terbiuaparține categoriei de grelepământuri rare, cu o abundență scăzută în scoarța terestră la doar 1,1 ppm. Oxidul de terbiu reprezintă mai puțin de 0,01% din totalul pământurilor rare. Chiar și în minereul greu de pământuri rare de tip itriu cu cel mai mare conținut de terbiu, conținutul de terbiu reprezintă doar 1,1-1,2% din totalul pământului rare, ceea ce indică faptul că aparține categoriei „nobile” a elementelor pământurilor rare. De peste 100 de ani de la descoperirea terbiului în 1843, deficitul și valoarea lui au împiedicat mult timp aplicarea sa practică. Doar în ultimii 30 de ani terbiul și-a arătat talentul unic.
Descoperirea Istoriei
Chimistul suedez Carl Gustaf Mosander a descoperit terbiul în 1843. El a găsit impuritățile acestuia înOxid de ytriu(III).şiY2O3. Yttrium este numit după satul Ytterby din Suedia. Înainte de apariția tehnologiei schimbătoare de ioni, terbiul nu a fost izolat în forma sa pură.
Mosant a împărțit mai întâi oxidul de ytriu (III) în trei părți, toate numite după minereuri: oxidul de ytriu (III),Oxid de erbiu (III)., și oxid de terbiu. Oxidul de terbiu a fost inițial compus dintr-o parte roz, datorită elementului cunoscut acum sub numele de erbiu. „Oxidul de erbiu (III)” (inclusiv ceea ce numim acum terbiu) a fost inițial partea incoloră a soluției. Oxidul insolubil al acestui element este considerat maro.
Lucrătorii de mai târziu au putut observa cu greu „oxidul de erbiu (III)” incolor, dar partea roz solubilă nu a putut fi ignorată. Dezbateri despre existența oxidului de Erbium(III) au apărut în mod repetat. În haos, numele original a fost inversat și schimbul de nume a fost blocat, astfel încât partea roz a fost menționată în cele din urmă ca o soluție care conținea erbiu (în soluție, era roz). Acum se crede că lucrătorii care folosesc bisulfat de sodiu sau sulfat de potasiu iauOxid de ceriu (IV).din oxidul de ytriu(III) și transformă neintenționat terbiul într-un sediment care conține ceriu. Doar aproximativ 1% din oxidul original de ytriu (III), cunoscut acum sub numele de „terbiu”, este suficient pentru a trece o culoare gălbuie oxidului de ytriu (III). Prin urmare, terbiul este o componentă secundară care l-a conținut inițial și este controlat de vecinii săi imediati, gadoliniu și disproziu.
Ulterior, ori de câte ori din acest amestec au fost separate alte elemente de pământuri rare, indiferent de proporția de oxid, s-a păstrat denumirea de terbiu până când, în final, s-a obținut oxidul brun de terbiu în formă pură. Cercetătorii din secolul al XIX-lea nu au folosit tehnologia fluorescenței ultraviolete pentru a observa noduli galbeni sau verzi strălucitori (III), făcând mai ușor recunoașterea terbiului în amestecuri sau soluții solide.
Configurația electronică
Configurația electronică:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Configurația electronică a terbiului este [Xe] 6s24f9. În mod normal, doar trei electroni pot fi îndepărtați înainte ca încărcătura nucleară să devină prea mare pentru a fi ionizată în continuare, dar în cazul terbiului, terbiul semi-umplut permite celui de al patrulea electron să fie ionizat în continuare în prezența oxidanților foarte puternici, cum ar fi fluorul gazos.
Terbiul este un metal alb argintiu de pământuri rare, cu ductilitate, duritate și moliciune, care poate fi tăiat cu un cuțit. Punct de topire 1360 ℃, punct de fierbere 3123 ℃, densitate 8229 4kg/m3. În comparație cu lantanida timpurie, este relativ stabilă în aer. Fiind al nouălea element al lantanidei, terbiul este un metal cu energie electrică puternică. Reacționează cu apa pentru a forma hidrogen.
În natură, terbiul nu s-a dovedit niciodată a fi un element liber, o cantitate mică din care există în nisipul fosfocerium thorium și gadolinit. Terbiul coexistă cu alte elemente de pământuri rare în nisipul monazit, cu un conținut de terbiu în general de 0,03%. Alte surse sunt Xenotime și minereurile rare de aur negre, ambele fiind amestecuri de oxizi și conțin până la 1% terbiu.
