Mágikus ritkaföldfém elem: Terbium

Terbiuma nehéz ritkaföldfémek kategóriájába tartozik, a földkéregben alacsony, mindössze 1,1 ppm előfordulással.Terbium-oxidaz összes ritkaföldfém kevesebb mint 0,01%-át teszi ki. Még a legmagasabb terbiumtartalmú, magas ittrium-ion típusú nehéz ritkaföldfém-ércben is a terbiumtartalom csak az összmennyiség 1,1-1,2%-át teszi ki.ritkaföldfém, jelezve, hogy a „nemes” kategóriába tartozikritkaföldfémelemeket. A terbium 1843-as felfedezése óta több mint 100 éve, szűkössége és értéke hosszú ideig akadályozta a gyakorlati alkalmazását. Ez csak az elmúlt 30 évben történt megterbiummegmutatta egyedülálló tehetségét.

A történelem felfedezése

Carl Gustaf Mosander svéd vegyész 1843-ban fedezte fel a terbiumot.ittrium-oxidésY2O3. Ittriuma svédországi Itby faluról kapta a nevét. Az ioncserélő technológia megjelenése előtt a terbiumot nem izolálták tiszta formájában.

Mossander először megosztottittrium-oxidhárom részre oszthatók, amelyek mindegyike az ércekről kapta a nevét:ittrium-oxid, erbium-oxid, ésterbium-oxid. Terbium-oxideredetileg egy rózsaszín részből állt, a ma ismert elem miatterbium. Erbium-oxid(beleértve azt is, amit ma terbiumnak nevezünk) eredetileg egy színtelen rész volt oldatban. Ennek az elemnek az oldhatatlan oxidját barnának tekintik.

A későbbi munkások nehezen vették észre az apró színteleneket.erbium-oxid“, de az oldódó rózsaszín részt nem lehet figyelmen kívül hagyni. A vita a létezésérőlerbium-oxidtöbbször is felmerült. A káoszban az eredeti név megfordult és a névcsere elakadt, így végül a rózsaszín részt erbiumot tartalmazó oldatként emlegették (az oldatban rózsaszín volt). Ma úgy gondolják, hogy azok a dolgozók, akik nátrium-diszulfidot vagy kálium-szulfátot használnak a cérium-dioxid eltávolításáraittrium-oxidakaratlanul megfordulniterbiumcériumtartalmú csapadékba. Jelenleg 'terbium", az eredetinek csak körülbelül 1%-aittrium-oxidjelen van, de ez elegendő a világossárga szín átviteléhezittrium-oxid. Ezért,terbiumegy másodlagos összetevő, amely eredetileg tartalmazta, és közvetlen szomszédai irányítják,gadolíniumésdiszprózium.

Utána, bármikor máskorritkaföldfémEbből a keverékből az elemeket leválasztották, az oxid arányától függetlenül a terbium nevét megtartották, míg végül a barna oxidterbiumtiszta formában kaptuk. A 19. század kutatói nem alkalmaztak ultraibolya fluoreszcencia technológiát az élénksárga vagy zöld csomók (III) megfigyelésére, ami megkönnyítette a terbium felismerését szilárd keverékekben vagy oldatokban.

Elektron konfiguráció

Elektronikus elrendezés:

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

Az elektronikus elrendezéseterbiuma [Xe] 6s24f9. Normális esetben csak három elektron távolítható el, mielőtt a magtöltés túl nagy lesz ahhoz, hogy tovább ionizálható legyen. Abban az esetben azonban, haterbium, a félig töltöttterbiumlehetővé teszi a negyedik elektron további ionizálását egy nagyon erős oxidálószer, például fluorgáz jelenlétében.

Fém

TerbiumEzüst fehér ritkaföldfém, amely rugalmas, szívós és puha, késsel vágható. Olvadáspont 1360 ℃, forráspont 3123 ℃, sűrűség 8229 4kg/m3. A korai lantanid elemekkel összehasonlítva viszonylag stabil a levegőben. A lantanid elemek kilencedik eleme, a terbium egy nagy töltésű fém, amely vízzel reagálva hidrogéngázt képez.

