Тербијумспада у категорију тешкихретке земље, са ниским обиљем у Земљиној кори од само 1,1 ppm. Тербијум оксид чини мање од 0,01% укупних ретких земних елемената. Чак и у руди тешких ретких земних елемената са високим садржајем итријумових јона и највећим садржајем тербија, садржај тербија чини само 1,1-1,2% укупних ретких земних елемената, што указује да припада „племенитој“ категорији елемената ретких земних елемената. Више од 100 година од открића тербија 1843. године, његова оскудица и вредност су дуго спречавале његову практичну примену. Тек у последњих 30 година тербијум је показао свој јединствени таленат.
Откривање историје
Шведски хемичар Карл Густаф Мосандер открио је тербијум 1843. године. Пронашао је његове нечистоће уИтријум(III) оксидиY2O3Итријум је добио име по селу Итерби у Шведској. Пре појаве технологије јонске измене, тербијум није био изолован у свом чистом облику.
Мосант је прво поделио итријум(III) оксид на три дела, а сви су добили име по рудама: итријум(III) оксид,Ербијум(III) оксид, и тербијум оксид. Тербијум оксид је првобитно био састављен од ружичастог дела, због елемента који је сада познат као ербијум. „Ербијум(III) оксид“ (укључујући и оно што данас називамо тербијумом) је првобитно био у суштини безбојни део у раствору. Нерастворљиви оксид овог елемента се сматра смеђим.
Каснији радници једва да су могли да примете сићушни безбојни „ербијум(III) оксид“, али растворљиви ружичасти део није могао бити игнорисан. Дебате о постојању ербијум(III) оксида су се више пута јављале. У хаосу, првобитни назив је обрнут и замена имена је заглављена, па је ружичасти део на крају поменут као раствор који садржи ербијум (у раствору је био ружичаст). Сада се верује да радници који користе натријум бисулфат или калијум сулфат узимајуЦеријум(IV) оксидиз итријум(III) оксида и ненамерно претворити тербијум у седимент који садржи церијум. Само око 1% оригиналног итријум(III) оксида, сада познатог као „тербијум“, довољно је да итријум(III) оксид добије жућкасту боју. Стога је тербијум секундарна компонента која га је првобитно садржала, а контролишу га његови непосредни суседи, гадолинијум и диспрозијум.
Након тога, кад год би други реткоземни елементи били одвојени из ове смеше, без обзира на удео оксида, назив тербијум је задржан све док коначно није добијен смеђи оксид тербија у чистом облику. Истраживачи у 19. веку нису користили ултраљубичасту флуоресцентну технологију за посматрање јарко жутих или зелених нодула (III), што је олакшало препознавање тербија у чврстим смешама или растворима.
Електронска конфигурација
Електронска конфигурација:
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п6 6с2 4ф9
Електронска конфигурација тербијума је [Xe] 6s24f9. Нормално, само три електрона могу бити уклоњена пре него што нуклеарно наелектрисање постане превелико да би се даље јонизовало, али у случају тербијума, полупопуњен тербијум омогућава да се четврти електрон даље јонизује у присуству веома јаких оксиданата као што је флуор.
Тербијум је сребрно-бели реткоземни метал са дуктилношћу, жилавошћу и мекоћом који се може сећи ножем. Тачка топљења 1360 ℃, тачка кључања 3123 ℃, густина 82294 кг/м3. У поређењу са раним лантанидима, релативно је стабилан на ваздуху. Као девети елемент лантанида, тербијум је метал са јаким електрицитетом. Реагује са водом и формира водоник.
У природи, тербијум никада није пронађен као слободан елемент, чија мала количина постоји у фосфоцеријум-торијумском песку и гадолиниту. Тербијум коегзистира са другим реткоземним елементима у монацитном песку, са генерално 0,03% садржаја тербија. Други извори су ксенотим и црне руде ретког злата, које су смеше оксида и садрже до 1% тербија.
Примена
Примена тербијума углавном обухвата високотехнолошке области, које представљају технолошки интензивне и знањем интензивне врхунске пројекте, као и пројекте са значајним економским користима, са атрактивним развојним изгледима.
Главне области примене укључују:
(1) Користи се у облику мешаних ретких земних елемената. На пример, користи се као сложено ђубриво од ретких земних елемената и додатак сточној храни за пољопривреду.
(2) Активатор за зелени прах у три основна флуоресцентна праха. Модерни оптоелектронски материјали захтевају употребу три основне боје фосфора, наиме црвене, зелене и плаве, које се могу користити за синтезу различитих боја. А тербијум је неопходна компонента у многим висококвалитетним зеленим флуоресцентним праховима.
(3) Користи се као магнетно-оптички материјал за складиштење. Танки филмови легуре аморфног метала и прелазног метала тербијума коришћени су за производњу високоперформансних магнетно-оптичких дискова.
(4) Производња магнетооптичког стакла. Фарадејево ротационо стакло које садржи тербијум је кључни материјал за производњу ротатора, изолатора и циркулатора у ласерској технологији.
