Terbiumpatrí do kategórie ťažkýchvzácne zeminy, s nízkym výskytom v zemskej kôre, iba 1,1 ppm. Oxid terbia tvorí menej ako 0,01 % z celkového množstva vzácnych zemín. Dokonca aj v ťažkej rude vzácnych zemín s vysokým obsahom ytriových iónov s najvyšším obsahom terbia predstavuje obsah terbia iba 1,1 – 1,2 % z celkového množstva vzácnych zemín, čo naznačuje, že patrí do „ušľachtilej“ kategórie prvkov vzácnych zemín. Viac ako 100 rokov od objavenia terbia v roku 1843 jeho nedostatok a hodnota dlho bránili jeho praktickému využitiu. Až v posledných 30 rokoch terbium ukázalo svoj jedinečný talent.
Objavovanie histórie
Švédsky chemik Carl Gustaf Mosander objavil terbium v roku 1843. Jeho nečistoty našiel v...Oxid ytritý(III)aY2O3Ytrium je pomenované podľa dediny Ytterby vo Švédsku. Pred vznikom technológie iónovej výmeny sa terbium neizolovalo v čistej forme.
Mosant najprv rozdelil oxid ytritý(III) na tri časti, pričom všetky boli pomenované podľa rúd: oxid ytritý(III),Oxid erbia(III), a oxid terbia. Oxid terbia pôvodne pozostával z ružovej časti kvôli prvku, ktorý je dnes známy ako erbium. „Oxid erbia (III)“ (vrátane toho, čo dnes nazývame terbium) bol pôvodne v podstate bezfarebnou časťou roztoku. Nerozpustný oxid tohto prvku sa považuje za hnedý.
Neskorší pracovníci sotva videli drobný bezfarebný „oxid erbia(III)“, ale rozpustnú ružovú časť sa nedala ignorovať. Debaty o existencii oxidu erbia(III) sa opakovane vynárali. V chaose sa pôvodný názov obrátil a výmena názvov uviazla, takže ružová časť sa nakoniec spomínala ako roztok obsahujúci erbium (v roztoku bola ružová). Teraz sa predpokladá, že pracovníci, ktorí používajú hydrogénsíran sodný alebo síran draselný, užívajú...Oxid céru(IV)z oxidu ytria(III) a neúmyselne premeniť terbium na sediment obsahujúci cér. Len asi 1 % pôvodného oxidu ytria(III), dnes známeho ako „terbium“, stačí na to, aby oxid ytria(III) zmenil na žltkastú farbu. Terbium je teda sekundárnou zložkou, ktorá ho pôvodne obsahovala, a je riadené svojimi bezprostrednými susedmi, gadolíniom a dyspróziom.
Neskôr, vždy, keď sa z tejto zmesi oddelili iné prvky vzácnych zemín, bez ohľadu na podiel oxidu, názov terbium sa zachoval, až kým sa nakoniec nezískal hnedý oxid terbia v čistej forme. Výskumníci v 19. storočí nepoužívali technológiu ultrafialovej fluorescencie na pozorovanie jasne žltých alebo zelených uzlíkov (III), čo uľahčilo rozpoznanie terbia v pevných zmesiach alebo roztokoch.
Elektrónová konfigurácia
Elektrónová konfigurácia:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektrónová konfigurácia terbia je [Xe] 6s24f9. Normálne je možné odstrániť iba tri elektróny predtým, ako sa jadrový náboj stane príliš veľkým na ďalšiu ionizáciu, ale v prípade terbia umožňuje čiastočne naplnené terbium ďalšiu ionizáciu štvrtého elektrónu v prítomnosti veľmi silných oxidačných činidiel, ako je napríklad plynný fluór.
Terbium je striebornobiely kov vzácnych zemín s ťažnosťou, húževnatosťou a mäkkosťou, ktorý sa dá rezať nožom. Teplota topenia 1360 ℃, bod varu 3123 ℃, hustota 8229,4 kg/m3. V porovnaní s ranými lantanoidmi je na vzduchu relatívne stabilný. Ako deviaty prvok lantanoidov je terbium kov so silným elektrickým prúdom. Reaguje s vodou za vzniku vodíka.
