Terbiuaparține categoriei de grelepământuri rare, cu o abundență scăzută în scoarța terestră, de doar 1,1 ppm. Oxidul de terbiu reprezintă mai puțin de 0,01% din totalul pământurilor rare. Chiar și în minereul de pământuri rare grele de tip ytriu cu cel mai mare conținut de terbiu, acesta reprezintă doar 1,1-1,2% din totalul pământurilor rare, ceea ce indică faptul că aparține categoriei „nobile” de elemente de pământuri rare. De peste 100 de ani de la descoperirea terbiului în 1843, raritatea și valoarea sa au împiedicat mult timp aplicarea sa practică. Abia în ultimii 30 de ani, terbiul și-a demonstrat talentul unic.
Descoperind Istoria
Chimistul suedez Carl Gustaf Mosander a descoperit terbiul în 1843. El i-a găsit impuritățile înOxid de ytriu(III)şiY2O3Ytriul este numit după satul Ytterby din Suedia. Înainte de apariția tehnologiei de schimb ionic, terbiul nu a fost izolat în forma sa pură.
Mosant a împărțit mai întâi oxidul de ytriu(III) în trei părți, toate denumite după minereuri: oxid 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 practic incoloră din soluție. Oxidul insolubil al acestui element este considerat maro.
Ulterior, cercetătorii au putut observa cu greu minusculul „oxid de erbiu(III)” incolor, dar partea roz solubilă nu a putut fi ignorată. Dezbaterile despre existența oxidului de erbiu(III) au apărut în mod repetat. În haos, numele original a fost inversat, iar schimbul de nume a rămas blocat, astfel încât partea roz a fost în cele din urmă menționată ca o soluție care conține erbiu (în soluție, era roz). Se crede acum că lucrătorii care utilizează bisulfat de sodiu sau sulfat de potasiu iau...Oxid de ceriu(IV)din oxid 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 transmite o culoare gălbuie oxidului de ytriu(III). Prin urmare, terbiul este o componentă secundară care îl conținea inițial și este controlată de vecinii săi imediați, gadoliniu și disprosiu.
Ulterior, ori de câte ori alte elemente de pământuri rare au fost separate din acest amestec, indiferent de proporția oxidului, denumirea de terbiu a fost păstrată până când, în final, oxidul maro al terbiului a fost obținut în formă pură. Cercetătorii din secolul al XIX-lea nu au folosit tehnologia fluorescenței ultraviolete pentru a observa noduli (III) galbeni sau verzi strălucitori, ceea ce a facilitat 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 sarcina nucleară să devină prea mare pentru a fi ionizată în continuare, dar în cazul terbiului, terbiul semi-umplut permite ionizarea în continuare a celui de-al patrulea electron în prezența unor oxidanți foarte puternici, cum ar fi fluorul gazos.
Terbiul este un metal alb-argintiu, de pământ rar, cu ductilitate, rezistență și moliciune, care poate fi tăiat cu un cuțit. Punctul de topire este de 1360 ℃, punctul de fierbere este de 3123 ℃ și densitatea este de 8229 4 kg/m3. Comparativ cu lantanidele timpurii, este relativ stabil în aer. Fiind al nouălea element al lantanidelor, terbiul este un metal cu o electrizare puternică. Reacționează cu apa pentru a forma hidrogen.
În natură, terbiul nu a fost niciodată găsit ca element liber, o cantitate mică din acesta existând în nisipul fosfoceriu-toriu 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 xenotim și minereurile de aur negru rar, ambele fiind amestecuri de oxizi și conținând până la 1% terbiu.
Aplicație
Aplicarea terbiului implică în principal domenii de înaltă tehnologie, care sunt proiecte de vârf care necesită multă 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 utilizat ca îngrășământ compus din pământuri rare și aditiv pentru hrana animalelor în agricultură.
(2) Activator pentru pulberea verde în trei pulberi fluorescente primare. Materialele optoelectronice moderne necesită utilizarea a trei culori de bază ale fosforului, și anume roșu, verde și albastru, care pot fi utilizate pentru a sintetiza diverse culori. Iar terbiul este o componentă indispensabilă în multe pulberi fluorescente verzi de înaltă calitate.
(3) Utilizat ca material de stocare magnetooptică. Peliculele subțiri din aliaje metalice de tranziție amorfe, de tip terbiu, au fost utilizate pentru fabricarea discurilor magneto-optice de înaltă performanță.
(4) Fabricarea sticlei magnetooptice. Sticla rotativă Faraday care conține terbiu este un material esențial pentru fabricarea rotatoarelor, izolatoarelor și circulatoarelor în tehnologia laser.
(5) Dezvoltarea și dezvoltarea aliajului feromagnetostrictiv de terbiu-disprosiu (TerFenol) a deschis noi aplicații pentru terbiu.