Aplicație
Aplicarea terbiului implică în cea mai mare parte domenii de înaltă tehnologie, care sunt proiecte de ultimă oră intensivă în tehnologie și cunoștințe, precum și proiecte cu beneficii economice semnificative, cu perspective de dezvoltare atractive.
Principalele domenii de aplicare includ:
(1) Utilizat sub formă de pământuri rare mixte. De exemplu, este folosit ca îngrășământ compus din pământuri rare și aditiv pentru hrana pentru agricultură.
(2) Activator pentru pulbere verde în trei pulberi fluorescente primare. Materialele optoelectronice moderne necesită utilizarea a trei culori de bază ale fosforilor, și anume roșu, verde și albastru, care pot fi folosite pentru a sintetiza diverse culori. Iar terbiul este o componentă indispensabilă în multe pulberi fluorescente verzi de înaltă calitate.
(3) Folosit ca material de stocare magneto optic. Filmele subțiri din aliaj de metal de tranziție de terbiu din metal amorf au fost folosite pentru a fabrica discuri magneto-optice de înaltă performanță.
(4) Fabricarea sticlei magneto optice. Sticla rotativă Faraday care conține terbiu este un material cheie pentru fabricarea rotatoarelor, izolatoarelor și circulatoarelor în tehnologia laser.
(5) Dezvoltarea și dezvoltarea aliajului feromagnetostrictiv cu terbiu disproziu (TerFenol) a deschis noi aplicații pentru terbiu.
Pentru agricultura si cresterea animalelor
Terbiul pământului rare poate îmbunătăți calitatea culturilor și poate crește rata de fotosinteză într-un anumit interval de concentrație. Complexele de terbiu au activitate biologică ridicată. Complexele ternare de terbiu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, au efecte antibacteriene și bactericide bune asupra Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis și Escherichia coli. Au un spectru larg antibacterian. Studiul unor astfel de complexe oferă o nouă direcție de cercetare pentru medicamentele bactericide moderne.
Folosit în domeniul luminiscenței
Materialele optoelectronice moderne necesită utilizarea a trei culori de bază ale fosforilor, și anume roșu, verde și albastru, care pot fi folosite pentru a sintetiza diverse culori. Iar terbiul este o componentă indispensabilă în multe pulberi fluorescente verzi de înaltă calitate. Dacă nașterea pulberii fluorescente de culoare roșie TV cu pământuri rare a stimulat cererea de ytriu și europiu, atunci aplicarea și dezvoltarea terbiului au fost promovate de pulberea fluorescentă verde cu trei culori primare de pământuri rare pentru lămpi. La începutul anilor 1980, Philips a inventat prima lampă fluorescentă compactă de economisire a energiei din lume și a promovat-o rapid la nivel global. Ionii Tb3+ pot emite lumină verde cu o lungime de undă de 545 nm, iar aproape toți fosforii verzi de pământuri rare folosesc terbiul ca activator.
Fosforul verde pentru tubul catodic TV color (CRT) a fost întotdeauna bazat pe sulfură de zinc, care este ieftină și eficientă, dar pulberea de terbiu a fost întotdeauna folosită ca fosfor verde pentru TV color de proiecție, inclusiv Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ și LaOBr ∶ Tb3+. Odată cu dezvoltarea televiziunii cu ecran mare de înaltă definiție (HDTV), sunt dezvoltate și pulberi fluorescente verzi de înaltă performanță pentru CRT. De exemplu, în străinătate a fost dezvoltată o pulbere fluorescentă verde hibridă, constând din Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ și Y2SiO5: Tb3+, care au o eficiență excelentă de luminiscență la densitate mare de curent.