V prírode sa terbium nikdy nenašlo ako voľný prvok, ktorého malé množstvo sa nachádza v fosfocériovom tóriovom piesku a gadolinite. Terbium koexistuje s inými prvkami vzácnych zemín v monazitovom piesku, pričom obsah terbia je zvyčajne 0,03 %. Ďalšími zdrojmi sú xenotim a čierne rudy vzácneho zlata, ktoré sú zmesami oxidov a obsahujú až 1 % terbia.
Aplikácia
Aplikácia terbia sa týka najmä high-tech oblastí, čo sú technologicky a znalostne náročné špičkové projekty, ako aj projekty s významnými ekonomickými prínosmi a atraktívnymi rozvojovými vyhliadkami.
Medzi hlavné oblasti použitia patria:
(1) Používa sa vo forme zmesi vzácnych zemín. Napríklad sa používa ako komplexné hnojivo na báze vzácnych zemín a kŕmna prísada pre poľnohospodárstvo.
(2) Aktivátor pre zelený prášok v troch primárnych fluorescenčných práškoch. Moderné optoelektronické materiály vyžadujú použitie troch základných farieb fosforu, a to červenej, zelenej a modrej, ktoré možno použiť na syntézu rôznych farieb. A terbium je nevyhnutnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov.
(3) Používa sa ako magnetooptický pamäťový materiál. Tenké filmy z amorfnej zliatiny prechodného kovu a terbia sa používajú na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov.
(4) Výroba magnetooptického skla. Faradayovo rotačné sklo obsahujúce terbium je kľúčovým materiálom na výrobu rotátorov, izolátorov a cirkulátorov v laserovej technológii.
(5) Vývoj a zdokonaľovanie feromagnetostrikčnej zliatiny terbium-dysprosium (TerFenol) otvorilo terbiu nové možnosti využitia.
Pre poľnohospodárstvo a chov zvierat
Terbium zo vzácnych zemín môže zlepšiť kvalitu plodín a zvýšiť rýchlosť fotosyntézy v určitom koncentračnom rozsahu. Terbiové komplexy majú vysokú biologickú aktivitu. Ternárne komplexy terbia, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, majú dobré antibakteriálne a baktericídne účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli. Majú široké antibakteriálne spektrum. Štúdium takýchto komplexov poskytuje nový smer výskumu pre moderné baktericídne liečivá.
Používa sa v oblasti luminiscencie
Moderné optoelektronické materiály vyžadujú použitie troch základných farieb fosforu, a to červenej, zelenej a modrej, ktoré sa dajú použiť na syntézu rôznych farieb. Terbium je nevyhnutnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov. Ak vznik červeného fluorescenčného prášku pre farebné televízory vzácnych zemín stimuloval dopyt po ytriu a európiu, potom aplikáciu a vývoj terbia podporil trojzákladný zelený fluorescenčný prášok pre lampy vzácnych zemín. Začiatkom 80. rokov 20. storočia spoločnosť Philips vynašla prvú kompaktnú energeticky úspornú žiarivku na svete a rýchlo ju propagovala po celom svete. Ióny Tb3+ môžu vyžarovať zelené svetlo s vlnovou dĺžkou 545 nm a takmer všetky zelené fosfory vzácnych zemín používajú terbium ako aktivátor.
Zelený fosfor pre farebné televízory s katódovou trubicou (CRT) bol vždy založený na sulfide zinočnatom, ktorý je lacný a účinný, ale prášok terbia sa vždy používal ako zelený fosfor pre projekčné farebné televízory, vrátane Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ a LaOBr ∶ Tb3+. S rozvojom veľkoplošných televízorov s vysokým rozlíšením (HDTV) sa vyvíjajú aj vysokovýkonné zelené fluorescenčné prášky pre CRT. Napríklad v zahraničí bol vyvinutý hybridný zelený fluorescenčný prášok pozostávajúci z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ a Y2SiO5: Tb3+, ktoré majú vynikajúcu luminiscenčnú účinnosť pri vysokej prúdovej hustote.
Tradičným röntgenovým fluorescenčným práškom je wolfráman vápenatý. V 70. a 80. rokoch 20. storočia boli vyvinuté fosfory vzácnych zemín na zosilňovanie obrazoviek, ako napríklad terbiom aktivovaný oxid síry lantanitý, terbiom aktivovaný oxid lantanitý bróm (pre zelené obrazovky), terbiom aktivovaný oxid ytritý atď. V porovnaní s wolfrámanom vápenatým môže fluorescenčný prášok vzácnych zemín skrátiť čas ožiarenia pacientov röntgenovým žiarením o 80 %, zlepšiť rozlíšenie röntgenových filmov, predĺžiť životnosť röntgenových trubíc a znížiť spotrebu energie. Terbium sa tiež používa ako aktivátor fluorescenčného prášku pre lekárske röntgenové zosilňovacie obrazovky, čo môže výrazne zlepšiť citlivosť premeny röntgenového žiarenia na optické obrazy, zlepšiť jasnosť röntgenových filmov a výrazne znížiť expozičnú dávku röntgenového žiarenia pre ľudské telo (o viac ako 50 %).
