Terbiuma nehéz kategóriába tartozikritkaföldfémek, a földkéregben alacsony, mindössze 1,1 ppm koncentrációban fordul elő. A terbium-oxid a teljes ritkaföldfém-mennyiség kevesebb mint 0,01%-át teszi ki. Még a legmagasabb terbiumtartalmú, magas ittriumion-tartalmú nehéz ritkaföldfémércben is a terbiumtartalom a teljes ritkaföldfém-mennyiségnek csak 1,1-1,2%-át teszi ki, ami arra utal, hogy a ritkaföldfémek „nemes” kategóriájába tartozik. A terbium 1843-as felfedezése óta eltelt több mint 100 évben ritkasága és értéke hosszú időre megakadályozta gyakorlati alkalmazását. Csak az elmúlt 30 évben mutatta meg a terbium egyedülálló tehetségét.
A történelem felfedezése
A svéd vegyész, Carl Gustaf Mosander 1843-ban fedezte fel a terbiumot. Szennyeződéseit a következőkben találta meg:Ittrium(III)-oxidésY2O3Az ittriumot a svédországi Ytterby faluról nevezték el. Az ioncserélő technológia megjelenése előtt a terbiumot nem izolálták tiszta formájában.
Mosant először az ittrium(III)-oxidot három részre osztotta, amelyeket mindegyik ércről neveztek el: ittrium(III)-oxid,Erbium(III)-oxid, és a terbium-oxid. A terbium-oxid eredetileg egy rózsaszín részből állt, az erbium néven ismert elemnek köszönhetően. Az „erbium(III)-oxid” (beleértve azt is, amit ma terbiumnak nevezünk) eredetileg az oldat lényegében színtelen része volt. Ennek az elemnek az oldhatatlan oxidját barnának tekintik.
A későbbi munkások alig tudták megfigyelni az apró, színtelen „erbium(III)-oxidot”, de az oldható rózsaszín részt nem lehetett figyelmen kívül hagyni. Az erbium(III)-oxid létezéséről ismételten viták merültek fel. A káoszban az eredeti nevet felcserélték, és a névcsere elakadt, így a rózsaszín részt végül erbiumot tartalmazó oldatként említették (az oldatban rózsaszín volt). Ma már úgy vélik, hogy a nátrium-hidrogén-szulfátot vagy kálium-szulfátot használó munkások…Cérium(IV)-oxidaz ittrium(III)-oxidból, és akaratlanul is cériumot tartalmazó üledékké alakítja a terbiumot. Az eredeti ittrium(III)-oxidnak, amelyet ma „terbiumnak” neveznek, mindössze körülbelül 1%-a elegendő ahhoz, hogy az ittrium(III)-oxid sárgás színt kapjon. Ezért a terbium egy másodlagos komponens, amely eredetileg tartalmazta, és közvetlen szomszédai, a gadolínium és a diszprózium szabályozzák.
Később, valahányszor más ritkaföldfémeket választottak el ebből a keverékből, az oxid arányától függetlenül, a terbium nevet megtartották, amíg végül a terbium barna oxidját tiszta formában nem kapták meg. A 19. századi kutatók nem használtak ultraibolya fluoreszcencia technológiát az élénk sárga vagy zöld (III) csomók megfigyelésére, ami megkönnyítette a terbium felismerését szilárd keverékekben vagy oldatokban.
Elektronkonfiguráció
Elektronkonfiguráció:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
A terbium elektronkonfigurációja [Xe]₆₀₈₄⁹. Normális esetben csak három elektron távolítható el, mielőtt a mag töltése túl nagy lesz a további ionizációhoz, de a terbium esetében a félig töltött terbium lehetővé teszi a negyedik elektron további ionizációját nagyon erős oxidálószerek, például fluorgáz jelenlétében.
A terbium egy ezüstfehér ritkaföldfém, képlékeny, szívós és puha, késsel vágható. Olvadáspontja 1360 ℃, forráspontja 3123 ℃, sűrűsége 8229 4 kg/m3. A korai lantanidákhoz képest viszonylag stabil a levegőben. A lantanidák kilencedik elemeként a terbium erős elektromossággal rendelkező fém. Vízzel reagálva hidrogént képez.
A természetben a terbiumot soha nem találták szabad elemként, kis mennyiségben megtalálható a foszfocérium-tórium homokban és a gadolinitban. A terbium más ritkaföldfémekkel együtt fordul elő a monacit homokban, általában 0,03% terbiumtartalommal. További források a xenotim és a fekete nemesaranyércek, amelyek mindkettő oxidok keveréke, és legfeljebb 1% terbiumot tartalmaznak.
