El tulio se encuentra en muchos de los minerales donde predominan otros metales de tierras raras (gadolinio, erbio, samario, cerio, etc.). En ninguno de ellos se le encuentra en una proporción considerable para servir como única fuente mineralógica.
El mineral monazita contiene alrededor de 0.007% de tulio, por lo que es una de las materias primas de las cuales se obtiene este metal. Pero las arcillas del sureste de China poseen una concentración de hasta 0.5% de tulio, siendo por lo tanto la materia prima más utilizada para su extracción y producción.
Método de extracción y producción
El tulio fue uno de los últimos metales en producirse con un alto grado de pureza (>99%). Primero es necesario separar los iones Tm3+ del resto de la matriz mineralógica, enriquecida con cantidades inimaginables de iones de otros metales de tierras raras. Sin la cromatografía de intercambio iónico, acompañada de técnicas de extracción por solventes, no es posible lograr tal separación.
Procesadas químicamente las arcillas o la monazita para obtener los iones Tm3+ separados como Tm2O3, se recurre a una reducción utilizando lantano con la finalidad de reducir el óxido de tulio a tulio metálico.
Usos
Dopante de cerámicas y aleaciones
El tulio en su estado puro carece de usos. Sin embargo, sus átomos neutros se usan como dopantes en muchos materiales cerámicos y aleaciones metálicas compuestas por otros elementos de las tierras raras.
En las cerámicas, sirve para la producción de materiales superconductores a altas temperaturas y para la elaboración de componentes de microondas; mientras que en las aleaciones, como la del granate de aluminio e itrio (YAG), se usa para la fabricación de láseres potentes para llevar a cabo cirugías.
Luminiscencia azulada
Al igual que el europio, el óxido de tulio se impregna sobre los billetes de euro para emitir luminiscencia azulada cuando se exponen bajo una lámpara de luz ultravioleta. De esta manera se evita que los euros sean falsificados.
Por otro lado, su luminiscencia o fluorescencia se utiliza también en dosímetros personales, en los cuales el tulio se adiciona al sulfato de calcio para que la sal brille frente una fuente de radiación ultravioleta.
Emisor de rayos X
El tulio tiene un único isótopo natural: el 169Tm. Pero al bombardearse con neutrones se transforma en el isótopo 170Tm, el cual emite una radiación gamma moderada y tiene un t1/2 de 128 días.
Este 170Tm se utiliza en dispositivos portátiles como emisor de rayos X, empleados para visualizar cánceres mediante braquiterapia, y asimismo para detectar fisuras en estructuras o equipos electrónicos.
Referencias
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (cuarta edición). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2020). Thulium. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Brian Clegg. (24 de junio de 2008). Thulium. Chemistry in its elements. Recuperado de: chemistryworld.com
- The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2020). Thulium. Recuperado de: britannica.com
- Dr. Doug Stewart. (2020). Thulium Element Facts. Recuperado de: chemicool.com
- Mohammad Reza Ganjali et al. (2016). Lanthanides Series Determination by Various Analytical Methods. ScienceDirect.
- Jeffrey M. Montgomery et al. (2011). High-pressure phase transitions in rare earth metal thulium to 195 GPa. Phys.: Condens. Matter 23 155701