Terbiumkuulub raskete kategooriasseharuldased muldmetallid, mille sisaldus maakoores on madal, vaid 1,1 ppm. Terbiumoksiid moodustab haruldaste muldmetallide koguhulgast alla 0,01%. Isegi kõrge ütriumiooni sisaldusega rasketes haruldastes muldmetallides, millel on kõrgeim terbiumisisaldus, moodustab terbiumi sisaldus haruldaste muldmetallide koguhulgast vaid 1,1–1,2%, mis näitab, et see kuulub haruldaste muldmetallide „väärisesse” kategooriasse. Alates terbiumi avastamisest 1843. aastal on selle nappus ja väärtus pikka aega takistanud selle praktilist rakendamist. Alles viimase 30 aasta jooksul on terbium näidanud oma ainulaadset annet.
Ajaloo avastamine
Rootsi keemik Carl Gustaf Mosander avastas terbiumi 1843. aastal. Ta leidis selle lisandeidÜtrium(III) oksiidjaY2O3Ütrium on nime saanud Rootsis asuva Ytterby küla järgi. Enne ioonvahetustehnoloogia tekkimist ei eraldatud terbiumi puhtal kujul.
Mosant jagas esimesena ütrium(III) oksiidi kolmeks osaks, mis kõik said nime maakide järgi: ütrium(III) oksiid,Erbium(III) oksiidja terbiumoksiid. Terbiumoksiid koosnes algselt roosast osast, mis oli tingitud elemendist, mida praegu tuntakse erbiumina. „Erbium(III)oksiid” (sealhulgas see, mida me praegu nimetame terbiumiks) oli algselt lahuses sisuliselt värvitu osa. Selle elemendi lahustumatut oksiidi peetakse pruuniks.
Hilisemad töölised ei suutnud küll pisikest värvitut „erbium(III) oksiidi” märgata, kuid lahustuvat roosat osa ei saanud ignoreerida. Vaidlused erbium(III) oksiidi olemasolu üle on korduvalt tekkinud. Kaoses muudeti algne nimi vastupidiseks ja nimede vahetamine takerdus, nii et roosat osa hakati lõpuks mainima erbiumi sisaldava lahusena (lahuses oli see roosa). Nüüd arvatakse, et naatriumbisulfaati või kaaliumsulfaati kasutavad töölised võtavad...Tseerium(IV) oksiidütrium(III) oksiidist ja muutab tahtmatult terbiumi tseeriumi sisaldavaks setteks. Ainult umbes 1% algsest ütrium(III) oksiidist, mida nüüd tuntakse kui terbiumit, on piisav, et anda ütrium(III) oksiidile kollakas värvus. Seega on terbium sekundaarne komponent, mis seda algselt sisaldas, ja seda kontrollivad selle vahetud naabrid, gadoliinium ja düsproosium.
Hiljem, kui sellest segust eraldati teisi haruldasi muldmetalle, säilitati terbiumi nimetus, olenemata oksiidi osakaalust, kuni lõpuks saadi terbiumi pruun oksiid puhtal kujul. 19. sajandi teadlased ei kasutanud ultraviolettfluorestsentstehnoloogiat erekollaste või roheliste sõlmede (III) jälgimiseks, mis hõlbustas terbiumi äratundmist tahketes segudes või lahustes.
Elektronkonfiguratsioon
Elektronkonfiguratsioon:
1s2 2s2 2p6 3p2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbiumi elektronkonfiguratsioon on [Xe]₆₀₈₄⁹. Tavaliselt saab eemaldada ainult kolm elektroni, enne kui tuumalaeng muutub edasiseks ioniseerimiseks liiga suureks, kuid terbiumi puhul võimaldab pooltäidetud terbium neljanda elektroni edasist ioniseerimist väga tugevate oksüdeerijate, näiteks fluorgaasi juuresolekul.
