Terbnależy do kategorii ciężkichmetale ziem rzadkich, którego zawartość w skorupie ziemskiej jest niewielka i wynosi zaledwie 1,1 ppm. Tlenek terbu stanowi mniej niż 0,01% całkowitej ilości pierwiastków ziem rzadkich. Nawet w rudzie ciężkiej ziem rzadkich o wysokiej zawartości jonów itru i najwyższej zawartości terbu, zawartość terbu stanowi jedynie 1,1-1,2% całkowitej ilości pierwiastków ziem rzadkich, co wskazuje, że należy ona do „szlachetnej” kategorii pierwiastków ziem rzadkich. Przez ponad 100 lat od odkrycia terbu w 1843 r. jego rzadkość i wartość uniemożliwiały jego praktyczne zastosowanie przez długi czas. Dopiero w ciągu ostatnich 30 lat terb pokazał swój wyjątkowy talent.
Odkrywanie historii
Szwedzki chemik Carl Gustaf Mosander odkrył terb w 1843 roku. Znalazł jego zanieczyszczenia wTlenek itru(III)IY2O3. Yttrium pochodzi od nazwy wioski Ytterby w Szwecji. Przed pojawieniem się technologii wymiany jonowej terb nie był izolowany w czystej postaci.
Mosant jako pierwszy podzielił tlenek itru(III) na trzy części, których nazwy pochodzą od rud: tlenek itru(III),Tlenek erbu(III)i tlenek terbu. Tlenek terbu pierwotnie składał się z różowej części, ze względu na pierwiastek znany obecnie jako erb. „Tlenek erbu(III)” (w tym to, co obecnie nazywamy terbem) pierwotnie był zasadniczo bezbarwną częścią roztworu. Nierozpuszczalny tlenek tego pierwiastka jest uważany za brązowy.
Późniejsi pracownicy ledwo mogli zauważyć maleńki bezbarwny „tlenek erbu(III)”, ale rozpuszczalnej różowej części nie można było zignorować. Debaty na temat istnienia tlenku erbu(III) pojawiały się wielokrotnie. W chaosie pierwotna nazwa została odwrócona, a zamiana nazw utknęła, więc różowa część została ostatecznie wymieniona jako roztwór zawierający erb (w roztworze był różowy). Obecnie uważa się, że pracownicy, którzy używają wodorosiarczanu sodu lub siarczanu potasu, biorąTlenek ceru(IV)z tlenku itru(III) i nieumyślnie zamienić terb w osad zawierający cer. Tylko około 1% pierwotnego tlenku itru(III), znanego obecnie jako „terb”, wystarcza, aby nadać tlenku itru(III) żółtawy kolor. Dlatego terb jest składnikiem wtórnym, który początkowo go zawierał, i jest kontrolowany przez swoich bezpośrednich sąsiadów, gadolin i dysproz.
Później, kiedykolwiek inne pierwiastki ziem rzadkich były oddzielane od tej mieszaniny, niezależnie od proporcji tlenku, nazwa terb była zachowywana, aż w końcu brązowy tlenek terbu był uzyskiwany w czystej postaci. Naukowcy w XIX wieku nie stosowali technologii fluorescencji ultrafioletowej do obserwowania jasnożółtych lub zielonych grudek (III), co ułatwiało rozpoznawanie terbu w stałych mieszaninach lub roztworach.
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Konfiguracja elektronowa terbu to [Xe] 6s24f9. Zwykle tylko trzy elektrony mogą zostać usunięte zanim ładunek jądrowy stanie się zbyt duży, aby mógł ulec dalszej jonizacji, ale w przypadku terbu, półwypełniony terb pozwala na dalszą jonizację czwartego elektronu w obecności bardzo silnych utleniaczy, takich jak gaz fluorowy.
Terb to srebrzystobiały rzadki metal ziemny o ciągliwości, wytrzymałości i miękkości, który można ciąć nożem. Temperatura topnienia 1360 ℃, temperatura wrzenia 3123 ℃, gęstość 8229 4 kg/m3. W porównaniu z wczesnym lantanowcem jest stosunkowo stabilny w powietrzu. Jako dziewiąty pierwiastek lantanowca, terb jest metalem o silnej elektryczności. Reaguje z wodą, tworząc wodór.