Pentru agricultură și creșterea animalelor
Terbiul, un pământ rar, poate îmbunătăți calitatea culturilor și poate crește rata fotosintezei într-un anumit interval de concentrație. Complexele de terbiu au o 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. Acestea au un spectru antibacterian larg. Studiul unor astfel de complexe oferă o nouă direcție de cercetare pentru medicamentele bactericide moderne.
Utilizat în domeniul luminescenței
Materialele optoelectronice moderne necesită utilizarea a trei culori de bază ale fosforului, și anume roșu, verde și albastru, care pot fi folosite pentru a sintetiza diverse culori. Terbiul este o componentă indispensabilă în multe pulberi fluorescente verzi de înaltă calitate. Dacă apariția pulberii fluorescente roșii din pământuri rare pentru televizoare color a stimulat cererea de ytriu și europiu, atunci aplicarea și dezvoltarea terbiului au fost promovate de pulberea fluorescentă verde din trei culori primare din 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 de Tb3+ pot emite lumină verde cu o lungime de undă de 545 nm, iar aproape toți fosforul verde din pământuri rare utilizează terbiul ca activator.
Fosforul verde pentru tubul catodic (CRT) al televizoarelor color a fost întotdeauna pe bază de sulfură de zinc, care este ieftină și eficientă, însă pulberea de terbiu a fost întotdeauna utilizată ca fosfor verde pentru televizoarele color de proiecție, inclusiv Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga)5O12 ∶ Tb3+ și LaOBr ∶ Tb3+. Odată cu dezvoltarea televizoarelor de înaltă definiție (HDTV) cu ecran mare, se dezvoltă și pulberi fluorescente verzi de înaltă performanță pentru tuburile catodice. 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 a luminescenței la densitate mare de curent.
Pulberea fluorescentă tradițională pentru raze X este tungstatul de calciu. În anii 1970 și 1980, au fost dezvoltați fosfori din pământuri rare pentru ecrane intensificatoare, cum ar fi oxidul de lantan cu sulf activat cu terbiu, oxidul de lantan cu brom activat cu terbiu (pentru ecrane verzi), oxidul de ytriu(III) cu sulf activat cu terbiu etc. Comparativ cu tungstatul de calciu, pulberea fluorescentă din pământuri rare poate reduce timpul de iradiere cu raze X pentru pacienți cu 80%, poate îmbunătăți rezoluția filmelor cu raze X, poate prelungi durata de viață a tuburilor cu raze X și poate reduce consumul de energie. Terbiul este, de asemenea, utilizat ca 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 considerabil doza de expunere la raze X pentru corpul uman (cu mai mult de 50%).
Terbiul este utilizat și ca activator în fosforul LED alb excitat de lumină albastră pentru iluminarea semiconductorilor. Poate fi utilizat pentru a produce fosforuri cristaline optice magneto-aluminiu-terbiu, folosind diode emițătoare de lumină albastră ca surse de lumină de excitație, iar fluorescența generată este amestecată cu lumina de excitație pentru a produce lumină albă pură.
Materialele electroluminescente fabricate din terbiu includ în principal fosfor verde de sulfură de zinc cu terbiu ca activator. Sub iradiere ultravioletă, complexele organice de terbiu pot emite o fluorescență verde puternică și pot fi utilizate ca materiale electroluminescente cu peliculă subțire. Deși s-au înregistrat progrese semnificative în studiul peliculelor subțiri electroluminescente complexe organice din pământuri rare, există încă o anumită lacună față de practică, iar cercetarea asupra peliculelor subțiri electroluminescente complexe organice din pământuri rare și a dispozitivelor este încă aprofundată.
Caracteristicile de fluorescență ale terbiului sunt utilizate și ca sonde de fluorescență. De exemplu, sonda de fluorescență cu ofloxacină terbiu (Tb3+) a fost utilizată pentru a studia interacțiunea dintre complexul ofloxacină terbiu (Tb3+) și ADN (ADN) prin spectrul de fluorescență și spectrul de absorbție, indicând faptul că sonda cu ofloxacină Tb3+ poate forma un șanț care se leagă de moleculele de ADN, iar ADN-ul poate spori semnificativ fluorescența sistemului ofloxacină Tb3+. Pe baza acestei modificări, se poate determina ADN-ul.
Pentru materiale magnetooptice
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 ytriu-fier și granatul de terbiu-galiu) au avantajele unei frecvențe de funcționare reglabile și a unei stabilități termice ridicate, dar sunt scumpe și dificil de fabricat. În plus, multe cristale magneto-optice cu unghi de rotație Faraday ridicat au o absorbție ridicată în domeniul undelor scurte, ceea ce le limitează utilizarea. Comparativ cu cristalele magneto-optice, sticla magneto-optică are avantajul unei transmitanțe ridicate și este ușor de transformat în blocuri sau fibre mari. În prezent, sticlele magneto-optice cu efect Faraday ridicat sunt în principal sticle dopate cu ioni de pământuri rare.
