Magický prvok vzácnej zeme: Terbium

Terbiumpatrí do kategórie ťažkých vzácnych zemín, s nízkym výskytom v zemskej kôre len 1,1 ppm.Oxid terbiumpredstavuje menej ako 0,01 % z celkového počtu vzácnych zemín. Dokonca aj v ťažkej rude vzácnych zemín s vysokým obsahom iónov ytria s najvyšším obsahom terbia tvorí obsah terbia len 1,1 – 1,2 % z celkového množstvavzácnych zemín, čo naznačuje, že patrí do „ušľachtilej“ kategórievzácnych zemínprvkov. Viac ako 100 rokov od objavu terbia v roku 1843 jeho nedostatok a hodnota na dlhý čas bránili jeho praktickému využitiu. Je to len za posledných 30 rokovterbiumukázal svoj jedinečný talent.

Objavovanie histórie

Švédsky chemik Carl Gustaf Mosander objavil terbium v ​​roku 1843. Jeho nečistoty objavil v r.oxid ytritýaY203. Ytriumje pomenovaná po dedine Itby vo Švédsku. Pred objavením sa technológie výmeny iónov nebolo terbium izolované vo svojej čistej forme.

Mossander najprv rozdeliloxid ytritýna tri časti, všetky pomenované podľa rúd:oxid ytritý, oxid erbia, aoxidu terbia. Oxid terbiumbol pôvodne zložený z ružovej časti, kvôli prvku, ktorý je dnes známy akoerbium. Oxid erbia(vrátane toho, čo teraz nazývame terbium) bola pôvodne bezfarebná časť v roztoku. Nerozpustný oxid tohto prvku sa považuje za hnedý.

Neskorší pracovníci zistili, že je ťažké pozorovať drobné bezfarebné „oxid erbia“, ale rozpustnú ružovú časť nemožno ignorovať. Debata o existenciioxid erbiasa opakovane objavilo. V tom chaose sa pôvodný názov prehodil a výmena mien sa zasekla, takže ružová časť bola nakoniec spomenutá ako roztok obsahujúci erbium (v roztoku bol ružový). Teraz sa verí, že pracovníci, ktorí používajú disulfid sodný alebo síran draselný na odstránenie oxidu ceričitého zoxid ytritýneúmyselne otočiťterbiumdo precipitátov obsahujúcich cér. V súčasnosti známy ako 'terbium“, len asi 1 % origináluoxid ytritýje prítomná, ale to postačuje na prenos svetložltej farby dooxid ytritý. pretoterbiumje sekundárna zložka, ktorá ho pôvodne obsahovala a je kontrolovaná jeho bezprostrednými susedmi,gadolíniumadysprózia.

Potom, kedykoľvek inokedyvzácnych zemínz tejto zmesi sa oddelili prvky, bez ohľadu na podiel oxidu, názov terbium zostal zachovaný až nakoniec hnedý oxidterbiumsa získal v čistej forme. Výskumníci v 19. storočí nepoužívali technológiu ultrafialovej fluorescencie na pozorovanie jasne žltých alebo zelených uzlín (III), čo uľahčilo rozpoznanie terbia v tuhých zmesiach alebo roztokoch.

Elektrónová konfigurácia

Elektronické usporiadanie:

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

Elektronické usporiadanieterbiumje [Xe] 6s24f9. Normálne môžu byť odstránené iba tri elektróny predtým, ako sa jadrový náboj stane príliš veľkým na to, aby mohol byť ďalej ionizovaný. Avšak v prípadeterbium, poloplnáterbiumumožňuje ďalšiu ionizáciu štvrtého elektrónu v prítomnosti veľmi silného oxidantu, ako je plynný fluór.