Alkalmazás
A terbium alkalmazása főként a high-tech területeket érinti, amelyek technológia- és tudásintenzív élvonalbeli projektek, valamint jelentős gazdasági előnyökkel járó és vonzó fejlesztési kilátásokkal rendelkező projektek.
A főbb alkalmazási területek a következők:
(1) Vegyes ritkaföldfémek formájában használják. Például ritkaföldfém-komplex műtrágyaként és takarmány-adalékanyagként használják a mezőgazdaságban.
(2) Zöld por aktivátora három primer fluoreszkáló porban. A modern optoelektronikai anyagok három alapszínű foszfor használatát igénylik, nevezetesen vöröset, zöldet és kéket, amelyekkel különféle színek szintetizálhatók. A terbium pedig nélkülözhetetlen alkotóeleme számos kiváló minőségű zöld fluoreszkáló pornak.
(3) Magnetooptikai tárolóanyagként használják. Amorf fém-terbium átmenetifém ötvözet vékonyrétegeket használtak nagy teljesítményű magnetooptikai lemezek gyártásához.
(4) Magnetooptikai üveg gyártása. A terbiumot tartalmazó Faraday-féle rotációs üveg kulcsfontosságú anyag a lézertechnológiában használt rotátorok, izolátorok és keringtetők gyártásához.
(5) A terbium-diszprózium ferromagnetostrikciós ötvözet (TerFenol) fejlesztése és fejlesztése új alkalmazási lehetőségeket nyitott a terbium számára.
Mezőgazdaság és állattenyésztés számára
A ritkaföldfém terbium bizonyos koncentrációtartományon belül javíthatja a növények minőségét és növelheti a fotoszintézis sebességét. A terbium komplexek magas biológiai aktivitással rendelkeznek. A terbium háromkomponensű komplexei, a Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, jó antibakteriális és baktericid hatással rendelkeznek a Staphylococcus aureus, a Bacillus subtilis és az Escherichia coli ellen. Széles antibakteriális spektrummal rendelkeznek. Az ilyen komplexek vizsgálata új kutatási irányt jelent a modern baktericid gyógyszerek számára.
A lumineszcencia területén használják
A modern optoelektronikai anyagok három alapszínű foszfor használatát igénylik, nevezetesen vöröset, zöldet és kéket, amelyekkel különböző színek szintetizálhatók. A terbium pedig nélkülözhetetlen alkotóeleme számos kiváló minőségű zöld fluoreszkáló pornak. Ha a ritkaföldfém színes TV-vörös fluoreszkáló por születése felkeltette az ittrium és az európium iránti keresletet, akkor a terbium alkalmazását és fejlesztését a ritkaföldfém három alapszínű zöld fluoreszkáló porja lámpákhoz segítette elő. Az 1980-as évek elején a Philips feltalálta a világ első kompakt energiatakarékos fénycsövét, és gyorsan világszerte népszerűsítette. A Tb3+ ionok 545 nm hullámhosszú zöld fényt bocsáthatnak ki, és szinte az összes ritkaföldfém zöld foszfor terbiumot használ aktivátorként.
A színes televíziók katódsugárcsöveiben (CRT) használt zöld foszfor mindig is cink-szulfidon alapult, amely olcsó és hatékony anyag, de a terbiumport mindig is használták zöld foszforként a vetítős színes televíziókban, beleértve az Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ és LaOBr ∶ Tb3+ összetételűeket. A nagyméretű, nagyfelbontású televíziók (HDTV) fejlődésével a CRT-khez készült nagy teljesítményű zöld fluoreszcens porok is fejlesztés alatt állnak. Külföldön például egy hibrid zöld fluoreszcens port fejlesztettek ki, amely Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ és Y2SiO5:Tb3+ összetételű, és kiváló lumineszcencia-hatékonysággal rendelkezik nagy áramsűrűség mellett.