Folosit pentru materiale de stocare magnetooptică
În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a multimedia și a automatizării birotice, cererea de noi discuri magnetice de mare capacitate a crescut. Filmele din aliaje metalice amorfe de terbiu au fost utilizate pentru fabricarea discurilor magneto-optice de înaltă performanță. Printre acestea, filmul subțire din aliajul TbFeCo are cea mai bună performanță. Materialele magneto-optice pe bază de terbiu au fost produse la scară largă, iar discurile magneto-optice fabricate din acestea sunt utilizate ca componente de stocare a computerelor, cu o capacitate de stocare crescută de 10-15 ori. Acestea au avantajele unei capacități mari și a unei viteze de acces rapide și pot fi șters și acoperite de zeci de mii de ori atunci când sunt utilizate pentru discuri optice de înaltă densitate. Sunt materiale importante în tehnologia de stocare electronică a informațiilor. Cel mai frecvent utilizat material magneto-optic în benzile vizibile și infraroșu apropiat este monocristalul Terbium Gallium Garnet (TGG), care este cel mai bun material magneto-optic pentru fabricarea rotatoarelor și izolatoarelor Faraday.
Pentru sticlă magneto-optică
Sticla magneto-optică Faraday are o transparență și o izotropie bune în regiunile vizibile și infraroșii și poate forma diverse forme complexe. Este ușor de produs în produse de dimensiuni mari și poate fi trasă în fibre optice. Prin urmare, are perspective largi de aplicare în dispozitive magneto-optice, cum ar fi izolatoare magneto-optice, modulatoare magneto-optice și senzori de curent cu fibră optică. Datorită momentului magnetic mare și coeficientului de absorbție mic în domeniul vizibil și infraroșii, ionii Tb3+ au devenit ioni de pământuri rare utilizați în mod obișnuit în sticlele magneto-optice.
Aliaj feromagnetostrictiv de terbiu-disprosiu
La sfârșitul secolului al XX-lea, odată cu adâncirea revoluției științifice și tehnologice mondiale, noi materiale aplicate în domeniul pământurilor rare au apărut rapid. În 1984, Universitatea de Stat din Iowa din Statele Unite, Laboratorul Ames al Departamentului de Energie al Statelor Unite și Centrul de Cercetare a Armelor de Suprafață al Marinei SUA (personalul principal al companiei American Edge Technology Company (ET REMA), înființată ulterior, provenea din acest centru) au dezvoltat împreună un nou material inteligent din pământuri rare, și anume material magnetostrictiv gigant de terbiu disprosiu fier. Acest nou material inteligent are caracteristicile excelente de a converti rapid energia electrică în energie mecanică. Traductoarele subacvatice și electroacustice fabricate din acest material magnetostrictiv gigant au fost configurate cu succes în echipamente navale, difuzoare pentru detectarea puțurilor de petrol, sisteme de control al zgomotului și vibrațiilor, precum și în sisteme de comunicare subterane și de explorare oceanică. Prin urmare, de îndată ce a apărut materialul magnetostrictiv gigant de terbiu disprosiu fier, acesta a primit o atenție largă din partea țărilor industrializate din întreaga lume. Edge Technologies din Statele Unite a început să producă materiale magnetostrictive gigantice pe bază de terbiu disprosiu fier în 1989 și le-a denumit Terfenol D. Ulterior, Suedia, Japonia, Rusia, Regatul Unit și Australia au dezvoltat, de asemenea, materiale magnetostrictive gigantice pe bază de 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 consolidează treptat înțelegerea acestui material. Cu toate acestea, după ce Puterea Națională Cuprinzătoare a Chinei a crescut semnificativ, cerințele pentru realizarea strategiei competitive militare în secolul XXI și îmbunătățirea nivelului de echipament vor fi cu siguranță foarte urgente. Prin urmare, utilizarea pe scară largă a materialelor magnetostrictive gigantice de terbiu disprosiu fier 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 din pământuri rare ar trebui să utilizeze, de asemenea, disprosiu, fier, cobalt sau gadoliniu, terbiu, cobalt, de cost redus, cât mai mult posibil; încercați să reduceți conținutul de terbiu din pulberea fluorescentă verde care trebuie utilizată. Prețul a devenit un factor important care restricționează utilizarea pe scară largă a terbiului. Dar multe materiale funcționale nu se pot lipsi de el, așa că trebuie să respectăm principiul „folosirii oțelului bun pe lamă” și să încercăm să economisim utilizarea terbiului cât mai mult posibil.
Data publicării: 05 iulie 2023