Terbium sa tiež používa ako aktivátor v bielom LED fosfore budenom modrým svetlom pre nové polovodičové osvetlenie. Môže sa použiť na výrobu terbiovo-hliníkových magnetooptických kryštálových fosforov s použitím modrých svetelných diód ako zdrojov excitačného svetla a generovaná fluorescencia sa zmieša s excitačným svetlom za vzniku čistého bieleho svetla.
Elektroluminiscenčné materiály vyrobené z terbia zahŕňajú najmä zelený fosfor na báze sulfidu zinočnatého s terbiom ako aktivátorom. Organické komplexy terbia môžu pri ultrafialovom ožiarení emitovať silnú zelenú fluorescenciu a môžu byť použité ako tenkovrstvové elektroluminiscenčné materiály. Hoci sa v štúdiu elektroluminiscenčných tenkých vrstiev na báze organických komplexov vzácnych zemín dosiahol významný pokrok, stále existuje určitá medzera v praxi a výskum elektroluminiscenčných tenkých vrstiev a zariadení na báze organických komplexov vzácnych zemín je stále v hĺbke.
Fluorescenčné charakteristiky terbia sa tiež používajú ako fluorescenčné sondy. Napríklad fluorescenčná sonda ofloxacín-terbium (Tb3+) bola použitá na štúdium interakcie medzi komplexom ofloxacín-terbium (Tb3+) a DNA (DNA) pomocou fluorescenčného spektra a absorpčného spektra, čo naznačuje, že sonda ofloxacín-terbium (Tb3+) môže tvoriť väzbovú drážku s molekulami DNA a DNA môže významne zvýšiť fluorescenciu systému ofloxacín-Tb3+. Na základe tejto zmeny je možné určiť DNA.
Pre magnetooptické materiály
Materiály s Faradayovým efektom, známe aj ako magnetooptické materiály, sa široko používajú v laseroch a iných optických zariadeniach. Existujú dva bežné typy magnetooptických materiálov: magnetooptické kryštály a magnetooptické sklo. Medzi nimi majú magnetooptické kryštály (ako napríklad ytriovo-železitý granát a terbiovo-gálium granát) výhody nastaviteľnej prevádzkovej frekvencie a vysokej tepelnej stability, ale sú drahé a ťažko sa vyrábajú. Okrem toho má mnoho magnetooptických kryštálov s vysokým Faradayovým uhlom rotácie vysokú absorpciu v rozsahu krátkych vĺn, čo obmedzuje ich použitie. V porovnaní s magnetooptickými kryštálmi má magnetooptické sklo výhodu vysokej priepustnosti a ľahko sa z neho vyrábajú veľké bloky alebo vlákna. V súčasnosti sú magnetooptické sklá s vysokým Faradayovým efektom prevažne sklá dopované iónmi vzácnych zemín.
Používa sa na magnetooptické pamäťové materiály
V posledných rokoch, s rýchlym rozvojom multimédií a kancelárskej automatizácie, rastie dopyt po nových magnetických diskoch s vysokou kapacitou. Na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov sa používajú amorfné filmy z prechodných kovových zliatin terbia. Medzi nimi má tenký film zo zliatiny TbFeCo najlepší výkon. Magnetooptické materiály na báze terbia sa vyrábajú vo veľkom meradle a magnetooptické disky z nich vyrobené sa používajú ako komponenty počítačových úložísk, pričom ich pamäťová kapacita sa zvyšuje 10 až 15-krát. Majú výhody veľkej kapacity a rýchlej prístupovej rýchlosti a pri použití na optické disky s vysokou hustotou sa dajú utierať a poťahovať desaťtisíckrát. Sú dôležitými materiálmi v technológii elektronického ukladania informácií. Najbežnejšie používaným magnetooptickým materiálom vo viditeľnom a blízkom infračervenom pásme je monokryštál terbiovo-gálium-granátového (TGG), ktorý je najlepším magnetooptickým materiálom na výrobu Faradayových rotátorov a izolátorov.