Kovové

""

Terbiumje strieborný biely kov vzácnych zemín s ťažnosťou, húževnatosťou a mäkkosťou, ktorý možno rezať nožom. Teplota topenia 1360 ℃, teplota varu 3123 ℃, hustota 8229 4kg/m3. V porovnaní so skorými lantanoidovými prvkami je vo vzduchu relatívne stabilný. Deviaty prvok lantanoidových prvkov, terbium, je vysoko nabitý kov, ktorý reaguje s vodou za vzniku plynného vodíka.

v prírode,terbiumnikdy sa nezistilo, že by bol voľným prvkom, prítomným v malých množstvách vo fosforečnom cer tóriovom piesku a kremíkovej berýlium ytriovej rude.Terbiumkoexistuje s inými prvkami vzácnych zemín v monazitovom piesku, so všeobecne 0,03% obsahom terbia. Medzi ďalšie zdroje patrí fosforečnan ytritý a zlato vzácnych zemín, pričom obe sú zmesou oxidov obsahujúcich až 1 % terbia.

Aplikácia

Aplikáciaterbiumväčšinou ide o high-tech oblasti, čo sú špičkové projekty náročné na technológie a znalosti, ako aj projekty s významnými ekonomickými prínosmi, s atraktívnymi perspektívami rozvoja.

Medzi hlavné oblasti použitia patria:

(1) Používa sa vo forme zmiešaných vzácnych zemín. Používa sa napríklad ako zložené hnojivo 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, pomocou ktorých je možné syntetizovať rôzne farby. Aterbiumje nenahraditeľnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov.

(3) Používa sa ako magnetooptický úložný materiál. Na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov sa použili tenké filmy zliatiny prechodného kovu amorfného kovu.

(4) Výroba magnetooptického skla. Faradayove rotačné sklo obsahujúce terbium je kľúčovým materiálom na výrobu rotátorov, izolátorov a cirkulátorov v laserovej technológii.

(5) Vývoj a vývoj feromagnetostrikčnej zliatiny terbium dysprosium (TerFenol) otvoril nové možnosti použitia pre terbium.

Pre poľnohospodárstvo a chov zvierat

Vzácna zeminaterbiummôže zlepšiť kvalitu plodín a zvýšiť rýchlosť fotosyntézy v určitom koncentračnom rozsahu. Komplexy terbia majú vysokú biologickú aktivitu a ternárne komplexyterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, majú dobré antibakteriálne a baktericídne účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli so širokospektrálnymi antibakteriálnymi vlastnosťami. Štúdium týchto 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, pomocou ktorých je možné syntetizovať rôzne farby. A terbium je nenahraditeľnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov. Ak zrodenie farebného TV vzácnych zemín červený fluorescenčný prášok podnietil dopyt poytriumaeurópium, potom bola aplikácia a vývoj terbia podporovaná vzácnymi zeminami s tromi základnými farbami, zeleným fluorescenčným práškom pre lampy. Začiatkom osemdesiatych rokov spoločnosť Philips vynašla prvú kompaktnú energeticky úspornú žiarivku na svete a rýchlo ju celosvetovo presadila. Ióny Tb3+ môžu vyžarovať zelené svetlo s vlnovou dĺžkou 545 nm a takmer všetky zelené fluorescenčné prášky vzácnych zemín používajúterbium, ako aktivátor.

Zelený fluorescenčný prášok používaný pre farebné TV katódové trubice (CRT) bol vždy založený hlavne na lacnom a efektívnom sulfide zinočnatém, ale terbium prášok sa vždy používal ako projekčný farebný TV zelený prášok, ako napríklad Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5012: Tb3+ a LaOBr: Tb3+. S vývojom veľkoplošnej televízie s vysokým rozlíšením (HDTV) sa vyvíjajú aj vysokovýkonné zelené fluorescenčné prášky pre CRT. V zahraničí bol napríklad 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 wolframan vápenatý. V 70. a 80. rokoch 20. storočia boli vyvinuté fluorescenčné prášky vzácnych zemín pre senzibilizačné clony, ako napr.terbium,aktivovaný oxid sulfidu lantanitého, oxid bromidu lantanitého aktivovaný terbiom (pre zelené obrazovky) a oxid yttritý aktivovaný terbiom. V porovnaní s volfrámom vápenatým môže fluorescenčný prášok vzácnych zemín skrátiť čas ožarovania röntgenovým žiarením pre pacientov o 80 %, zlepšiť rozlíšenie röntgenových filmov, predĺžiť životnosť röntgenových trubíc a znížiť spotrebu energie. Terbium sa tiež používa ako fluorescenčný práškový aktivátor pre lekárske röntgenové vylepšenia obrazoviek, ktoré môžu výrazne zlepšiť citlivosť röntgenovej konverzie na optické obrazy, zlepšiť čistotu röntgenových filmov a výrazne znížiť expozičnú dávku röntgenového žiarenia. lúčov do ľudského tela (o viac ako 50 %).

