Terbnależy do kategorii ciężkichpierwiastki ziem rzadkich, przy niewielkiej liczebności w skorupie ziemskiej wynoszącej zaledwie 1,1 ppm. Tlenek terbu stanowi mniej niż 0,01% wszystkich pierwiastków ziem rzadkich. Nawet w rudach ciężkich metali ziem rzadkich o wysokiej zawartości jonów itru i najwyższej zawartości terbu, zawartość terbu stanowi jedynie 1,1-1,2% całkowitej zawartości 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 niedostatek i wartość przez długi czas uniemożliwiały jego praktyczne zastosowanie. Dopiero w ciągu ostatnich 30 lat terb pokazał swój wyjątkowy talent.
Odkrywanie historii
Szwedzki chemik Carl Gustaf Mosander odkrył terb w 1843 roku. Znalazł w nim zanieczyszczeniaTlenek itru(III).IY2O3. Nazwa itru pochodzi od wioski Ytterby w Szwecji. Przed pojawieniem się technologii wymiany jonowej terb nie był izolowany w czystej postaci.
Mosant najpierw podzielił tlenek itru(III) na trzy części, wszystkie nazwane na cześć rud: tlenek itru(III),Tlenek erbu(III).i tlenek terbu. Tlenek terbu pierwotnie składał się z części różowej ze względu na pierwiastek znany obecnie jako erb. „Tlenek erbu(III)” (w tym to, co obecnie nazywamy terbem) był pierwotnie zasadniczo bezbarwną częścią roztworu. Nierozpuszczalny tlenek tego pierwiastka uważa się za brązowy.
Późniejsi pracownicy z trudem zauważyli maleńki, bezbarwny „tlenek erbu(III)”, ale nie można było zignorować rozpuszczalnej różowej części. Debaty na temat istnienia tlenku erbu (III) toczyły się wielokrotnie. W chaosie pierwotna nazwa została odwrócona i wymiana nazw utknęła, więc ostatecznie część różowa została wymieniona jako roztwór zawierający erb (w roztworze był różowy). Obecnie uważa się, że pracownicy stosujący wodorosiarczan sodu lub siarczan potasu biorąTlenek ceru(IV).z tlenku itru(III) i w sposób niezamierzony przekształcają terb w osad zawierający cer. Tylko około 1% pierwotnego tlenku itru(III), obecnie znanego jako „terb”, wystarczy, aby nadać żółtawy kolor tlenkowi itru(III). Dlatego terb jest składnikiem wtórnym, który pierwotnie go zawierał, i jest kontrolowany przez swoich bezpośrednich sąsiadów, gadolin i dysproz.
Następnie, ilekroć z tej mieszaniny oddzielano inne pierwiastki ziem rzadkich, niezależnie od proporcji tlenku, nazwę terbu utrzymywano, aż w końcu otrzymano brązowy tlenek terbu w czystej postaci. Naukowcy w XIX wieku nie stosowali technologii fluorescencji w ultrafiolecie do obserwacji jasnożółtych lub zielonych guzków (III), co ułatwiło rozpoznanie terbu w stałych mieszaninach lub roztworach.
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4k10 5p6 6s2 4f9
Konfiguracja elektronowa terbu to [Xe] 6s24f9. Zwykle tylko trzy elektrony można usunąć, zanim ładunek jądrowy stanie się zbyt duży, aby można go było poddać dalszej jonizacji, ale w przypadku terbu, terb częściowo wypełniony umożliwia dalszą jonizację czwartego elektronu w obecności bardzo silnych utleniaczy, takich jak gazowy fluor.
Terb to srebrno-biały metal ziem rzadkich o ciągliwości, wytrzymałości i miękkości, który można ciąć nożem. Temperatura topnienia 1360 ℃, temperatura wrzenia 3123 ℃, gęstość 8229 4kg/m3. W porównaniu z wczesnym lantanowcem jest stosunkowo stabilny w powietrzu. Jako dziewiąty pierwiastek lantanowców, terb jest metalem o silnej elektryczności. Reaguje z wodą tworząc wodór.