Pre magnetooptické sklo
Faradayovo magnetooptické sklo má dobrú priehľadnosť a izotropiu vo viditeľnej a infračervenej oblasti a môže vytvárať rôzne zložité tvary. Ľahko sa z neho vyrábajú veľké produkty a možno ho ťahať do optických vlákien. Preto má široké uplatnenie v magnetooptických zariadeniach, ako sú magnetooptické izolátory, magnetooptické modulátory a senzory prúdu z optických vlákien. Vďaka svojmu veľkému magnetickému momentu a malému absorpčnému koeficientu vo viditeľnej a infračervenej oblasti sa ióny Tb3+ stali bežne používanými iónmi vzácnych zemín v magnetooptických sklách.
Terbium-dyspróziová feromagnetostrikčná zliatina
Koncom 20. storočia, s prehlbovaním svetovej vedecko-technickej revolúcie, sa rýchlo objavujú nové aplikované materiály zo vzácnych zemín. V roku 1984 Iowská štátna univerzita v Spojených štátoch, Amesovo laboratórium Ministerstva energetiky Spojených štátov a Výskumné centrum pre povrchové zbrane amerického námorníctva (hlavní pracovníci neskôr založenej spoločnosti American Edge Technology Company (ET REMA) pochádzali z tohto centra) spoločne vyvinuli nový inteligentný materiál zo vzácnych zemín, a to obrovský magnetostrikčný materiál zo železa s dyspróziom a terbiom. Tento nový inteligentný materiál má vynikajúce vlastnosti rýchlej premeny elektrickej energie na mechanickú energiu. Podvodné a elektroakustické meniče vyrobené z tohto obrovského magnetostrikčného materiálu boli úspešne nakonfigurované v námorných zariadeniach, reproduktoroch na detekciu ropných vrtov, systémoch na kontrolu hluku a vibrácií a systémoch prieskumu oceánov a podzemnej komunikácie. Preto hneď ako sa zrodil obrovský magnetostrikčný materiál zo železa s dyspróziom a terbiom, získal si širokú pozornosť industrializovaných krajín celého sveta. Spoločnosť Edge Technologies v Spojených štátoch začala v roku 1989 vyrábať obrovské magnetostrikčné materiály na báze terbia a dysprózia a pomenovala ich Terfenol D. Následne tieto obrovské magnetostrikčné materiály vyvinuli aj Švédsko, Japonsko, Rusko, Spojené kráľovstvo a Austrália.
Z histórie vývoja tohto materiálu v Spojených štátoch vyplýva, že vynález materiálu aj jeho skoré monopolné aplikácie priamo súvisia s vojenským priemyslom (napríklad s námorníctvom). Hoci čínske vojenské a obranné oddelenia postupne prehlbujú svoje znalosti o tomto materiáli. Po výraznom zvýšení komplexnej národnej moci Číny však budú požiadavky na realizáciu vojenskej konkurenčnej stratégie v 21. storočí a zlepšenie úrovne vybavenia určite veľmi naliehavé. Preto bude rozsiahle používanie obrovských magnetostrikčných materiálov na báze terbium-dysprosium-železa vojenskými a národnými obrannými oddeleniami historickou nevyhnutnosťou.
Stručne povedané, mnohé vynikajúce vlastnosti terbia z neho robia nepostrádateľnú súčasť mnohých funkčných materiálov a nezastupiteľné miesto v niektorých aplikačných oblastiach. Vzhľadom na vysokú cenu terbia sa však ľudia venujú štúdiu, ako sa vyhnúť používaniu terbia a minimalizovať ho, aby sa znížili výrobné náklady. Napríklad pri magnetooptických materiáloch zo vzácnych zemín by sa mal čo najviac používať aj lacný dysprosium-železo-kobalt alebo gadolínium-terbium-kobalt. Snažte sa znížiť obsah terbia v zelenom fluorescenčnom prášku, ktorý sa musí používať. Cena sa stala dôležitým faktorom obmedzujúcim široké používanie terbia. Mnohé funkčné materiály sa však bez neho nezaobídu, preto sa musíme držať zásady „používať dobrú oceľ na čepeli“ a snažiť sa čo najviac ušetriť na používaní terbia.
Čas uverejnenia: 5. júla 2023