(5) Развој и развој феромагнетостриктивне легуре тербијум диспрозијума (ТерФенол) отворио је нове примене за тербијум.
За пољопривреду и сточарство
Ретки земни тербијум може побољшати квалитет усева и повећати брзину фотосинтезе у одређеном опсегу концентрација. Комплекси тербијума имају високу биолошку активност. Тернарни комплекси тербијума, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, имају добра антибактеријска и бактерицидна дејства на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli. Имају широк антибактеријски спектар. Проучавање таквих комплекса пружа нови правац истраживања за модерне бактерицидне лекове.
Користи се у области луминесценције
Модерни оптоелектронски материјали захтевају употребу три основне боје фосфора, наиме црвене, зелене и плаве, које се могу користити за синтезу различитих боја. А тербијум је неопходна компонента у многим висококвалитетним зеленим флуоресцентним праховима. Ако је појава црвеног флуоресцентног праха за реткоземне телевизоре у боји подстакла потражњу за итријумом и европијумом, онда је примена и развој тербија промовисана коришћењем три основне боје зеленог флуоресцентног праха за лампе. Почетком 1980-их, Филипс је изумео прву компактну флуоресцентну лампу која штеди енергију на свету и брзо ју је промовисао широм света. Tb3+ јони могу емитовати зелену светлост таласне дужине од 545 nm, а скоро сви зелени фосфори користе тербијум као активатор.
Зелени фосфор за катодне цеви (CRT) телевизора у боји одувек је био базиран на цинк сулфиду, који је јефтин и ефикасан, али се тербијум прах одувек користио као зелени фосфор за пројекционе телевизоре у боји, укључујући Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ и LaOBr ∶ Tb3+. Са развојем телевизора високе дефиниције (HDTV) са великим екраном, развијају се и високо ефикасни зелени флуоресцентни прахови за CRT. На пример, у иностранству је развијен хибридни зелени флуоресцентни прах, који се састоји од Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ и Y2SiO5: Tb3+, који имају одличну ефикасност луминесценције при високој густини струје.
Традиционални прах за рендгенско зрачење је калцијум-волфрамат. Током 1970-их и 1980-их развијени су фосфори од ретких земаља за појачавање екрана, као што су тербијумом активирани сумпор-лантан-оксид, тербијумом активирани бром-лантан-оксид (за зелене екране), тербијумом активирани сумпор-итријум(III) оксид итд. У поређењу са калцијум-волфраматом, флуоресцентни прах од ретких земаља може смањити време зрачења рендгенским зрацима за пацијенте за 80%, побољшати резолуцију рендгенских филмова, продужити век трајања рендгенских цеви и смањити потрошњу енергије. Тербијум се такође користи као активатор флуоресцентног праха за медицинске екране за појачавање рендгенског зрачења, што може значајно побољшати осетљивост конверзије рендгенских зрака у оптичке слике, побољшати јасноћу рендгенских филмова и значајно смањити дозу излагања рендгенским зрацима на људско тело (за више од 50%).
Тербијум се такође користи као активатор у белом ЛЕД фосфору који се побуђује плавом светлошћу за ново полупроводничко осветљење. Може се користити за производњу магнетооптичких кристалних фосфора од тербијума и алуминијума, користећи плаве светлосне диоде као изворе побуђујуће светлости, а генерисана флуоресценција се меша са побуђујућом светлошћу да би се произвела чиста бела светлост.
Електролуминесцентни материјали направљени од тербијума углавном укључују зелени фосфор цинк сулфида са тербијумом као активатором. Под ултраљубичастим зрачењем, органски комплекси тербијума могу емитовати јаку зелену флуоресценцију и могу се користити као танкослојни електролуминесцентни материјали. Иако је постигнут значајан напредак у проучавању електролуминесцентних танких филмова на бази реткоземних органских комплекса, и даље постоји известан јаз у односу на практичност, а истраживања електролуминесцентних танких филмова и уређаја на бази реткоземних органских комплекса су још увек у току.
Флуоресцентне карактеристике тербијума се такође користе као флуоресцентне сонде. На пример, флуоресцентна сонда офлоксацин тербијум (Tb3+) је коришћена за проучавање интеракције између комплекса офлоксацин тербијум (Tb3+) и ДНК (ДНК) помоћу флуоресцентног спектра и апсорпционог спектра, што указује да офлоксацин Tb3+ сонда може да формира жлеб везивања са молекулима ДНК, а ДНК може значајно побољшати флуоресценцију офлоксацин Tb3+ система. На основу ове промене, може се одредити ДНК.
За магнетооптичке материјале
Материјали са Фарадејевим ефектом, познати и као магнетооптички материјали, широко се користе у ласерима и другим оптичким уређајима. Постоје две уобичајене врсте магнетооптичких материјала: магнетооптички кристали и магнетооптичко стакло. Међу њима, магнетооптички кристали (као што су итријум гвожђе гранат и тербијум галијум гранат) имају предности подесиве радне фреквенције и високе термичке стабилности, али су скупи и тешки за производњу. Поред тога, многи магнетооптички кристали са високим углом Фарадејеве ротације имају високу апсорпцију у опсегу кратких таласа, што ограничава њихову употребу. У поређењу са магнетооптичким кристалима, магнетооптичко стакло има предност високе пропустљивости и лако се прави у велике блокове или влакна. Тренутно, магнетооптичка стакла са високим Фарадејевим ефектом су углавном стакла допирана јонима ретких земаља.