W naturze nigdy nie stwierdzono, że terb jest wolnym pierwiastkiem, którego niewielka ilość występuje w piasku torowo-fosfocerowym i gadolinicie. Terb współistnieje z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w piasku monacytowym, zawierającym zazwyczaj 0,03% terbu. Innymi źródłami są ksenotym i rudy czarnego, rzadkiego złota, które są mieszaninami tlenków i zawierają do 1% terbu.
Aplikacja
Zastosowanie terbu dotyczy głównie dziedzin zaawansowanych technologii, które są nowatorskimi projektami wymagającymi dużej technologii i wiedzy, a także projektami przynoszącymi znaczne korzyści ekonomiczne i atrakcyjnymi perspektywami rozwoju.
Główne obszary zastosowań obejmują:
(1) Wykorzystywany w postaci mieszanych pierwiastków ziem rzadkich. Na przykład stosuje się go jako złożony nawóz zawierający pierwiastki ziem rzadkich i dodatek paszowy w rolnictwie.
(2) Aktywator zielonego proszku w trzech podstawowych proszkach fluorescencyjnych. Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają stosowania trzech podstawowych kolorów luminoforów, a mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które można wykorzystać do syntezy różnych kolorów. Terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych.
(3) Używany jako magnetooptyczny materiał magazynujący. Do produkcji wysokowydajnych dysków magnetooptycznych wykorzystano cienkie warstwy stopu metalu przejściowego z amorficznego terbu.
(4) Produkcja szkła magnetooptycznego. Szkło obrotowe Faradaya zawierające terb jest kluczowym materiałem do produkcji rotatorów, izolatorów i cyrkulatorów w technologii laserowej.
(5) Rozwój i rozwój ferromagnetostrykcyjnego stopu dysprozu terbu (TerFenolu) otworzył nowe zastosowania terbu.
Dla rolnictwa i hodowli zwierząt
Terb ziem rzadkich może poprawić jakość upraw i zwiększyć tempo fotosyntezy w pewnym zakresie stężeń. Kompleksy terbu mają wysoką aktywność biologiczną. Trójskładnikowe kompleksy terbu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, mają dobre działanie antybakteryjne i bakteriobójcze na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli. Mają szerokie spektrum antybakteryjne. Badanie takich kompleksów wyznacza nowy kierunek badań współczesnych leków bakteriobójczych.
Stosowany w dziedzinie luminescencji
Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają stosowania trzech podstawowych kolorów luminoforów, a mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które można wykorzystać do syntezy różnych kolorów. Terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych. Jeśli narodziny czerwonego proszku fluorescencyjnego z metali ziem rzadkich pobudziły popyt na itr i europ, wówczas zastosowanie i rozwój terbu były wspierane przez zielony proszek fluorescencyjny z trzema podstawowymi kolorami metali ziem rzadkich do lamp. Na początku lat 80. firma Philips wynalazła pierwszą na świecie kompaktową, energooszczędną świetlówkę i szybko ją wypromowała na całym świecie. Jony Tb3+ mogą emitować zielone światło o długości fali 545 nm, a prawie wszystkie zielone luminofory ziem rzadkich wykorzystują terb jako aktywator.
Zielony luminofor do kineskopów (CRT) do telewizorów kolorowych zawsze opierał się na siarczku cynku, który jest tani i wydajny, ale proszek terbowy był zawsze używany jako zielony luminofor do kolorowych telewizorów projekcyjnych, włączając Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ i LaOBr ∶ Tb3+. Wraz z rozwojem wielkoekranowej telewizji wysokiej rozdzielczości (HDTV) opracowywane są również wysokowydajne zielone proszki fluorescencyjne do kineskopów. 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 skuteczność luminescencji przy dużej gęstości prądu.
Tradycyjnym proszkiem fluorescencyjnym rentgenowskim jest wolframian wapnia. W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku opracowano luminofory ziem rzadkich do ekranów wzmacniających, takie jak siarka aktywowana terbem, tlenek lantanu, brom aktywowany terbem, tlenek lantanu (do zielonych ekranów), siarka aktywowana terbem, tlenek itru (III) itp. W porównaniu z wolframianem wapnia, proszek fluorescencyjny pierwiastków ziem rzadkich może skrócić czas naświetlania 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 w medycznych ekranach wzmacniających promieniowanie rentgenowskie, co może znacznie poprawić czułość konwersji promieni rentgenowskich na obrazy optyczne, poprawić przejrzystość filmów rentgenowskich i znacznie zmniejszyć dawkę ekspozycji promieniowania rentgenowskiego promieni do organizmu ludzkiego (o ponad 50%).