W naturze terb nigdy nie został znaleziony jako wolny pierwiastek, którego niewielka ilość występuje w piasku fosforowo-torowym i gadolinicie. Terb współistnieje z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w piasku monacytowym, z zawartością terbu na poziomie 0,03%. Innymi źródłami są ksenotym i czarne rudy złota, które są mieszaninami tlenków i zawierają do 1% terbu.
Aplikacja
Terb jest stosowany głównie w dziedzinach zaawansowanych technologii, w których wymagane są najnowocześniejsze projekty wymagające dużej wiedzy i technologii, a także w projektach o znacznych korzyściach ekonomicznych i atrakcyjnych perspektywach rozwoju.
Główne obszary zastosowań obejmują:
(1) Wykorzystywany w postaci mieszanych pierwiastków ziem rzadkich. Na przykład jest stosowany jako nawóz złożony z pierwiastków ziem rzadkich i dodatek paszowy dla rolnictwa.
(2) Aktywator zielonego proszku w trzech podstawowych proszkach fluorescencyjnych. Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają użycia trzech podstawowych kolorów fosforu, mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które mogą być użyte do syntezy różnych kolorów. A terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych.
(3) Stosowany jako materiał do przechowywania magnetooptycznego. Cienkie warstwy stopu metali przejściowych terbu i amorficznego metalu były używane do produkcji wysokowydajnych dysków magnetooptycznych.
(4) Produkcja szkła magnetooptycznego. Szkło rotacyjne Faradaya zawierające terb jest kluczowym materiałem do produkcji rotatorów, izolatorów i cyrkulatorów w technologii laserowej.
(5) Rozwój i doskonalenie stopu ferromagnetostrykcyjnego dysprozu i terbu (TerFenol) otworzyły nowe zastosowania dla terbu.
Do rolnictwa i hodowli zwierząt
Terb ziem rzadkich może poprawić jakość upraw i zwiększyć tempo fotosyntezy w określonym zakresie stężeń. Kompleksy terbu mają wysoką aktywność biologiczną. Kompleksy trójskładnikowe terbu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, mają dobre działanie przeciwbakteryjne i bakteriobójcze na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli. Mają szerokie spektrum przeciwbakteryjne. Badanie takich kompleksów wyznacza nowy kierunek badań dla nowoczesnych leków bakteriobójczych.
Stosowany w dziedzinie luminescencji
Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają użycia trzech podstawowych kolorów fosforu, mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które można wykorzystać do syntezy różnych kolorów. A terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych. Jeśli narodziny czerwonego fluorescencyjnego proszku telewizyjnego z metali ziem rzadkich pobudziły popyt na itr i europ, to zastosowanie i rozwój terbu zostały promowane przez trzy podstawowe zielone fluorescencyjne proszki z metali ziem rzadkich do lamp. Na początku lat 80. firma Philips wynalazła pierwszą na świecie kompaktową energooszczędną lampę fluorescencyjną i szybko wypromowała ją na całym świecie. Jony Tb3+ mogą emitować zielone światło o długości fali 545 nm, a prawie wszystkie zielone fosfory z metali ziem rzadkich wykorzystują terb jako aktywator.
Zielony fosfor do kineskopu (CRT) telewizora kolorowego zawsze był oparty na siarczku cynku, który jest tani i wydajny, ale proszek terbu był zawsze używany jako zielony fosfor do projekcyjnego telewizora kolorowego, w tym Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ i LaOBr ∶ Tb3+. Wraz z rozwojem telewizji wysokiej rozdzielczości na dużym ekranie (HDTV) opracowywane są również wysokowydajne zielone proszki fluorescencyjne do kineskopów (CRT). Na przykład za granicą opracowano hybrydowy zielony proszek fluorescencyjny, składający się z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, które mają doskonałą wydajność luminescencji przy wysokiej gęstości prądu.
Tradycyjnym fluorescencyjnym proszkiem rentgenowskim jest wolframian wapnia. W latach 70. i 80. opracowano luminofory ziem rzadkich do ekranów wzmacniających, takie jak tlenek lantanu aktywowany terbem siarki, tlenek lantanu aktywowany terbem bromu (do zielonych ekranów), tlenek ytru(III) aktywowany terbem siarki itp. W porównaniu z wolframianem wapnia, fluorescencyjny proszek ziem rzadkich może skrócić czas napromieniowania pacjentów promieniami rentgenowskimi o 80%, poprawić rozdzielczość filmów rentgenowskich, wydłużyć żywotność lamp rentgenowskich i zmniejszyć zużycie energii. Terb jest również stosowany jako aktywator proszku fluorescencyjnego do medycznych ekranów wzmacniających promieniowanie rentgenowskie, co może znacznie poprawić czułość konwersji promieni rentgenowskich na obrazy optyczne, poprawić przejrzystość filmów rentgenowskich i znacznie zmniejszyć dawkę promieniowania rentgenowskiego dla ludzkiego ciała (o ponad 50%).