A természetben,terbiumsoha nem találták szabad elemnek, kis mennyiségben jelen van a foszforos cérium-tórium-homokban és a szilícium-berillium ittrium-ércben.Terbiumegyütt létezik más ritkaföldfém elemekkel a monacit homokban, általában 0,03% terbiumtartalommal. Egyéb források közé tartozik az ittrium-foszfát és a ritkaföldfém-arany, mindkettő legfeljebb 1% terbiumot tartalmazó oxidok keveréke.

Alkalmazás

Az alkalmazásaterbiumtöbbnyire high-tech területeket érint, amelyek technológia- és tudásintenzív élvonalbeli projektek, valamint jelentős gazdasági haszonnal járó, vonzó fejlődési kilátásokkal rendelkező projektek.

A fő alkalmazási területek a következők:

(1) Vegyes ritkaföldfémek formájában hasznosítják. Például ritkaföldfém-műtrágyaként és takarmány-adalékanyagként használják a mezőgazdaságban.

(2) Aktivátor zöld porhoz három elsődleges fluoreszcens porban. A modern optoelektronikai anyagok a fényporok három alapszínének, nevezetesen a vörösnek, a zöldnek és a kéknek a használatát igénylik, amelyek különböző színek szintetizálására használhatók. Ésterbiumszámos kiváló minőségű zöld fluoreszcens por nélkülözhetetlen összetevője.

(3) Magnetooptikai tárolóanyagként használják. Amorf fém, terbium átmenetifém ötvözetből készült vékony filmeket használtak nagy teljesítményű mágneses optikai lemezek gyártására.

(4) Magnetooptikai üveg gyártása. A terbiumot tartalmazó Faraday forgóüveg kulcsfontosságú anyag a lézertechnológiában használt rotátorok, szigetelők és keringtetők gyártásához.

(5) A terbium-dysprosium ferromagnetostriktív ötvözet (TerFenol) fejlesztése és fejlesztése új alkalmazásokat nyitott meg a terbium számára.

Mezőgazdaságra és állattenyésztésre

Ritkaföldfémterbiumjavíthatja a termés minőségét és növelheti a fotoszintézis sebességét egy bizonyos koncentráció tartományon belül. A terbium komplexei nagy biológiai aktivitással rendelkeznek, a hármas komplexek pedigterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, jó antibakteriális és baktericid hatással bír a Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis és Escherichia coli ellen, széles spektrumú antibakteriális tulajdonságokkal. Ezeknek a komplexeknek a vizsgálata új kutatási irányt ad a modern baktericid gyógyszerek számára.

A lumineszcencia területén használják

A modern optoelektronikai anyagok a fényporok három alapszínének, nevezetesen a vörösnek, a zöldnek és a kéknek a használatát igénylik, amelyek különböző színek szintetizálására használhatók. A terbium pedig számos kiváló minőségű zöld fluoreszcens por nélkülözhetetlen komponense. Ha a születés a ritkaföldfém színes TV piros fluoreszkáló por serkentette a keresletetittriuméseurópium, akkor a terbium alkalmazását és fejlesztését a ritkaföldfém három alapszín zöld fénycsöves por segítette elő lámpákhoz. 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 bocsátanak ki, és szinte minden ritkaföldfém zöld fluoreszcens porterbium, aktivátorként.

A színes TV katódsugárcsövekhez (CRT) használt zöld fluoreszcens por mindig is elsősorban olcsó és hatékony cink-szulfidon alapult, de a terbiumport mindig is használták vetítési színes TV-zöld porként, például Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ és LaOBr: Tb3+. A nagy képernyős nagyfelbontású televízió (HDTV) kifejlesztésével a CRT-ekhez való nagy teljesítményű zöld fluoreszcens porok is fejlesztés alatt állnak. Például külföldön kifejlesztettek egy hibrid zöld fluoreszcens port, amely Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ és Y2SiO5: Tb3+ anyagokból áll, amelyek nagy áramsűrűség mellett kiváló lumineszcens hatásfokkal rendelkeznek.