Terb jest również stosowany jako aktywator białego luminoforu LED wzbudzanego niebieskim światłem w nowym oświetleniu półprzewodnikowym. Można go stosować do wytwarzania magnetooptycznych luminoforów kryształowo-optycznych z terbowo-aluminiowego, wykorzystując diody elektroluminescencyjne niebieskiego jako źródła światła wzbudzenia, a wygenerowana fluorescencja jest mieszana ze światłem wzbudzenia, aby wytworzyć czyste białe światło.
Materiały elektroluminescencyjne wykonane z terbu obejmują głównie zielony luminofor 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 badaniach cienkich warstw elektroluminescencyjnych złożonych organicznych pierwiastków ziem rzadkich, nadal istnieje pewna luka w stosunku do praktyczności, a badania nad cienkimi warstwami i urządzeniami elektroluminescencyjnymi złożonymi z organicznych pierwiastków ziem rzadkich są nadal dogłębne.
Właściwości fluorescencyjne terbu są również wykorzystywane jako sondy fluorescencyjne. Na przykład sondę fluorescencyjną ofloksacyny terbowej (Tb3+) zastosowano do badania interakcji pomiędzy kompleksem terbowym ofloksacyny (Tb3+) a DNA (DNA) za pomocą widma fluorescencyjnego i widma absorpcyjnego, wskazując, że sonda Ofloksacyny Tb3+ może tworzyć wiązanie rowkowe z cząsteczkami DNA, i DNA mogą znacznie zwiększyć fluorescencję systemu Ofloksacyna Tb3+. Na podstawie tej zmiany można określić DNA.
Do materiałów magnetooptycznych
Materiały z efektem Faradaya, zwane także materiałami magnetooptycznymi, są szeroko stosowane w laserach i innych urządzeniach optycznych. Istnieją dwa popularne typy materiałów magnetooptycznych: kryształy magnetooptyczne i szkło magnetooptyczne. Wśród nich kryształy magnetooptyczne (takie jak granat itrowo-żelazowy i granat terbowo-galowy) mają zalety regulowanej częstotliwości roboczej i wysokiej stabilności termicznej, ale są drogie i trudne w produkcji. Ponadto wiele kryształów magnetooptycznych o dużym kącie rotacji Faradaya charakteryzuje się dużą absorpcją w zakresie fal krótkich, co ogranicza ich zastosowanie. W porównaniu z kryształami magnetooptycznymi, szkło magnetooptyczne ma tę zaletę, że charakteryzuje się wysoką przepuszczalnością i można je łatwo przekształcić w duże bloki lub włókna. Obecnie szkła magnetooptyczne o wysokim efekcie Faradaya to głównie szkła domieszkowane jonami ziem rzadkich.
Stosowany do materiałów magnetooptycznych
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem multimediów i automatyzacji biura, wzrasta zapotrzebowanie na nowe dyski magnetyczne o dużej pojemności. Do produkcji wysokowydajnych dysków magnetooptycznych zastosowano folie ze stopu metalu przejściowego z amorficznym metalem terbem. Wśród nich cienka folia ze stopu TbFeCo ma najlepszą wydajność. Materiały magnetooptyczne na bazie terbu są produkowane na dużą skalę, a wykonane z nich dyski magnetooptyczne wykorzystywane są jako elementy pamięci komputerowych, których pojemność zwiększa się 10-15 razy. Mają zalety dużej pojemności i dużej szybkości dostępu, a w przypadku dysków optycznych o dużej gęstości można je przecierać i powlekać dziesiątki tysięcy razy. Są ważnymi materiałami w technologii elektronicznego przechowywania informacji. Najpowszechniej stosowanym materiałem magnetooptycznym w pasmach widzialnym i bliskiej podczerwieni jest monokryształ terbowo-galowego granatu (TGG), który jest najlepszym materiałem magnetooptycznym do produkcji rotatorów i izolatorów Faradaya.