Terbiumsa používa aj ako aktivátor v bielom LED fosfore excitovanom modrým svetlom pre nové polovodičové osvetlenie. Môže sa použiť na výrobu terbium-hliníkových magnetooptických kryštálových fosforov s použitím diód vyžarujúcich modré svetlo ako zdrojov excitačného svetla a vygenerovaná fluorescencia sa zmieša s excitačným svetlom, aby sa vytvorilo čisté biele svetlo.

Elektroluminiscenčné materiály vyrobené z terbia zahŕňajú najmä zelený fluorescenčný prášok sulfidu zinočnatého sterbiumako aktivátor. Pri ultrafialovom ožiarení môžu organické komplexy terbia vyžarovať silnú zelenú fluorescenciu a môžu sa použiť ako tenkovrstvové elektroluminiscenčné materiály. Aj keď sa v štúdiu dosiahol významný pokrokvzácnych zemínorganické komplexné elektroluminiscenčné tenké filmy, stále existuje určitá medzera v praktickosti a výskum organických komplexných elektroluminiscenčných tenkých vrstiev a zariadení vzácnych zemín je stále v hĺbke.

Fluorescenčné charakteristiky terbia sa tiež používajú ako fluorescenčné sondy. Interakcia medzi komplexom ofloxacínu terbium (Tb3+) a deoxyribonukleovou kyselinou (DNA) bola študovaná pomocou fluorescenčných a absorpčných spektier, ako je fluorescenčná sonda ofloxacínu terbium (Tb3+). Výsledky ukázali, že ofloxacínová sonda Tb3+ môže tvoriť drážku viažucu sa na molekuly DNA a deoxyribonukleová kyselina môže výrazne zvýšiť fluorescenciu systému ofloxacínu Tb3+. Na základe tejto zmeny možno určiť kyselinu deoxyribonukleovú.

Pre magnetooptické materiály

Materiály s Faradayovým efektom, známe aj ako magnetooptické materiály, sú široko používané v laseroch a iných optických zariadeniach. Existujú dva bežné typy magnetooptických materiálov: magnetooptické kryštály a magnetooptické sklo. Medzi nimi magneto-optické kryštály (ako je ytriový železný granát a terbium-gálium granát) majú výhody nastaviteľnej pracovnej frekvencie a vysokej tepelnej stability, sú však drahé a ťažko sa vyrábajú. Okrem toho mnohé magneto-optické kryštály s vysokými Faradayovými uhlami rotácie majú vysokú absorpciu v oblasti 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 hlavne sklá dopované iónmi vzácnych zemín.

Používa sa na magnetooptické úložné materiály

V posledných rokoch s rýchlym rozvojom multimédií a automatizácie kancelárií rastie dopyt po nových vysokokapacitných magnetických diskoch. Na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov sa použili tenké filmy zliatiny prechodného kovu amorfného kovu. Spomedzi nich má najlepší výkon tenký film zliatiny TbFeCo. Magnetooptické materiály na báze terbia sa vyrábajú vo veľkom meradle a magnetooptické disky vyrobené z nich sa používajú ako komponenty na ukladanie dát do počítača, pričom kapacita pamäte sa zvýšila 10-15 krát. Majú výhody veľkej kapacity a rýchlej prístupovej rýchlosti a pri použití pre optické disky s vysokou hustotou sa dajú desaťtisíckrát otrieť a potiahnuť. Sú dôležitými materiálmi v technológii elektronického uchovávania informácií. Najbežnejšie používaným magnetooptickým materiálom vo viditeľnom a blízkom infračervenom pásme je monokryštál Terbium Gallium Garnet (TGG), čo je najlepší magnetooptický materiál na výrobu Faradayových rotátorov a izolátorov.

