Terbiopertence á categoría de pesadosterras raras, cunha baixa abundancia na codia terrestre de só 1,1 ppm. O óxido de terbio representa menos do 0,01 % do total de terras raras. Mesmo no mineral de terras raras pesadas de tipo alto en ións de itrio co maior contido de terbio, o contido de terbio só representa o 1,1-1,2 % do total de terras raras, o que indica que pertence á categoría "nobre" de elementos de terras raras. Durante máis de 100 anos desde o descubrimento do terbio en 1843, a súa escaseza e valor impediron a súa aplicación práctica durante moito tempo. Só nos últimos 30 anos o terbio demostrou o seu talento único.
Descubrindo a historia
O químico sueco Carl Gustaf Mosander descubriu o terbio en 1843. Atopou as súas impurezas enÓxido de itrio(III)eY2O3O itrio recibe o seu nome da aldea de Ytterby, en Suecia. Antes da aparición da tecnoloxía de intercambio iónico, o terbio non se illaba na súa forma pura.
Mosant dividiu primeiro o óxido de itrio(III) en tres partes, todas elas nomeadas segundo minerais: óxido de itrio(III),Óxido de erbio(III)e óxido de terbio. O óxido de terbio estaba composto orixinalmente dunha parte rosa, debido ao elemento que agora se coñece como erbio. O «óxido de erbio(III)» (incluído o que hoxe chamamos terbio) era orixinalmente a parte esencialmente incolora da solución. O óxido insoluble deste elemento considérase marrón.
Posteriormente, os traballadores apenas puideron observar o diminuto e incoloro "óxido de erbio(III)", pero a parte rosa soluble non puido ser ignorada. Os debates sobre a existencia do óxido de erbio(III) xurdiron repetidamente. No caos, o nome orixinal inverteuse e o intercambio de nomes quedou estancado, polo que a parte rosa finalmente mencionouse como unha solución que contiña erbio (na solución, era rosa). Agora crese que os traballadores que usan bisulfato de sodio ou sulfato de potasio tomanÓxido de cerio(IV)a partir do óxido de itrio(III) e converter involuntariamente o terbio nun sedimento que contén cerio. Só arredor do 1 % do óxido de itrio(III) orixinal, agora coñecido como "terbio", é suficiente para darlle unha cor amarelada ao óxido de itrio(III). Polo tanto, o terbio é un compoñente secundario que inicialmente o contiña e está controlado polos seus veciños inmediatos, o gadolinio e o disprosio.
Despois, sempre que se separaban outros elementos de terras raras desta mestura, independentemente da proporción do óxido, o nome de terbio mantíñase ata que finalmente se obtiña o óxido marrón do terbio en forma pura. Os investigadores do século XIX non empregaban a tecnoloxía de fluorescencia ultravioleta para observar nódulos (III) amarelos ou verdes brillantes, o que facilitaba o recoñecemento do terbio en mesturas ou solucións sólidas.
Configuración electrónica
Configuración electrónica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
A configuración electrónica do terbio é [Xe] 6s24f9. Normalmente, só se poden eliminar tres electróns antes de que a carga nuclear se volva demasiado grande para ser ionizada máis, pero no caso do terbio, o terbio semicheo permite que o cuarto electrón se ionice máis en presenza de oxidantes moi fortes como o gas flúor.
O terbio é un metal de terras raras de cor branca prateada con ductilidade, dureza e brandura que se pode cortar cun coitelo. Punto de fusión 1360 ℃, punto de ebulición 3123 ℃, densidade 8229 4 kg/m3. En comparación cos lantánidos primitivos, é relativamente estable no aire. Como noveno elemento dos lantánidos, o terbio é un metal con forte electricidade. Reacciona coa auga para formar hidróxeno.
Na natureza, o terbio nunca se atopou como un elemento libre, e existe unha pequena cantidade do mesmo na area de fosfocerio, torio e gadolinita. O terbio coexiste con outros elementos de terras raras na area de monacita, cun contido xeral de terbio do 0,03 %. Outras fontes son a xenotima e os minerais de ouro negro raro, ambos os cales son mesturas de óxidos e conteñen ata un 1 % de terbio.