A hagyományos röntgen-fluoreszcens por a kalcium-volframát. Az 1970-es és 1980-as években ritkaföldfém fluoreszcens porokat fejlesztettek ki érzékenyítő képernyőkhöz, mint pl.terbium,aktivált lantán-szulfid-oxid, terbium-aktivált lantán-bromid-oxid (zöld képernyőkhöz) és terbium-aktivált ittrium-szulfid-oxid. A kalcium-volframáttal összehasonlítva a ritkaföldfém fluoreszcens por 80%-kal csökkentheti a betegek röntgensugárzásának idejét, javíthatja a röntgenfilmek felbontását, meghosszabbíthatja a röntgencsövek élettartamát és csökkentheti az energiafogyasztást. A terbiumot fluoreszcens por-aktivátorként is használják orvosi röntgensugárzás-javító képernyőkhöz, amelyek nagymértékben javíthatják a röntgensugárzás optikai képpé alakításának érzékenységét, javíthatják a röntgenfilmek tisztaságát, és nagymértékben csökkenthetik a röntgensugárzás expozíciós dózisát. az emberi testet érő sugarak (több mint 50%-kal).

Terbiumaktivátorként is használják a kék fénnyel gerjesztett fehér LED fényporban az új félvezető világításhoz. Használható terbium-alumínium mágneses optikai kristály foszforok előállítására, gerjesztő fényforrásként kék fénykibocsátó diódákat használva, és a generált fluoreszcenciát összekeverik a gerjesztő fénnyel, hogy tiszta fehér fényt állítsanak elő.

A terbiumból készült elektrolumineszcens anyagok főként cink-szulfid zöld fluoreszcens port tartalmaznakterbiummint az aktivátor. Ultraibolya besugárzás hatására a szerves terbium komplexek erős zöld fluoreszcenciát bocsáthatnak ki, és vékonyfilmes elektrolumineszcens anyagokként használhatók. Bár jelentős előrelépés történt a tanulmányozásábanritkaföldfémszerves komplex elektrolumineszcens vékonyfilmek, még mindig van egy bizonyos rés a gyakorlatiasságtól, és a ritkaföldfém komplex elektrolumineszcens vékonyrétegek és eszközök kutatása még mindig mélyreható.

A terbium fluoreszcencia jellemzőit fluoreszcens szondákként is használják. Az ofloxacin-terbium (Tb3+) komplex és a dezoxiribonukleinsav (DNS) közötti kölcsönhatást fluoreszcencia és abszorpciós spektrumok, például az ofloxacin terbium (Tb3+) fluoreszcens próbája segítségével tanulmányoztuk. Az eredmények azt mutatták, hogy az ofloxacin Tb3+ próba barázda kötést tud kialakítani a DNS molekulákkal, a dezoxiribonukleinsav pedig jelentősen fokozza az ofloxacin Tb3+ rendszer fluoreszcenciáját. E változás alapján a dezoxiribonukleinsav meghatározható.

Magnetooptikai anyagokhoz

A Faraday-hatású anyagokat, más néven magneto-optikai anyagokat széles körben használják lézerekben és más optikai eszközökben. A mágneses optikai anyagoknak két általános típusa van: a magnetooptikai kristályok és a magnetooptikai üveg. Közülük a magneto-optikai kristályok (például ittrium-vasgránát és terbium-gallium-gránát) állítható működési frekvenciával és nagy termikus stabilitással rendelkeznek, de drágák és nehezen gyárthatók. Ezenkívül sok nagy Faraday-forgásszögű magneto-optikai kristály nagy abszorpcióval rendelkezik a rövid hullámtartományban, ami korlátozza használatukat. A magnetooptikai kristályokhoz képest a magnetooptikai üveg előnye, hogy nagy áteresztőképességgel rendelkezik, és könnyen alakítható nagy tömbökké vagy szálakká. Jelenleg a nagy Faraday-effektussal rendelkező magneto-optikai üvegek főként ritkaföldfém-ionnal adalékolt üvegek.

Magnetooptikai tárolóanyagokhoz használják

Az elmúlt években a multimédia és az irodai automatizálás rohamos fejlődésével az új, nagy kapacitású mágneslemezek iránti igény megnőtt. Amorf fém, terbium átmenetifém ötvözetből készült vékony filmeket használtak nagy teljesítményű mágneses optikai lemezek gyártására. Közülük a TbFeCo ötvözet vékonyréteg a legjobb teljesítményt nyújtja. Terbium alapú magneto-optikai anyagokat nagy mennyiségben gyártottak, a belőlük készült magneto-optikai lemezeket számítógépes tárolóelemként használják, 10-15-szörös tárolókapacitással. Előnyük a nagy kapacitás és a gyors hozzáférési sebesség, és több tízezer alkalommal törölhetők és bevonhatók, ha nagy sűrűségű optikai lemezekhez használják őket. Az elektronikus információtárolási technológia fontos anyagai. A látható és közeli infravörös sávban leggyakrabban használt magneto-optikai anyag a terbium-gallium-gránát (TGG) egykristály, amely a legjobb mágneses-optikai anyag a Faraday-forgatók és -szigetelők gyártásához.

