Element magic pământ rar: terbiu

terbiuaparține categoriei pământurilor rare grele, cu o abundență scăzută în scoarța terestră la doar 1,1 ppm.Oxid de terbiureprezintă mai puțin de 0,01% din totalul pământurilor rare. Chiar și în minereul de pământuri rare grele de tip ioni de ytriu cu cel mai mare conținut de terbiu, conținutul de terbiu reprezintă doar 1,1-1,2% din totalpământ rar, indicând că aparține categoriei „nobile” apământ rarelemente. 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 aniterbiuși-a arătat talentul unic.

Descoperirea Istoriei

Chimistul suedez Carl Gustaf Mosander a descoperit terbiul în 1843. El a descoperit impuritățile acestuia înoxid de ytriuşiY2O3. ytriueste numit după satul Itby din Suedia. Înainte de apariția tehnologiei schimbătoare de ioni, terbiul nu a fost izolat în forma sa pură.

Mossander a împărțit mai întâioxid de ytriuîn trei părți, toate numite după minereuri:oxid de ytriu, oxid de erbiu, șioxid de terbiu. Oxid de terbiua fost compus inițial dintr-o parte roz, datorită elementului cunoscut acum caerbiu. Oxid de erbiu(inclusiv ceea ce numim acum terbiu) a fost inițial o parte incoloră în soluție. Oxidul insolubil al acestui element este considerat maro.

Mai târziu, lucrătorilor le-a fost greu să observe micile incolore „oxid de erbiu„, dar partea roz solubilă nu poate fi ignorată. Dezbaterea asupra existenței luioxid de erbiua 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 disulfură de sodiu sau sulfat de potasiu pentru a îndepărta dioxidul de ceriu dinoxid de ytriuse întoarce neintenționatterbiuîn precipitate care conţin ceriu. Cunoscut în prezent ca"terbiu', doar aproximativ 1% din originaloxid de ytriueste prezent, dar acest lucru este suficient pentru a transmite o culoare galben deschisoxid de ytriu. Prin urmare,terbiueste o componentă secundară care o conținea inițial și este controlată de vecinii săi imediati,gadoliniuşidisprozie.

După aceea, oricând altulpământ rardin acest amestec au fost separate elemente, indiferent de proporția de oxid, denumirea de terbiu s-a păstrat până în cele din urmă, oxidul brun deterbiua fost obținut sub 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

Aspect electronic:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

Aranjamentul electronic alterbiueste [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. Cu toate acestea, în cazulterbiu, semi-umplutterbiupermite ionizarea suplimentară a celui de-al patrulea electron în prezența unui oxidant foarte puternic, cum ar fi fluorul gazos.

Metal

””

terbiueste 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 elementele lantanide timpurii, este relativ stabil în aer. Al nouălea element al elementelor lantanide, terbiul, este un metal foarte încărcat care reacționează cu apa pentru a forma hidrogen gazos.

In natura,terbiunu s-a găsit niciodată a fi un element liber, prezent în cantități mici în nisipul fosfor ceriu toriu și minereul de siliciu beriliu ytriu.terbiucoexistă cu alte elemente de pământuri rare în nisip monazit, cu un conținut în general de 0,03% terbiu. Alte surse includ fosfatul de ytriu și aurul din pământuri rare, ambele fiind amestecuri de oxizi care conțin până la 1% terbiu.

Aplicație

Aplicarea deterbiuimplică 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. Şiterbiueste 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

Pământ rarterbiupoate îmbunătăți calitatea culturilor și poate crește rata de fotosinteză într-un anumit interval de concentrație. Complecșii de terbiu au activitate biologică ridicată, iar complecșii ternari deterbiu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, au efecte antibacteriene și bactericide bune asupra Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis și Escherichia coli, cu proprietăți antibacteriene cu spectru larg. Studiul acestor 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. În cazul în care nașterea pământului rare TV color pulbere fluorescentă roșu a stimulat cererea pentruytriuşieuropiu, apoi aplicarea și dezvoltarea terbiului au fost promovate de pulbere 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 și aproape toate pulberile fluorescente verzi de pământuri rare folosescterbiu, ca activator.

Pulberea verde fluorescentă utilizată pentru tuburile cu raze catodice (CRT) TV color a fost întotdeauna bazată în principal pe sulfură de zinc ieftină și eficientă, dar pulberea de terbiu a fost întotdeauna folosită ca pulbere verde de proiecție TV color, cum ar fi 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 dezvoltate pulberi fluorescente de pământuri rare pentru ecrane de sensibilizare, cum ar fiterbiu, oxid de sulfură de lantan activat, oxid de bromură de lantan activat cu terbiu (pentru ecrane verzi) și oxid de sulfură de ytriu activat cu terbiu. În comparație cu tungstatul de calciu, pulberea fluorescentă de 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, 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%).

terbiueste, 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 magneto optice de terbiu aluminiu, 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 electroluminiscente realizate din terbiu includ în principal pulbere fluorescentă verde cu sulfură de zincterbiuca 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 înregistrat progrese semnificative în studiulpământ rarpelicule subțiri electroluminiscente complexe organice, există încă un anumit decalaj din punct de vedere practic, iar cercetarea privind peliculele și dispozitivele subțiri electroluminiscente complexe organice cu pământuri rare este încă în profunzime.

Caracteristicile de fluorescență ale terbiului sunt, de asemenea, utilizate ca sonde de fluorescență. Interacțiunea dintre complexul ofloxacin terbiu (Tb3+) și acidul dezoxiribonucleic (ADN) a fost studiată utilizând spectre de fluorescență și absorbție, cum ar fi sonda de fluorescență a ofloxacinei terbiu (Tb3+). Rezultatele au arătat că sonda ofloxacină Tb3+ poate forma o legătură cu moleculele de ADN, iar acidul dezoxiribonucleic poate spori în mod semnificativ fluorescența sistemului ofloxacină Tb3+. Pe baza acestei modificări, se poate determina acidul dezoxiribonucleic.

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 unghiuri mari 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 subțiri din aliaj de metal de tranziție de 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 continuă a revoluției tehnologice mondiale, au apărut rapid noi materiale de aplicare cu pământuri rare. În 1984, Universitatea de Stat din Iowa, Laboratorul Ames al Departamentului de Energie al SUA și Centrul de Cercetare a Armelor de Suprafață ale Marinei SUA (de la care a provenit personalul principal al Edge Technology Corporation (ET REMA) înființată mai târziu) au colaborat pentru a dezvolta un nou rar. material inteligent pământ, și anume material magnetostrictiv feromagnetic cu terbiu disproziu. Acest nou material inteligent are caracteristici excelente de transformare rapidă a energiei electrice 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, odată cu îmbunătățirea semnificativă a puterii naționale cuprinzătoare a Chinei, cererea pentru realizarea unei strategii militare competitive în secolul 21 și îmbunătățirea nivelurilor de echipamente va fi cu siguranță foarte urgentă. 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 aleterbiuface din acesta 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, de asemenea, un cost redusfier cu disproziecobalt sau gadoliniu terbiu cobalt pe cât posibil; 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 aterbiu. Dar multe materiale funcționale nu pot face fără ea, așa că trebuie să aderăm la principiul „folosirea de oțel bun pe lamă” și să încercăm să economisim utilizareaterbiupe cât posibil.

 


Ora postării: 25-oct-2023