Aplicación
A aplicación do terbio abrangue principalmente campos de alta tecnoloxía, que son proxectos de vangarda intensivos en tecnoloxía e coñecemento, así como proxectos con beneficios económicos significativos e perspectivas de desenvolvemento atractivas.
As principais áreas de aplicación inclúen:
(1) Utilízase en forma de terras raras mesturadas. Por exemplo, úsase como fertilizante composto de terras raras e aditivo para pensos agrícolas.
(2) Activador para po verde en tres pos fluorescentes primarios. Os materiais optoelectrónicos modernos requiren o uso de tres cores básicas de fósforo, concretamente vermello, verde e azul, que se poden usar para sintetizar varias cores. E o terbio é un compoñente indispensable en moitos pos fluorescentes verdes de alta calidade.
(3) Emprégase como material de almacenamento magnetoóptico. As películas finas de aliaxe de metal de transición de terbio e metal amorfo empregáronse para fabricar discos magnetoópticos de alto rendemento.
(4) Fabricación de vidro magnetoóptico. O vidro rotatorio de Faraday que contén terbio é un material clave para a fabricación de rotadores, illadores e circuladores na tecnoloxía láser.
(5) O desenvolvemento e a elaboración da aliaxe ferromagnetostritiva de terbio-disprosio (TerFenol) abriu novas aplicacións para o terbio.
Para a agricultura e a gandería
O terbio de terras raras pode mellorar a calidade das colleitas e aumentar a taxa de fotosíntese dentro dun certo rango de concentracións. Os complexos de terbio teñen unha alta actividade biolóxica. Os complexos ternarios de terbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, teñen bos efectos antibacterianos e bactericidas sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli. Teñen un amplo espectro antibacteriano. O estudo destes complexos proporciona unha nova dirección de investigación para os fármacos bactericidas modernos.
Usado no campo da luminescencia
Os materiais optoelectrónicos modernos requiren o uso de tres cores básicas de fósforo, concretamente vermello, verde e azul, que se poden usar para sintetizar varias cores. E o terbio é un compoñente indispensable en moitos pos fluorescentes verdes de alta calidade. Se o nacemento do po fluorescente vermello de terras raras para televisións en cor estimulou a demanda de itrio e europio, entón a aplicación e o desenvolvemento do terbio foron promovidos polo po fluorescente verde de tres cores primarias de terras raras para lámpadas. A principios da década de 1980, Philips inventou a primeira lámpada fluorescente compacta de aforro de enerxía do mundo e promoveuna rapidamente a nivel mundial. Os ións Tb3+ poden emitir luz verde cunha lonxitude de onda de 545 nm, e case todos os fósforos verdes de terras raras usan terbio como activador.
O fósforo verde para o tubo de raios catódicos (CRT) de televisión en cor sempre se baseou no sulfuro de zinc, que é barato e eficiente, pero o po de terbio sempre se empregou como fósforo verde para a televisión en cor de proxección, incluíndo Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ e LaOBr ∶ Tb3+. Co desenvolvemento da televisión de alta definición de pantalla grande (HDTV), tamén se están a desenvolver pos fluorescentes verdes de alto rendemento para CRT. Por exemplo, desenvolveuse no estranxeiro un po fluorescente verde híbrido, composto por Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que teñen unha excelente eficiencia de luminescencia a alta densidade de corrente.