Користи се за магнетно-оптичке материјале за складиштење
Последњих година, са брзим развојем мултимедије и канцеларијске аутоматизације, потражња за новим магнетним дисковима великог капацитета је у порасту. Филмови легуре аморфних метала тербијум-прелазних метала коришћени су за производњу магнетооптичких дискова високих перформанси. Међу њима, танки филм легуре TbFeCo има најбоље перформансе. Магнетооптички материјали на бази тербијума произведени су у великим размерама, а магнетооптички дискови направљени од њих користе се као компоненте за складиштење рачунара, са капацитетом складиштења повећаним 10-15 пута. Имају предности великог капацитета и велике брзине приступа, а могу се брисати и премазивати десетине хиљада пута када се користе за оптичке дискове високе густине. Они су важни материјали у технологији електронског складиштења информација. Најчешће коришћени магнетооптички материјал у видљивом и блиском инфрацрвеном опсегу је монокристал тербијум-галијум-граната (TGG), који је најбољи магнетооптички материјал за израду Фарадејевих ротатора и изолатора.
За магнетно оптичко стакло
Фарадејево магнетооптичко стакло има добру транспарентност и изотропију у видљивом и инфрацрвеном опсегу и може формирати различите сложене облике. Лако се производе производи великих димензија и може се увлачити у оптичка влакна. Стога има широке могућности примене у магнетооптичким уређајима као што су магнетооптички изолатори, магнетооптички модулатори и сензори струје оптичких влакана. Због великог магнетног момента и малог коефицијента апсорпције у видљивом и инфрацрвеном опсегу, јони Tb3+ су постали често коришћени јони ретких земаља у магнетооптичким стаклима.
Тербијум-диспрозијум феромагнетостриктивна легура
Крајем 20. века, са продубљивањем светске научно-технолошке револуције, брзо се појављују нови реткоземни примењени материјали. Године 1984, Државни универзитет Ајове у Сједињеним Државама, Ејмсова лабораторија Министарства енергетике Сједињених Држава и Истраживачки центар за површинско оружје америчке морнарице (главно особље касније основане компаније American Edge Technology Company (ET REMA) дошло је из центра) заједнички су развили нови паметни материјал од ретких земаља, наиме џиновски магнетостриктивни материјал од тербијум-диспрозијум гвожђа. Овај нови паметни материјал има одличне карактеристике брзог претварања електричне енергије у механичку енергију. Подводни и електроакустични претварачи направљени од овог џиновског магнетостриктивног материјала успешно су конфигурисани у поморској опреми, звучницима за детекцију нафтних бушотина, системима за контролу буке и вибрација, као и системима за истраживање океана и подземну комуникацију. Стога, чим се родио џиновски магнетостриктивни материјал од тербијум-диспрозијум гвожђа, добио је широку пажњу индустријализованих земаља широм света. Компанија Edge Technologies у Сједињеним Државама почела је да производи џиновске магнетостриктивне материјале од тербијум-диспрозијум гвожђа 1989. године и назвала их Терфенол Д. Након тога, Шведска, Јапан, Русија, Уједињено Краљевство и Аустралија су такође развиле џиновске магнетостриктивне материјале од тербијум-диспрозијум гвожђа.
Из историје развоја овог материјала у Сједињеним Државама, и проналазак материјала и његове ране монополске примене директно су повезане са војном индустријом (као што је морнарица). Иако кинеска војна и одбрамбена министарства постепено јачају своје разумевање овог материјала. Међутим, након што се свеобухватна национална моћ Кине значајно повећала, захтеви за реализацијом војне конкурентске стратегије у 21. веку и побољшањем нивоа опреме свакако ће бити веома хитни. Стога ће широка употреба тербијум-диспрозијум гвоздених гигантских магнетостриктивних материјала од стране војних и националних одбрамбених министарстава бити историјска нужност.
Укратко, многа одлична својства тербијума чине га незаменљивим чланом многих функционалних материјала и незаменљивим местом у неким областима примене. Међутим, због високе цене тербијума, људи су проучавали како да избегну и минимизирају употребу тербијума како би смањили трошкове производње. На пример, за реткоземне магнето-оптичке материјале требало би да се што више користе јефтини диспрозијум гвожђе кобалт или гадолинијум тербијум кобалт; покушајте да смањите садржај тербијума у зеленом флуоресцентном праху који се мора користити. Цена је постала важан фактор који ограничава широку употребу тербијума. Али многи функционални материјали не могу без њега, па се морамо придржавати принципа „коришћења доброг челика на сечиву“ и покушати да што више уштедимо употребу тербијума.
Време објаве: 05.07.2023.