Magiczny pierwiastek ziem rzadkich: terb

Terbnależy do kategorii ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, których zawartość w skorupie ziemskiej jest niewielka i wynosi zaledwie 1,1 ppm.Tlenek terbustanowi 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% całkowitejziemia rzadka, wskazując, że należy do kategorii „szlachetnej”.ziemia rzadkaelementy. Przez ponad 100 lat od odkrycia terbu w 1843 r. jego niedostatek i wartość przez długi czas uniemożliwiały jego praktyczne zastosowanie. To dopiero w ciągu ostatnich 30 latterbpokazał swój wyjątkowy talent.

Odkrywanie historii

Szwedzki chemik Carl Gustaf Mosander odkrył terb w 1843 roku. Odkrył zawarte w nim zanieczyszczeniatlenek itruIY2O3. Itrnosi nazwę wioski Itby w Szwecji. Przed pojawieniem się technologii wymiany jonowej terb nie był izolowany w czystej postaci.

Mossander pierwszy się podzieliłtlenek itruna trzy części, wszystkie nazwane na cześć rud:tlenek itru, tlenek erbu, Itlenek terbu. Tlenek terbupierwotnie składał się z części różowej, ze względu na element znany obecnie jakoerb. Tlenek erbu(w tym to, co obecnie nazywamy terbem) był pierwotnie bezbarwną częścią roztworu. Nierozpuszczalny tlenek tego pierwiastka uważa się za brązowy.

Późniejszym pracownikom trudno było zaobserwować maleńkie, bezbarwne „tlenek erbu„, ale nie można zignorować rozpuszczalnej różowej części. Debata na temat istnieniatlenek erbupojawiał 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 dwusiarczek sodu lub siarczan potasu do usuwania dwutlenku cerutlenek itruniechcący się obrócićterbdo osadów zawierających cer. Obecnie znany jakoterb', tylko około 1% oryginałutlenek itrujest obecny, ale to wystarczy, aby przekazać jasnożółty kolortlenek itru. Dlatego,terbjest komponentem wtórnym, który pierwotnie go zawierał i jest kontrolowany przez swoich bezpośrednich sąsiadów,gadolinIdysproz.

Potem, kiedykolwiek indziejziemia rzadkaz tej mieszaniny wyodrębniono pierwiastki, niezależnie od proporcji tlenku, nazwę terbu zachowano, aż w końcu powstał brązowy tlenekterbotrzymano 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

Układ elektroniczny:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4k10 5p6 6s2 4f9

Układ elektronicznyterbwynosi [Xe] 6s24f9. Zwykle tylko trzy elektrony można usunąć, zanim ładunek jądrowy stanie się zbyt duży, aby mógł zostać poddany dalszej jonizacji. Jednak w przypadkuterb, częściowo wypełnioneterbpozwala na dalszą jonizację czwartego elektronu w obecności bardzo silnego utleniacza, takiego jak gazowy fluor.

Metal

Terbto 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 wczesnymi pierwiastkami lantanowców jest stosunkowo stabilny w powietrzu. Dziewiąty pierwiastek pierwiastków lantanowców, terb, jest silnie naładowanym metalem, który reaguje z wodą, tworząc gazowy wodór.

W naturzeterbnigdy nie stwierdzono, że jest to pierwiastek wolny, występujący w małych ilościach w piasku fosforowo-cerowo-torowym i rudzie krzemowo-berylowo-itrowej.Terbwspółistnieje z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w piasku monacytowym, zawierającym zazwyczaj 0,03% terbu. Inne źródła obejmują fosforan itru i złoto ziem rzadkich, oba są mieszaninami tlenków zawierających do 1% terbu.

Aplikacja

ZastosowanieterbDotyczy to przede wszystkim dziedzin zaawansowanych technologii, czyli nowatorskich projektów opartych na technologii i wiedzy, a także projektów przynoszących istotne korzyści ekonomiczne i charakteryzujących się 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. Iterbjest 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

Rzadka ziemiaterbmoże poprawić jakość plonów i zwiększyć tempo fotosyntezy w pewnym zakresie stężeń. Kompleksy terbu mają wysoką aktywność biologiczną, a kompleksy trójskładnikoweterb, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, mają dobre działanie antybakteryjne i bakteriobójcze na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli, o szerokim spektrum właściwości przeciwbakteryjnych. Badanie tych 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 fluorescencyjnego proszku telewizyjnego w kolorze ziem rzadkich pobudziły popytitrIeurop, wówczas zastosowanie i rozwój terbu były promowane przez zielony proszek fluorescencyjny do lamp z trzema podstawowymi kolorami metali ziem rzadkich. 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 i prawie wszystkie zielone proszki fluorescencyjne metali ziem rzadkich wykorzystująterb, jako aktywator.