O po fluorescente de raios X tradicional é o volframato de calcio. Nas décadas de 1970 e 1980, desenvolvéronse fósforos de terras raras para pantallas intensificadoras, como o óxido de lantano con xofre activado por terbio, o óxido de lantano con bromo activado por terbio (para pantallas verdes), o óxido de itrio(III) con xofre activado por terbio, etc. En comparación co volframato de calcio, o po fluorescente de terras raras pode reducir o tempo de irradiación con raios X para os pacientes nun 80 %, mellorar a resolución das películas de raios X, prolongar a vida útil dos tubos de raios X e reducir o consumo de enerxía. O terbio tamén se usa como activador de po fluorescente para pantallas de mellora de raios X médicas, o que pode mellorar en gran medida a sensibilidade da conversión de raios X en imaxes ópticas, mellorar a claridade das películas de raios X e reducir en gran medida a dose de exposición aos raios X para o corpo humano (en máis do 50 %).
O terbio tamén se emprega como activador no fósforo de LED branco excitado por luz azul para a nova iluminación de semicondutores. Pode empregarse para producir fósforos de cristal óptico magnetométrico de aluminio e terbio, utilizando díodos emisores de luz azul como fontes de luz de excitación, e a fluorescencia xerada mestúrase coa luz de excitación para producir luz branca pura.
Os materiais electroluminescentes feitos de terbio inclúen principalmente fósforo verde de sulfuro de zinc con terbio como activador. Baixo irradiación ultravioleta, os complexos orgánicos de terbio poden emitir unha forte fluorescencia verde e pódense usar como materiais electroluminescentes de película fina. Aínda que se fixeron progresos significativos no estudo de películas finas electroluminescentes de complexos orgánicos de terras raras, aínda existe unha certa brecha en canto á practicidade, e a investigación sobre películas finas e dispositivos electroluminescentes de complexos orgánicos de terras raras aínda está en profundidade.
As características de fluorescencia do terbio tamén se empregan como sondas de fluorescencia. Por exemplo, a sonda de fluorescencia de ofloxacina terbio (Tb3+) empregouse para estudar a interacción entre o complexo de ofloxacina terbio (Tb3+) e o ADN (ADN) mediante o espectro de fluorescencia e o espectro de absorción, o que indica que a sonda de ofloxacina Tb3+ pode formar un suco que se une ás moléculas de ADN e que o ADN pode mellorar significativamente a fluorescencia do sistema de ofloxacina Tb3+. Con base neste cambio, pódese determinar o ADN.
Para materiais magnetoópticos
Os materiais con efecto Faraday, tamén coñecidos como materiais magnetoópticos, úsanse amplamente en láseres e outros dispositivos ópticos. Existen dous tipos comúns de materiais magnetoópticos: cristais magnetoópticos e vidro magnetoóptico. Entre eles, os cristais magnetoópticos (como o granate de ferro-itrio e o granate de terbio-galio) teñen as vantaxes dunha frecuencia de funcionamento axustable e unha alta estabilidade térmica, pero son caros e difíciles de fabricar. Ademais, moitos cristais magnetoópticos con ángulo de rotación de Faraday elevado teñen unha alta absorción no rango de onda curta, o que limita o seu uso. En comparación cos cristais magnetoópticos, o vidro magnetoóptico ten a vantaxe dunha alta transmitancia e é fácil de transformar en bloques ou fibras grandes. Na actualidade, os vidro magnetoópticos con alto efecto Faraday son principalmente vidro dopado con ións de terras raras.
Usado para materiais de almacenamento magnetoóptico
Nos últimos anos, co rápido desenvolvemento da multimedia e da automatización de oficinas, a demanda de novos discos magnéticos de alta capacidade foi aumentando. As películas de aliaxe de metal de transición de terbio amorfo utilizáronse para fabricar discos magnetoópticos de alto rendemento. Entre eles, a película fina de aliaxe TbFeCo ten o mellor rendemento. Os materiais magnetoópticos baseados en terbio producíronse a grande escala e os discos magnetoópticos feitos con eles utilízanse como compoñentes de almacenamento informático, cunha capacidade de almacenamento aumentada entre 10 e 15 veces. Teñen as vantaxes dunha gran capacidade e unha velocidade de acceso rápida, e pódense limpar e revestir decenas de miles de veces cando se usan para discos ópticos de alta densidade. Son materiais importantes na tecnoloxía de almacenamento de información electrónica. O material magnetoóptico máis utilizado nas bandas visible e infravermella próxima é o monocristal de granate de terbio-galio (TGG), que é o mellor material magnetoóptico para fabricar rotadores e illadores de Faraday.
