Terbiuaparține categoriei de pământuri rare grele, cu o abundență scăzută în scoarța terestră, de 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 ytriu cu cel mai mare conținut de terbiu, conținutul de terbiu reprezintă doar 1,1-1,2% din totalpământuri rare, indicând că aparține categoriei „nobile” apământuri rareelemente. Timp de peste 100 de ani de la descoperirea terbiului în 1843, raritatea și valoarea sa au împiedicat aplicarea sa practică pentru o lungă perioadă de timp. Abia în ultimii 30 de aniterbiuși-a demonstrat talentul unic.
Descoperind Istoria
Chimistul suedez Carl Gustaf Mosander a descoperit terbiul în 1843. El a descoperit impuritățile sale înoxid de ytriuşiY2O3. Ytriueste numit după satul Itby din Suedia. Înainte de apariția tehnologiei de schimb ionic, terbiul nu a fost izolat în forma sa pură.
Mossander a fost mai întâi divizatoxid de ytriuîn trei părți, toate numite după minereuri:oxid de ytriu, oxid de erbiușioxid de terbiu. Oxid de terbiua fost inițial compusă dintr-o parte roz, datorită elementului cunoscut acum sub numele deerbiu. 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.
Ulterior, cercetătorii au întâmpinat dificultăți în a observa mici „oxid de erbiu„, dar partea roz solubilă nu poate fi ignorată. Dezbaterea privind existențaoxid de erbiua apărut în mod repetat. În haos, numele original a fost inversat și 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 muncitorii care folosesc disulfură de sodiu sau sulfat de potasiu pentru a îndepărta dioxidul de ceriu dinoxid de ytriuîntoarcere neintenționatăterbiuîn precipitate care conțin ceriu. Cunoscut în prezent ca „terbiu„, doar aproximativ 1% din original”oxid de ytriueste prezent, dar acest lucru este suficient pentru a transmite o culoare galben deschisoxid de ytriuPrin urmare,terbiueste o componentă secundară care inițial o conținea și este controlată de vecinii săi imediați,gadoliniuşidisprosiu.
Ulterior, ori de câte ori altulpământuri rareelementele au fost separate din acest amestec, indiferent de proporția de oxid, denumirea de terbiu a fost păstrată până când, în final, oxidul maro deterbiua 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
Machetă electronică:
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. Totuși, în cazulterbiu, semi-umplutterbiupermite ionizarea ulterioară a celui de-al patrulea electron în prezența unui oxidant foarte puternic, cum ar fi fluorul gazos.
Metal
Terbiueste un metal alb-argintiu, de pământ rar, cu ductilitate, rezistență și moliciune, care poate fi tăiat cu un cuțit. Punct de topire 1360 ℃, punct de fierbere 3123 ℃, densitate 8229 4 kg/m3. Comparativ cu elementele lantanide timpurii, este relativ stabil în aer. Al nouălea element al elementelor lantanide, terbiul, este un metal puternic încărcat care reacționează cu apa pentru a forma hidrogen gazos.
În natură,terbiuNu s-a descoperit niciodată a fi un element liber, prezent în cantități mici în nisipul de fosfor, ceriu, toriu și în minereul de siliciu, beriliu și ytriu.Terbiucoexistă cu alte elemente de pământuri rare în nisipul monazit, cu un conținut general de terbiu de 0,03%. Alte surse includ fosfatul de ytriu și aurul de pământuri rare, ambele fiind amestecuri de oxizi care conțin până la 1% terbiu.
Aplicație
Aplicareaterbiuimplică în mare parte domenii de înaltă tehnologie, care sunt proiecte de vârf cu utilizare intensivă a tehnologiei și a cunoștințelor, 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 pulbere 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. Șiterbiueste 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 terbiu, au fost utilizate pentru fabricarea discurilor magnetooptice 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
Pământ rarterbiupoate îmbunătăți calitatea culturilor și poate crește rata fotosintezei într-un anumit interval de concentrație. Complexele de terbiu au o activitate biologică ridicată, iar complexele ternare 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.