Pre magnetooptické sklo

Magnetooptické sklo Faraday má dobrú priehľadnosť a izotropiu vo viditeľnej a infračervenej oblasti a môže vytvárať rôzne zložité tvary. Je ľahké vyrábať výrobky veľkých rozmerov a je možné ich vtiahnuť do optických vlákien. Preto má široké uplatnenie v magnetooptických zariadeniach, ako sú magnetooptické izolátory, magnetooptické modulátory a prúdové senzory z optických vlákien. Vďaka veľkému magnetickému momentu a malému koeficientu absorpcie vo viditeľnom a infračervenom rozsahu sa ióny Tb3+ stali bežne používanými iónmi vzácnych zemín v magnetooptických okuliaroch.

Terbium dysprosium feromagnetostrikčná zliatina

Koncom 20. storočia s neustálym prehlbovaním svetovej technologickej revolúcie sa rýchlo objavovali nové aplikačné materiály vzácnych zemín. V roku 1984 Iowa State University, Ames Laboratory of the US Department of Energy a US Navy Surface Weapons Research Center (z ktorého pochádzali hlavní pracovníci neskôr založenej Edge Technology Corporation (ET REMA)) spolupracovali na vývoji nového vzácneho zemný inteligentný materiál, a to terbium dysprosium feromagnetický magnetostrikčný materiál. Tento nový inteligentný materiál má vynikajúce vlastnosti rýchlej premeny elektrickej energie na mechanickú energiu. Podvodné a elektroakustické prevodníky vyrobené z tohto obrovského magnetostrikčného materiálu boli úspešne nakonfigurované v námorných zariadeniach, reproduktoroch na detekciu ropných vrtov, systémoch kontroly hluku a vibrácií a systémoch na prieskum oceánov a podzemné komunikačné systémy. Preto hneď ako sa zrodil magnetostrikčný materiál železného giganta terbium dysprosium, získal širokú pozornosť priemyselných krajín po celom svete. Spoločnosť Edge Technologies v Spojených štátoch začala vyrábať obrie magnetostrikčné materiály terbium dysprosium a železo v roku 1989 a nazvala ich Terfenol D. Následne Švédsko, Japonsko, Rusko, Spojené kráľovstvo a Austrália tiež vyvinuli obrovské magnetostrikčné materiály terbium dysprosium a železo.

Z histórie vývoja tohto materiálu v Spojených štátoch, vynález materiálu a jeho skoré monopolné aplikácie priamo súvisia s vojenským priemyslom (ako je námorníctvo). Hoci čínske vojenské a obranné oddelenia postupne posilňujú svoje chápanie tohto materiálu. Avšak s výrazným posilnením komplexnej národnej sily Číny bude požiadavka na dosiahnutie vojenskej konkurenčnej stratégie 21. storočia a zlepšenie úrovne vybavenia určite veľmi naliehavá. Rozšírené používanie magnetostrikčných obrovských magnetostrikčných materiálov terbium dysprosium železom zo strany vojenských a národných obranných oddelení bude preto historickou nevyhnutnosťou.

Stručne povedané, mnoho vynikajúcich vlastnostíterbiumrobia z neho nenahraditeľného člena mnohých funkčných materiálov a nezastupiteľné miesto v niektorých aplikačných oblastiach. Avšak kvôli vysokej cene terbia ľudia študovali, ako sa vyhnúť a minimalizovať používanie terbia, aby sa znížili výrobné náklady. Napríklad magnetooptické materiály vzácnych zemín by mali byť tiež lacnédysprosium železokobalt alebo gadolínium terbium kobalt čo najviac; Pokúste sa znížiť obsah terbia v zelenom fluorescenčnom prášku, ktorý sa musí použiť. Cena sa stala dôležitým faktorom obmedzujúcim rozšírené používanieterbium. Mnohé funkčné materiály sa však bez neho nezaobídu, preto musíme dodržiavať zásadu „na čepeľ použiť dobrú oceľ“ a snažiť sa ušetriťterbiumčo najviac.

 


Čas odoslania: 25. októbra 2023