Do szkła magnetooptycznego
Szkło magnetooptyczne Faradaya ma dobrą przezroczystość i izotropię w obszarach widzialnych i podczerwonych 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 magnetooptycznych, takich jak izolatory magnetooptyczne, modulatory magnetooptyczne 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 magnetooptycznych.
Stop ferromagnetostrykcyjny terbowo-dysprozowy
Pod koniec XX wieku, wraz z pogłębieniem się światowej rewolucji naukowej i technologicznej, szybko pojawiają się nowe materiały stosowane z pierwiastkami ziem rzadkich. W 1984 roku Uniwersytet Stanowy Iowa Stanów Zjednoczonych, Laboratorium Amesa Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Stanów Zjednoczonych oraz Centrum Badań nad Bronią Powierzchniową Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (główny personel powstałej później firmy American Edge Technology Company (ET REMA) pochodził z w środku) wspólnie opracowali nowy, inteligentny materiał ziem rzadkich, mianowicie gigantyczny materiał magnetostrykcyjny z dysprozem i terbem i żelazem. Ten nowy, inteligentny materiał ma doskonałe właściwości szybkiego przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną. Przetworniki podwodne i elektroakustyczne wykonane z tego gigantycznego materiału magnetostrykcyjnego zostały z powodzeniem skonfigurowane w sprzęcie morskim, głośnikach do wykrywania szybów naftowych, systemach kontroli hałasu i wibracji oraz systemach eksploracji oceanów i podziemnej komunikacji. Dlatego też, gdy tylko narodził się gigantyczny materiał magnetostrykcyjny z dysprozem terbowo-żelazowym, wzbudził on szerokie zainteresowanie krajów uprzemysłowionych na całym świecie. Firma Edge Technologies w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła produkcję gigantycznych materiałów magnetostrykcyjnych z dysprozem terbowo-żelazowym w 1989 r. i nazwała je Terfenol D. Następnie Szwecja, Japonia, Rosja, Wielka Brytania i Australia również opracowały gigantyczne materiały magnetostrykcyjne z dysprozem terbowo-żelazowym.
Z historii rozwoju tego materiału w Stanach Zjednoczonych wynika, że zarówno wynalezienie materiału, jak i jego wczesne monopolistyczne zastosowania są bezpośrednio związane z przemysłem zbrojeniowym (np. marynarką wojenną). Chociaż chińskie departamenty wojskowe i obrony stopniowo wzmacniają swoją wiedzę na temat tego materiału. Jednak po znaczącym wzroście Wszechstronnej Mocy Narodowej Chin, wymagania dotyczące realizacji wojskowej strategii konkurencyjnej w XXI wieku i poprawy poziomu wyposażenia z pewnością staną się bardzo pilne. Dlatego powszechne zastosowanie gigantycznych materiałów magnetostrykcyjnych z dysprozem terbu i żelaza przez departamenty wojskowe i obrony narodowej będzie historyczną koniecznością.
Krótko mówiąc, wiele doskonałych właściwości terbu czyni go niezbędnym składnikiem wielu materiałów funkcjonalnych i niezastąpioną pozycją w niektórych obszarach zastosowań. Jednak ze względu na wysoką cenę terbu ludzie badają, jak unikać i minimalizować użycie terbu, aby obniżyć koszty produkcji. Na przykład materiały magnetooptyczne zawierające pierwiastki ziem rzadkich powinny również w miarę możliwości wykorzystywać tani dysprozowo-żelazowo-kobaltowy lub gadolinowo-terbowo-kobaltowy; Spróbuj zmniejszyć zawartość terbu w zielonym proszku fluorescencyjnym, którego należy użyć. Cena stała się ważnym czynnikiem ograniczającym powszechne zastosowanie terbu. Ale wiele materiałów funkcjonalnych nie może się bez niego obejść, dlatego musimy trzymać się zasady „używania dobrej stali na ostrzu” i starać się maksymalnie oszczędzać użycie terbu.
Czas publikacji: 05 lipca 2023 r