Zielony proszek fluorescencyjny używany w kineskopach (CRT) do telewizorów kolorowych zawsze opierał się głównie na tanim i wydajnym siarczku cynku, ale proszek terbu zawsze był używany jako zielony proszek do projekcji kolorowych telewizorów, taki jak 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 70. i 80. opracowano proszki fluorescencyjne metali ziem rzadkich do ekranów uczulających, takie jakterb,aktywowany tlenek siarczku lantanu, aktywowany terbem tlenek bromku lantanu (do zielonych ekranów) i aktywowany terbem tlenek siarczku itru. W porównaniu z wolframianem wapnia proszek fluorescencyjny pierwiastków ziem rzadkich może skrócić czas napromieniania rentgenowskiego pacjentów 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%).

Terbjest 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 niebieskie diody elektroluminescencyjne 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 proszek fluorescencyjny z siarczkiem cynkuterbjako aktywator. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego organiczne kompleksy terbu mogą emitować silną zieloną fluorescencję i mogą być stosowane jako cienkowarstwowe materiały elektroluminescencyjne. Mimo znacznego postępu w badaniach nadziemia rzadkaOrganiczne złożone cienkie warstwy elektroluminescencyjne, nadal istnieje pewna luka w stosunku do praktyczności, a badania nad cienkimi warstwami i urządzeniami elektroluminescencyjnymi złożonymi z organicznych pierwiastków ziem rzadkich są wciąż dogłębne.

Właściwości fluorescencyjne terbu są również wykorzystywane jako sondy fluorescencyjne. Interakcję pomiędzy kompleksem ofloksacyny terbowej (Tb3+) i kwasem dezoksyrybonukleinowym (DNA) badano przy użyciu widm fluorescencyjnych i absorpcyjnych, takich jak sonda fluorescencyjna ofloksacyny terbowej (Tb3+). Wyniki wykazały, że sonda ofloksacyny Tb3+ może tworzyć wiązanie rowkowe z cząsteczkami DNA, a kwas dezoksyrybonukleinowy może znacząco zwiększać fluorescencję układu ofloksacyny Tb3+. Na podstawie tej zmiany można oznaczyć kwas deoksyrybonukleinowy.

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 dużych kątach 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 wykorzystano cienkie warstwy stopu metalu przejściowego z amorficznego terbu. 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 ciągłym pogłębianiem się światowej rewolucji technologicznej, szybko pojawiały się nowe materiały do ​​zastosowań w pierwiastkach ziem rzadkich. W 1984 roku Uniwersytet Stanowy Iowa, Laboratorium Amesa Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i Centrum Badań nad Bronią Powierzchniową Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (z którego pochodził główny personel później utworzonej Korporacji Edge Technology Corporation (ET REMA)) współpracowały nad opracowaniem nowego, rzadkiego ziemski inteligentny materiał, mianowicie ferromagnetyczny materiał magnetostrykcyjny z dysprozem terbu. 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. Jednakże wraz ze znaczącym wzmocnieniem wszechstronnej siły narodowej Chin, zapotrzebowanie na osiągnięcie wojskowej strategii konkurencyjnej na miarę XXI wieku i poprawę poziomu wyposażenia z pewnością stanie 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 właściwościterbczynią go nieodzownym elementem 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 z pierwiastków ziem rzadkich również powinny być tanieżelazo dysprozowekobalt lub gadolin, terb-kobalt w miarę możliwości; Spróbuj zmniejszyć zawartość terbu w zielonym proszku fluorescencyjnym, którego należy użyć. Cena stała się ważnym czynnikiem ograniczającym powszechne stosowanieterb. Ale wiele materiałów funkcjonalnych nie może się bez niego obejść, dlatego musimy trzymać się zasady „używania dobrej stali na ostrzu” i starać się oszczędzać zużycieterbtak bardzo, jak to możliwe.