Para vidro magnetoóptico
O vidro magnetoóptico de Faraday ten boa transparencia e isotropía nas rexións visible e infravermella, e pode formar varias formas complexas. É doado producir produtos de gran tamaño e pódese estirar en fibras ópticas. Polo tanto, ten amplas perspectivas de aplicación en dispositivos magnetoópticos como illantes magnetoópticos, moduladores magnetoópticos e sensores de corrente de fibra óptica. Debido ao seu gran momento magnético e pequeno coeficiente de absorción no rango visible e infravermello, os ións Tb3+ convertéronse en ións de terras raras de uso común en cristais magnetoópticos.
Liga ferromagnetoestrictiva de terbio e disprosio
A finais do século XX, coa profundación da revolución científica e tecnolóxica mundial, novos materiais aplicados de terras raras están a xurdir rapidamente. En 1984, a Universidade Estatal de Iowa dos Estados Unidos, o Laboratorio Ames do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos e o Centro de Investigación de Armas de Superficie da Armada dos Estados Unidos (o persoal principal da posteriormente establecida American Edge Technology Company (ET REMA) proviña do centro) desenvolveron conxuntamente un novo material intelixente de terras raras, concretamente un material magnetostritivo xigante de terbio disprosio ferro. Este novo material intelixente ten as excelentes características de converter rapidamente a enerxía eléctrica en enerxía mecánica. Os transdutores subacuáticos e electroacústicos feitos deste material magnetostritivo xigante configuráronse con éxito en equipos navais, altofalantes de detección de pozos de petróleo, sistemas de control de ruído e vibracións e sistemas de comunicación subterráneos e de exploración oceánica. Polo tanto, en canto naceu o material magnetostritivo xigante de terbio disprosio ferro, recibiu unha ampla atención dos países industrializados de todo o mundo. Edge Technologies nos Estados Unidos comezou a producir materiais magnetostritivos xigantes de terbio disprosio ferro en 1989 e chamounos Terfenol D. Posteriormente, Suecia, Xapón, Rusia, o Reino Unido e Australia tamén desenvolveron materiais magnetostritivos xigantes de terbio disprosio ferro.
Da historia do desenvolvemento deste material nos Estados Unidos, tanto a invención do material como as súas primeiras aplicacións monopolísticas están directamente relacionadas coa industria militar (como a mariña). Aínda que os departamentos militares e de defensa da China están a fortalecer gradualmente a súa comprensión deste material. Non obstante, despois de que o Poder Nacional Integral da China aumentase significativamente, os requisitos para levar a cabo a estratexia competitiva militar no século XXI e mellorar o nivel de equipamento serán certamente moi urxentes. Polo tanto, o uso xeneralizado de materiais magnetostritivos xigantes de terbio-disprosio-ferro por parte dos departamentos militares e de defensa nacional será unha necesidade histórica.
En resumo, as moitas e excelentes propiedades do terbio convérteno nun membro indispensable de moitos materiais funcionais e nunha posición irremplazable nalgúns campos de aplicación. Non obstante, debido ao alto prezo do terbio, a xente estivo estudando como evitar e minimizar o seu uso para reducir os custos de produción. Por exemplo, os materiais magnetoópticos de terras raras tamén deberían usar disprosio ferro cobalto ou gadolinio terbio cobalto de baixo custo tanto como sexa posible; Tentar reducir o contido de terbio no po fluorescente verde que se debe usar. O prezo converteuse nun factor importante que restrinxe o uso xeneralizado do terbio. Pero moitos materiais funcionais non poden prescindir del, polo que temos que adherirnos ao principio de "usar bo aceiro na lámina" e tentar aforrar o uso de terbio tanto como sexa posible.
Data de publicación: 05-07-2023