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. Iar 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...ytriuşieuropiu... ... apoi aplicarea și dezvoltarea terbiului au fost promovate de pulberea fluorescentă verde cu 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 și aproape toate pulberile fluorescente verzi din pământuri rare utilizează...terbiu, ca activator.
Pulberea fluorescentă verde utilizată pentru tuburile catodice (CRT) ale televizoarelor color a fost întotdeauna bazată în principal pe sulfură de zinc ieftină și eficientă, însă pulberea de terbiu a fost întotdeauna utilizată ca pulbere verde pentru televizoarele color de proiecție, cum ar fi Y2SiO5:Tb3+, Y3 (Al, Ga)5O12:Tb3+ și LaOBr:Tb3+. Odată cu dezvoltarea televiziunii de înaltă definiție (HDTV) cu ecran mare, se dezvoltă și pulberi fluorescente verzi de înaltă performanță pentru CRT-uri. 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 dezvoltate pulberi fluorescente din 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. Comparativ 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, 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%).
Terbiueste, de asemenea, utilizat ca activator în fosforul LED alb excitat de lumină albastră pentru iluminarea semiconductorilor noi. Poate fi utilizat pentru a produce fosforuri cristaline optice magneto-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 electroluminescente fabricate din terbiu includ în principal pulbere fluorescentă verde cu sulfură de zinc cuterbiuca 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 studiulpământuri rareÎn cazul peliculelor subțiri electroluminescente complexe organice, există încă o anumită diferență față de practicitate, iar cercetarea privind peliculele subțiri electroluminescente complexe organice din pământuri rare și dispozitivele este încă aprofundată.
Caracteristicile de fluorescență ale terbiului sunt utilizate și ca sonde de fluorescență. Interacțiunea dintre complexul de ofloxacină 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 de ofloxacină Tb3+ poate forma un șanț care se leagă de moleculele de ADN, iar acidul dezoxiribonucleic poate spori semnificativ fluorescența sistemului ofloxacină Tb3+. Pe baza acestei modificări, se poate determina acidul dezoxiribonucleic.
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 unghiuri de rotație Faraday mari 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. Peliculele subțiri din aliaje metalice de tranziție amorfe, terbiu, au fost utilizate pentru fabricarea discurilor magneto-optice de înaltă performanță. Printre acestea, pelicula 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 și 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 șterse 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 magnetooptică 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 magnetooptice, cum ar fi izolatoare magnetooptice, modulatoare magnetooptice și senzori de curent cu fibră optică. Datorită momentului magnetic mare și coeficientului mic de absorbție în domeniul vizibil și infraroșii, ionii Tb3+ au devenit ioni de pământuri rare utilizați în mod obișnuit în sticlele magnetooptice.
Aliaj feromagnetostrictiv de terbiu-disprosiu
La sfârșitul secolului al XX-lea, odată cu adâncirea continuă a revoluției tehnologice mondiale, noi materiale pentru aplicații din pământuri rare au apărut rapid. În 1984, Universitatea de Stat din Iowa, Laboratorul Ames al Departamentului de Energie al SUA și Centrul de Cercetare a Armelor de Suprafață al Marinei SUA (din care a provenit personalul principal al Edge Technology Corporation (ET REMA), înființată ulterior) au colaborat pentru a dezvolta un nou material inteligent din pământuri rare, și anume materialul magnetostrictiv feromagnetic terbiu-disprosiu. Acest nou material inteligent are caracteristici excelente de conversie rapidă a energiei electrice în energie mecanică. Traductoarele subacvatice și electroacustice realizate 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 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, odată cu creșterea semnificativă a forței naționale globale a Chinei, cererea pentru realizarea unei strategii competitive militare a secolului XXI și îmbunătățirea nivelului de echipamente va fi cu siguranță foarte urgentă. 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 aleterbiuîl fac un element 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 și materiale cu costuri reduse.fier disprosiucobalt sau gadoliniu terbiu cobalt pe cât 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 aterbiuÎnsă 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 deterbiupe cât posibil.
Data publicării: 25 oct. 2023