A hagyományos röntgenfluoreszcens por a kalcium-volframát. Az 1970-es és 1980-as években ritkaföldfém-foszforokat fejlesztettek ki az erősítő képernyőkhöz, mint például a terbiummal aktivált kén-lantán-oxid, a terbiummal aktivált brómmal aktivált lantán-oxid (zöld képernyőkhöz), a terbiummal aktivált kén-ittrium(III)-oxid stb. A kalcium-volframáthoz képest a ritkaföldfém-fluoreszcens por 80%-kal csökkentheti a betegek röntgenbesugárzásának idejét, javíthatja a röntgenfilmek felbontását, meghosszabbíthatja a röntgencsövek élettartamát és csökkentheti az energiafogyasztást. A terbiumot fluoreszcens por aktivátoraként is használják orvosi röntgenerősítő képernyőkhöz, ami nagymértékben javíthatja a röntgensugarak optikai képekké alakításának érzékenységét, javíthatja a röntgenfilmek tisztaságát, és nagymértékben (több mint 50%-kal) csökkentheti az emberi test röntgensugárzásának expozíciós dózisát.
A terbiumot aktivátorként is használják az új félvezető világítási rendszerekben használt kék fénnyel gerjesztett fehér LED-foszforban. Használható terbium-alumínium magneto optikai kristályfoszforok előállítására, kék fénykibocsátó diódákat használva gerjesztő fényforrásként, és a keletkezett fluoreszcenciát a gerjesztő fénnyel összekeverve tiszta fehér fényt hoznak létre.
A terbiumból készült elektrolumineszcens anyagok főként cink-szulfid zöld foszfort tartalmaznak, terbiummal mint aktivátorral. Ultraibolya besugárzás alatt a terbium szerves komplexei erős zöld fluoreszcenciát bocsáthatnak ki, és vékonyréteg elektrolumineszcens anyagként használhatók. Bár jelentős előrelépés történt a ritkaföldfém szerves komplex elektrolumineszcens vékonyrétegek vizsgálatában, még mindig van bizonyos eltérés a gyakorlatiasságtól, és a ritkaföldfém szerves komplex elektrolumineszcens vékonyrétegekkel és eszközökkel kapcsolatos kutatások még mindig mélyrehatóak.
A terbium fluoreszcencia jellemzőit fluoreszcencia próbaként is használják. Például az Ofloxacin terbium (Tb3+) fluoreszcencia próbát az Ofloxacin terbium (Tb3+) komplex és a DNS (DNS) közötti kölcsönhatás vizsgálatára használták fluoreszcencia spektrum és abszorpciós spektrum segítségével, ami azt jelzi, hogy az Ofloxacin Tb3+ próba barázdát képezhet a DNS-molekulákkal való kötődés során, és a DNS jelentősen fokozhatja az Ofloxacin Tb3+ rendszer fluoreszcenciáját. Ezen változás alapján meghatározható a DNS.
Magnetooptikai anyagokhoz
A Faraday-effektusú anyagokat, más néven magnetooptikai anyagokat, széles körben használják lézerekben és más optikai eszközökben. A magnetooptikai anyagoknak két gyakori típusa van: a magnetooptikai kristályok és a magnetooptikai üveg. Ezek közül a magnetooptikai kristályok (például az ittrium-vas-gránát és a terbium-gallium-gránát) az állítható üzemi frekvencia és a magas hőstabilitás előnyeivel rendelkeznek, de drágák és nehezen gyárthatók. Ezenkívül számos, nagy Faraday-forgásszögű magnetooptikai kristály nagyfokú abszorpcióval rendelkezik a rövidhullámú tartományban, ami korlátozza a felhasználásukat. A magnetooptikai kristályokkal összehasonlítva a magnetooptikai üveg előnye a nagy áteresztőképesség, és könnyen előállítható nagy tömbökké vagy szálakká. Jelenleg a nagy Faraday-effektusú magnetooptikai üvegek főként ritkaföldfém-ionokkal adalékolt üvegek.
Magnetooptikai tárolóanyagokhoz használják
Az utóbbi években a multimédia és az irodai automatizálás gyors fejlődésével egyre nagyobb az igény az új, nagy kapacitású mágneses lemezekre. Az amorf fém terbium átmenetifém ötvözet fóliákat nagy teljesítményű magnetooptikai lemezek gyártásához használták. Közülük a TbFeCo ötvözet vékonyréteg rendelkezik a legjobb teljesítménygel. A terbium alapú magnetooptikai anyagokat nagy mennyiségben gyártották, és az ezekből készült magnetooptikai lemezeket számítógépes tárolóalkatrészekként használják, a tárolókapacitás 10-15-szörösére nőtt. Előnyük a nagy kapacitás és a gyors hozzáférési sebesség, és nagy sűrűségű optikai lemezekhez használva több tízezer alkalommal törölhetők és vonhatók be. Fontos anyagok az elektronikus információtárolási technológiában. A látható és közeli infravörös sávokban a leggyakrabban használt magnetooptikai anyag a terbium-gallium gránát (TGG) egykristály, amely a legjobb magnetooptikai anyag Faraday forgatók és izolátorok készítéséhez.