Terb jest również stosowany jako aktywator w białym fosforze LED wzbudzanym niebieskim światłem do nowego oświetlenia półprzewodnikowego. Może być stosowany do produkcji terbowych aluminiowych magneto-optycznych kryształów fosforowych, wykorzystując niebieskie diody elektroluminescencyjne jako źródła światła wzbudzającego, a wygenerowana fluorescencja jest mieszana ze światłem wzbudzającym, aby uzyskać czyste białe światło.
Materiały elektroluminescencyjne wykonane z terbu obejmują głównie zielony fosfor siarczku cynku z terbem jako aktywatorem. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego organiczne kompleksy terbu mogą emitować silną zieloną fluorescencję i mogą być stosowane jako cienkowarstwowe materiały elektroluminescencyjne. Chociaż poczyniono znaczne postępy w badaniu cienkich warstw elektroluminescencyjnych z kompleksów organicznych ziem rzadkich, nadal istnieje pewna luka w stosunku do praktyczności, a badania nad cienkimi warstwami elektroluminescencyjnymi z kompleksów organicznych ziem rzadkich i urządzeniami są nadal dogłębne.
Charakterystyka fluorescencji terbu jest również wykorzystywana jako sondy fluorescencyjne. Na przykład sonda fluorescencyjna Ofloxacin terbium (Tb3+) została użyta do zbadania interakcji między kompleksem Ofloxacin terbium (Tb3+) a DNA (DNA) za pomocą widma fluorescencji i widma absorpcyjnego, co wskazuje, że sonda Ofloxacin Tb3+ może tworzyć wiązanie rowkowe z cząsteczkami DNA, a DNA może znacząco zwiększyć fluorescencję układu Ofloxacin Tb3+. Na podstawie tej zmiany można określić DNA.
Do materiałów magnetooptycznych
Materiały z efektem Faradaya, znane również jako materiały magnetooptyczne, są szeroko stosowane w laserach i innych urządzeniach optycznych. Istnieją dwa powszechne rodzaje materiałów magnetooptycznych: kryształy magnetooptyczne i szkło magnetooptyczne. Spośród nich kryształy magnetooptyczne (takie jak granat żelazowo-ytrowy i granat galowo-terbowy) mają zalety regulowanej częstotliwości roboczej i wysokiej stabilności termicznej, ale są drogie i trudne w produkcji. Ponadto wiele kryształów magnetooptycznych o wysokim kącie obrotu Faradaya ma wysoką absorpcję w zakresie fal krótkich, co ogranicza ich zastosowanie. W porównaniu z kryształami magnetooptycznymi szkło magnetooptyczne ma zaletę wysokiej przepuszczalności i jest łatwe do wykonania w duże bloki lub włókna. Obecnie szkła magnetooptyczne o wysokim efekcie Faradaya to głównie szkła domieszkowane jonami ziem rzadkich.
Stosowany do materiałów pamięci magnetooptycznej
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem multimediów i automatyzacji biurowej, wzrosło zapotrzebowanie na nowe dyski magnetyczne o dużej pojemności. Amorficzne warstwy stopu metalu przejściowego terbu zostały użyte do produkcji dysków magnetooptycznych o wysokiej wydajności. Spośród nich cienka warstwa stopu TbFeCo ma najlepszą wydajność. Materiały magnetooptyczne na bazie terbu zostały wyprodukowane na dużą skalę, a dyski magnetooptyczne z nich wykonane są używane jako komponenty pamięci masowej komputera, przy czym pojemność pamięci wzrosła 10-15 razy. Mają zalety dużej pojemności i szybkiej prędkości dostępu, a przy stosowaniu do dysków optycznych o dużej gęstości można je wycierać i powlekać dziesiątki tysięcy razy. Są ważnymi materiałami w technologii elektronicznego przechowywania informacji. Najczęściej używanym materiałem magnetooptycznym w pasmach widzialnym i bliskiej podczerwieni jest monokryształ granatu terbowo-galowego (TGG), który jest najlepszym materiałem magnetooptycznym do produkcji rotatorów i izolatorów Faradaya.