Pudra fluorescentă tradițională cu raze X este tungstat de calciu. În anii 1970 și 1980, au fost dezvoltați fosfori de pământuri rare pentru ecrane de intensificare, cum ar fi sulf activat cu terbiu, oxid de lantan, brom activat cu terbiu, oxid de lantan (pentru ecrane verzi), sulf activat cu terbiu, oxid de ytriu (III) etc. În comparație cu tungstat de calciu, pulberea fluorescentă de pământuri rare poate reduce timpul de iradiere cu raze X pentru pacienți prin 80%, îmbunătățește rezoluția filmelor cu raze X, prelungește durata de viață a tuburilor cu raze X și reduce consumul de energie. Terbiul este, de asemenea, folosit ca un activator de pulbere fluorescentă pentru ecranele medicale de îmbunătățire a razelor X, ceea ce poate îmbunătăți considerabil sensibilitatea conversiei razelor X în imagini optice, poate îmbunătăți claritatea filmelor cu raze X și poate reduce foarte mult doza de expunere de X- razele către corpul uman (cu mai mult de 50%).
Terbiul este, de asemenea, folosit ca activator în fosforul LED alb excitat de lumina albastră pentru iluminarea cu semiconductor nou. Poate fi folosit pentru a produce fosfor cu cristale magnetooptice din terbiu aluminiu, folosind diode emițătoare de lumină albastră ca surse de lumină de excitație, iar fluorescența generată este amestecată cu lumina de excitare pentru a produce lumină albă pură.
Materialele electroluminiscente din terbiu includ în principal fosfor verde de sulfură de zinc cu terbiu ca activator. Sub iradiere cu ultraviolete, complecșii organici de terbiu pot emite fluorescență verde puternică și pot fi utilizați ca materiale electroluminiscente cu peliculă subțire. Deși s-au făcut progrese semnificative în studiul filmelor subțiri electroluminiscente complexe organice de pământuri rare, există încă un anumit decalaj din punct de vedere practic, iar cercetarea filmelor și dispozitivelor subțiri electroluminiscente complexe organice de pământuri rare este încă în profunzime.
Caracteristicile de fluorescență ale terbiului sunt, de asemenea, utilizate ca sonde de fluorescență. De exemplu, sonda de fluorescență ofloxacin terbium (Tb3+) a fost utilizată pentru a studia interacțiunea dintre complexul ofloxacin terbium (Tb3+) și ADN (ADN) prin spectrul de fluorescență și spectrul de absorbție, indicând faptul că sonda ofloxacină Tb3+ poate forma o legătură cu moleculele de ADN, iar ADN-ul poate spori semnificativ fluorescența sistemului Ofloxacin Tb3+. Pe baza acestei modificări, ADN-ul poate fi determinat.
Pentru materiale magneto optice
Materialele cu efect Faraday, cunoscute și sub denumirea de materiale magneto-optice, sunt utilizate pe scară largă în lasere și alte dispozitive optice. Există două tipuri comune de materiale magneto optice: cristale magneto optice și sticlă magneto optică. Printre acestea, cristalele magneto-optice (cum ar fi granatul de fier ytriu și granatul de terbiu galiu) au avantajele frecvenței de funcționare reglabile și stabilității termice ridicate, dar sunt costisitoare și dificil de fabricat. În plus, multe cristale magneto-optice cu unghi mare de rotație Faraday au o absorbție mare în domeniul undelor scurte, ceea ce limitează utilizarea lor. În comparație cu cristalele magneto optice, sticla magneto optică are avantajul unei transmisii mari și este ușor de transformat în blocuri sau fibre mari. În prezent, ochelarii magneto-optici cu efect Faraday ridicat sunt în principal ochelari dopați cu ioni de pământuri rare.
Folosit pentru materiale de stocare magneto optice
În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a multimedia și a automatizării de birou, cererea pentru noi discuri magnetice de mare capacitate a crescut. Filmele din aliaj de metal de tranziție cu terbiu din metal amorf au fost folosite pentru a fabrica discuri magneto-optice de înaltă performanță. Dintre acestea, pelicula subțire din aliaj TbFeCo are cea mai bună performanță. Materialele magneto-optice pe bază de terbiu au fost produse la scară largă, iar discuri magneto-optice realizate din acestea sunt folosite ca componente de stocare a calculatorului, cu capacitatea de stocare mărită de 10-15 ori. Acestea au avantajele unei capacități mari și viteze de acces rapide și pot fi șterse și acoperite de zeci de mii de ori atunci când sunt utilizate pentru discuri optice de înaltă densitate. Sunt materiale importante în tehnologia electronică de stocare a informațiilor. Materialul magneto-optic cel mai frecvent utilizat în benzile vizibile și în infraroșu apropiat este un singur cristal Terbium Gallium Garnet (TGG), care este cel mai bun material magneto-optic pentru fabricarea rotatoarelor și izolatoarelor Faraday.