Magnetooptikai üveghez

A Faraday magneto optikai üveg jó átlátszósággal és izotrópiával rendelkezik a látható és infravörös tartományban, és különféle összetett formákat tud kialakítani. Könnyen előállítható nagy méretű termékek, optikai szálakba húzható. Ezért széles körű alkalmazási lehetőségei vannak a mágneses optikai eszközökben, például a mágneses optikai leválasztókban, a mágneses optikai modulátorokban és a száloptikai áramérzékelőkben. Nagy mágneses nyomatékának és kis abszorpciós együtthatójának köszönhetően a látható és infravörös tartományban a Tb3+ionok általánosan használt ritkaföldfém-ionokká váltak a magnetooptikai üvegekben.

Terbium dysprosium ferromagnetostriktív ötvözet

A 20. század végén, a technológiai világforradalom folyamatos elmélyülésével gyorsan megjelentek az új ritkaföldfém-felhasználási anyagok. 1984-ben az Iowa Állami Egyetem, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Ames Laboratóriuma és a Haditengerészet Felszíni Fegyverek Kutatóközpontja (ahonnan a később megalakult Edge Technology Corporation (ET REMA) fő személyzete származott) együttműködtek egy új ritka kifejlesztésében. föld intelligens anyag, nevezetesen terbium-diszprozium ferromágneses magnetostrikciós anyag. Ez az új intelligens anyag kiváló tulajdonságokkal rendelkezik az elektromos energia gyors mechanikai energiává alakítására. Az ebből az óriási magnetostrikciós anyagból készült víz alatti és elektroakusztikus jelátalakítókat sikeresen konfigurálták a haditengerészeti berendezésekben, az olajkutak érzékelő hangszóróiban, a zaj- és rezgésszabályozó rendszerekben, valamint az óceánkutatási és földalatti kommunikációs rendszerekben. Ezért amint megszületett a terbium dysprosium vas óriás magnetostrikciós anyag, széleskörű figyelmet kapott a világ iparosodott országaiban. Az Edge Technologies az Egyesült Államokban 1989-ben kezdett terbium-disprosium vas óriás magnetosztriktív anyagokat gyártani, és Terfenol D-nek nevezték el őket. Ezt követően Svédország, Japán, Oroszország, az Egyesült Királyság és Ausztrália is kifejlesztett terbium-dysprosium vas óriás magnetosztriktív anyagokat.

Ennek az anyagnak az egyesült államokbeli fejlesztésének történetéből az anyag feltalálása és korai monopolisztikus alkalmazása egyaránt közvetlenül kapcsolódik a hadiiparhoz (például a haditengerészethez). Bár Kína katonai és védelmi osztályai fokozatosan erősítik az anyag megértését. Kína átfogó nemzeti erejének jelentős növekedésével azonban minden bizonnyal nagyon sürgető lesz a 21. századi katonai versenystratégia megvalósítása és a felszerelés szintjének javítása iránti igény. Ezért történelmi szükségszerűség lesz a terbium-dysprosium vas óriás magnetosztriktív anyagok katonai és honvédelmi osztályok általi széles körű alkalmazása.

Röviden, a számos kiváló tulajdonságaterbiumszámos funkcionális anyag nélkülözhetetlen tagjává és néhány alkalmazási területen pótolhatatlan pozícióvá teszi. A terbium magas ára miatt azonban az emberek azt tanulmányozták, hogyan lehet elkerülni és minimalizálni a terbium használatát a termelési költségek csökkentése érdekében. Például a ritkaföldfém mágneses-optikai anyagoknak szintén olcsónak kell lenniükdiszprózium vaskobalt vagy gadolínium-terbium kobalt, amennyire csak lehetséges; Próbálja meg csökkenteni a felhasználandó zöld fluoreszcens por terbiumtartalmát. Az ár a széles körű használatát korlátozó fontos tényezővé váltterbium. De sok funkcionális anyag nem nélkülözheti, ezért ragaszkodnunk kell a „jó acél használata a pengéhez” elvéhez, és meg kell próbálnunk spórolni aterbiumamennyire csak lehetséges.