Magneto optikai üveghez
A Faraday magneto optikai üveg jó átlátszósággal és izotrópiával rendelkezik a látható és infravörös tartományban, és különféle összetett alakzatokat képes kialakítani. Könnyen előállítható belőle nagyméretű termékek, és optikai szálakká húzható. Ezért széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál magneto optikai eszközökben, például magneto optikai izolátorokban, magneto optikai modulátorokban és száloptikai áramérzékelőkben. Nagy mágneses momentuma és kis abszorpciós együtthatója miatt a látható és infravörös tartományban a Tb3+ ionok gyakran használt ritkaföldfém ionokká váltak a magneto optikai üvegekben.
Terbium-diszprózium ferromagnetostrikciós ötvözet
A 20. század végén, a világ tudományos és technológiai forradalmának elmélyülésével, gyorsan megjelentek az új ritkaföldfém alkalmazott anyagok. 1984-ben az Egyesült Államok Iowa Állami Egyeteme, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Ames Laboratóriuma és az Egyesült Államok Haditengerészetének Felszíni Fegyverkutató Központja (a később létrehozott American Edge Technology Company (ET REMA) fő személyzete a központból érkezett) közösen kifejlesztettek egy új ritkaföldfém intelligens anyagot, nevezetesen a terbium-diszprózium vasóriás magnetostrikciós anyagot. Ez az új intelligens anyag kiváló tulajdonságokkal rendelkezik, hogy gyorsan átalakítja az elektromos energiát mechanikai energiává. Az ebből az óriás magnetostrikciós anyagból készült víz alatti és elektroakusztikus átalakítókat sikeresen konfigurálták haditengerészeti felszerelésekben, olajkút-felderítő hangszórókban, zaj- és rezgésszabályozó rendszerekben, valamint óceánkutató és földalatti kommunikációs rendszerekben. Ezért amint megszületett a terbium-diszprózium vasóriás magnetostrikciós anyag, széles körű figyelmet kapott a világ iparosodott országaiban. Az Egyesült Államokban az Edge Technologies 1989-ben kezdte meg a terbium-diszprózium-vasóriás magnetostrikciós anyagok gyártását, és Terfenol D-nek nevezte el őket. Ezt követően Svédország, Japán, Oroszország, az Egyesült Királyság és Ausztrália is kifejlesztett terbium-diszprózium-vasóriás magnetostrikciós anyagokat.
Az anyag amerikai egyesült államokbeli fejlesztésének történetéből kiindulva mind az anyag feltalálása, mind korai monopolhelyzetbe kerülése közvetlenül kapcsolódik a hadiiparhoz (például a haditengerészethez). Bár Kína katonai és védelmi minisztériumai fokozatosan erősítik az anyaggal kapcsolatos ismereteiket, Kína átfogó nemzeti ereje jelentősen megnőtt, így a 21. századi katonai versenystratégia megvalósításának és a felszerelés színvonalának javításának követelményei minden bizonnyal nagyon sürgetővé válnak. Ezért a terbium-diszprózium vasóriás magnetostrikciós anyagok széles körű használata a katonai és nemzetvédelmi minisztériumok által történelmi szükségszerűség lesz.
Röviden, a terbium számos kiváló tulajdonsága nélkülözhetetlen tagjává teszi számos funkcionális anyagnak, és pótolhatatlan pozíciót foglal el bizonyos alkalmazási területeken. A terbium magas ára miatt azonban az emberek tanulmányozzák, hogyan lehet elkerülni és minimalizálni a terbium használatát a gyártási költségek csökkentése érdekében. Például a ritkaföldfém magnetooptikai anyagoknak a lehető legnagyobb mértékben olcsó diszprózium-vas-kobaltot vagy gadolínium-terbium-kobaltot is kell használniuk; Meg kell próbálni csökkenteni a terbium tartalmát a felhasználandó zöld fluoreszkáló porban. Az ár fontos tényezővé vált, amely korlátozza a terbium széles körű elterjedését. De sok funkcionális anyag nem nélkülözheti, ezért be kell tartanunk a „jó minőségű acél használata a pengén” elvet, és meg kell próbálnunk a terbium használatát a lehető legnagyobb mértékben megspórolni.
Közzététel ideje: 2023. július 5.