Pentru sticla magneto optică
Sticla optică Faraday magneto are o bună transparență și izotropie în regiunile vizibil și infraroșu și poate forma diverse forme complexe. Este ușor să produci produse de dimensiuni mari și pot fi trase în fibre optice. Prin urmare, are perspective largi de aplicare în dispozitivele magneto optice, cum ar fi izolatoarele magneto optice, modulatorii magneto optici și senzorii de curent cu fibră optică. Datorită momentului său magnetic mare și coeficientului mic de absorbție în domeniul vizibil și în infraroșu, ionii Tb3+ au devenit ionii de pământuri rare utilizați în mod obișnuit în ochelarii magneto optici.
Aliaj feromagnetostrictiv cu terbiu disproziu
La sfârșitul secolului al XX-lea, odată cu adâncirea revoluției științifice și tehnologice mondiale, noi materiale aplicate cu pământuri rare apar rapid. În 1984, Universitatea de Stat din Iowa din Statele Unite, Laboratorul Ames al Departamentului de Energie al Statelor Unite ale Americii și Centrul de Cercetare a Armelor de Suprafață ale Marinei SUA (personalul principal al companiei americane de tehnologie Edge (ET REMA) înființată mai târziu provenea din centru) au dezvoltat în comun un nou material inteligent cu pământuri rare, și anume material magnetostrictiv gigant de fier terbiu disprosiu. Acest nou material Smart are caracteristicile excelente de a transforma rapid energia electrică în energie mecanică. Traductoarele subacvatice și electro-acustice realizate din acest material magnetostrictiv uriaș au fost configurate cu succes în echipamente navale, difuzoare de detectare a puțurilor de petrol, sisteme de control al zgomotului și vibrațiilor și sistemele de explorare oceanică și comunicații subterane. Prin urmare, de îndată ce s-a născut materialul magnetostrictiv gigant de fier terbiu disprosiu, acesta a primit o atenție pe scară largă din partea țărilor industrializate din întreaga lume. Edge Technologies din Statele Unite a început să producă materiale magnetostrictive cu terbiu disprosiu fier gigant în 1989 și le-a numit Terfenol D. Ulterior, Suedia, Japonia, Rusia, Regatul Unit și Australia au dezvoltat, de asemenea, materiale magnetostrictive gigant cu terbiu disprosiu fier.
Din istoria dezvoltării acestui material în Statele Unite, atât invenția materialului, cât și aplicațiile sale monopolistice timpurii sunt direct legate de industria militară (cum ar fi marina). Deși departamentele militare și de apărare ale Chinei își întăresc treptat înțelegerea acestui material. Cu toate acestea, după ce Puterea Națională Cuprinzătoare a Chinei a crescut semnificativ, cerințele pentru realizarea strategiei militare competitive în secolul 21 și îmbunătățirea nivelului de echipamente vor fi cu siguranță foarte urgente. Prin urmare, utilizarea pe scară largă a materialelor magnetostrictive gigantice de fier terbiu disprosiu de către departamentele militare și de apărare națională va fi o necesitate istorică.
Pe scurt, numeroasele proprietăți excelente ale terbiului îl fac un membru indispensabil al multor materiale funcționale și o poziție de neînlocuit în unele domenii de aplicare. Cu toate acestea, din cauza prețului ridicat al terbiului, oamenii au studiat cum să evite și să minimizeze utilizarea terbiului pentru a reduce costurile de producție. De exemplu, materialele magneto-optice cu pământuri rare ar trebui să utilizeze cât mai mult posibil cobalt de fier disprosiu sau gadoliniu terbiu cobalt la preț redus; Încercați să reduceți conținutul de terbiu din pulberea verde fluorescentă care trebuie utilizată. Prețul a devenit un factor important care limitează utilizarea pe scară largă a terbiului. Dar multe materiale funcționale nu se pot lipsi de el, așa că trebuie să aderăm la principiul „folosirea de oțel bun pe lamă” și să încercăm să economisim pe cât posibil utilizarea terbiului.
Ora postării: Iul-05-2023