Do szkła magnetooptycznego
Magneto-optyczne szkło Faradaya ma dobrą przezroczystość i izotropię w zakresie widzialnym i podczerwonym oraz może tworzyć różne złożone kształty. Łatwo jest wytwarzać produkty o dużych rozmiarach i można je wciągać do włókien optycznych. Dlatego ma szerokie perspektywy zastosowania w urządzeniach magneto-optycznych, takich jak izolatory magneto-optyczne, modulatory magneto-optyczne i światłowodowe czujniki prądu. Ze względu na duży moment magnetyczny i mały współczynnik absorpcji w zakresie widzialnym i podczerwonym jony Tb3+ stały się powszechnie stosowanymi jonami ziem rzadkich w szkłach magneto-optycznych.
Stop ferromagnetostrykcyjny terbu i dysprozu
Pod koniec XX wieku, wraz z pogłębiającą się światową rewolucją naukową i technologiczną, szybko pojawiają się nowe materiały stosowane z rzadkich ziem. W 1984 roku Iowa State University of the United States, Ames Laboratory of the United States Department of Energy of the United States oraz US Navy Surface Weapons Research Center (główny personel późniejszej American Edge Technology Company (ET REMA) pochodził z tego centrum) wspólnie opracowały nowy materiał Smart z rzadkich ziem, mianowicie gigantyczny materiał magnetostrykcyjny z terbu i dysprozu. Ten nowy materiał Smart ma doskonałe właściwości szybkiej konwersji energii elektrycznej w energię mechaniczną. Podwodne i elektroakustyczne przetworniki wykonane z tego gigantycznego materiału magnetostrykcyjnego zostały pomyślnie skonfigurowane w sprzęcie marynarki wojennej, głośnikach wykrywających odwierty naftowe, systemach kontroli hałasu i wibracji oraz systemach eksploracji oceanów i komunikacji podziemnej. Dlatego też, gdy tylko narodził się gigantyczny materiał magnetostrykcyjny z terbu i dysprozu żelaza, zyskał on powszechną uwagę krajów uprzemysłowionych na całym świecie. Firma Edge Technologies w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła produkcję olbrzymich materiałów magnetostrykcyjnych na bazie terbu, dysprozu i żelaza w 1989 roku i nadała im nazwę Terfenol D. Następnie Szwecja, Japonia, Rosja, Wielka Brytania i Australia również opracowały olbrzymie materiały magnetostrykcyjne na bazie terbu, dysprozu i żelaza.
Z historii rozwoju tego materiału w Stanach Zjednoczonych wynika, że zarówno wynalezienie materiału, jak i jego wczesne zastosowania monopolistyczne są bezpośrednio związane z przemysłem wojskowym (takim jak marynarka wojenna). Chociaż chińskie departamenty wojskowe i obrony stopniowo wzmacniają swoją wiedzę na temat tego materiału. Jednak po znacznym zwiększeniu Wszechstronnej Narodowej Mocy Chin, wymagania dotyczące realizacji wojskowej strategii konkurencyjnej w XXI wieku i podniesienia poziomu wyposażenia z pewnością będą bardzo pilne. Dlatego powszechne stosowanie olbrzymich materiałów magnetostrykcyjnych terb-dysproz-żelazo przez departamenty wojskowe i obrony narodowej będzie historyczną koniecznością.
Krótko mówiąc, wiele doskonałych właściwości terbu sprawia, że jest on niezbędnym elementem wielu materiałów funkcjonalnych i niezastąpioną pozycją w niektórych dziedzinach zastosowań. Jednak ze względu na wysoką cenę terbu ludzie badali, jak unikać i minimalizować stosowanie terbu w celu obniżenia kosztów produkcji. Na przykład materiały magnetooptyczne ziem rzadkich powinny również wykorzystywać tani dysproz żelazo-kobalt lub gadolin terb kobalt w jak największym stopniu; Staraj się zmniejszyć zawartość terbu w zielonym proszku fluorescencyjnym, który musi być używany. Cena stała się ważnym czynnikiem ograniczającym powszechne stosowanie terbu. Jednak wiele materiałów funkcjonalnych nie może się bez niego obejść, więc musimy przestrzegać zasady „używania dobrej stali na ostrzu” i starać się oszczędzać stosowanie terbu w jak największym stopniu.
Czas publikacji: 05-07-2023