Terbium on hõbevalge haruldane muldmetall, millel on venivus, sitkus ja pehmus ning mida saab noaga lõigata. Sulamistemperatuur on 1360 ℃, keemistemperatuur 3123 ℃ ja tihedus 8229 4 kg/m3. Võrreldes varasemate lantanoididega on see õhus suhteliselt stabiilne. Lantanoidide üheksanda elemendina on terbium tugeva elektrilaenguga metall. See reageerib veega, moodustades vesinikku.
Looduses pole terbiumi kunagi vaba elemendina leitud, väike kogus seda leidub fosfotseriumtooriumliivas ja gadoliniidis. Terbium esineb koos teiste haruldaste muldmetallidega monasiitliivas, mille terbiumisisaldus on üldiselt 0,03%. Teisteks allikateks on ksenotiim ja mustad haruldased kullamaagid, mis mõlemad on oksiidide segud ja sisaldavad kuni 1% terbiumi.
Taotlus
Terbiumi rakendusalad hõlmavad peamiselt kõrgtehnoloogilisi valdkondi, mis on tehnoloogiamahukad ja teadmistemahukad tipptasemel projektid, aga ka projekte, millel on märkimisväärne majanduslik kasu ja atraktiivsed arenguväljavaated.
Peamised rakendusvaldkonnad hõlmavad järgmist:
(1) Kasutatakse haruldaste muldmetallide segu kujul. Näiteks kasutatakse seda haruldaste muldmetallide kompleksväetisena ja söödalisandina põllumajanduses.
(2) Rohelise pulbri aktivaator kolmes peamises fluorestsentspulbris. Kaasaegsed optoelektroonilised materjalid nõuavad kolme põhivärvi fosforit – punast, rohelist ja sinist –, mida saab kasutada erinevate värvide sünteesimiseks. Terbium on paljude kvaliteetsete roheliste fluorestsentspulbrite asendamatu komponent.
(3) Kasutatakse magnetooptilise salvestusmaterjalina. Amorfse metalli terbiumi siirdemetalli sulamist õhukesi kilesid on kasutatud suure jõudlusega magnetooptiliste ketaste valmistamiseks.
(4) Magnetoptilise klaasi tootmine. Terbiumi sisaldav Faraday rotaatorklaas on lasertehnoloogias rotaatorite, isolaatorite ja tsirkulaatorite tootmise põhimaterjal.
(5) Terbiumi düsproosiumi ferromagnetostriktiivse sulami (TerFenol) väljatöötamine ja arendamine on avanud terbiumile uusi rakendusi.
Põllumajanduse ja loomakasvatuse jaoks
Haruldaste muldmetallide terbium võib teatud kontsentratsioonivahemikus parandada saagi kvaliteeti ja suurendada fotosünteesi kiirust. Terbiumikompleksidel on kõrge bioloogiline aktiivsus. Terbiumi ternaarsed kompleksid, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, omavad head antibakteriaalset ja bakteritsiidset toimet Staphylococcus aureus'ele, Bacillus subtilis'ele ja Escherichia coli'le. Neil on lai antibakteriaalne spekter. Selliste komplekside uurimine pakub uue uurimissuuna kaasaegsetele bakteritsiidsetele ravimitele.
Kasutatakse luminestsentsi valdkonnas
Kaasaegsed optoelektroonilised materjalid nõuavad kolme põhivärvi fosforit – punast, rohelist ja sinist –, mida saab kasutada erinevate värvide sünteesimiseks. Terbium on paljude kvaliteetsete roheliste luminofoorpulbrite asendamatu komponent. Kui haruldaste muldmetallide värvilise teleri punase luminofoorpulbri sünd on stimuleerinud nõudlust ütriumi ja euroopiumi järele, siis terbiumi rakendamist ja arendamist on edendanud haruldaste muldmetallide kolme põhivärvi roheline luminofoorpulber lampides. 1980. aastate alguses leiutas Philips maailma esimese kompaktse energiasäästliku luminofoorlambi ja reklaamis seda kiiresti kogu maailmas. Tb3+ ioonid võivad kiirata rohelist valgust lainepikkusega 545 nm ja peaaegu kõik haruldaste muldmetallide rohelised luminofoorid kasutavad aktivaatorina terbiumi.
Värviteleviisori elektronkiiretoru (CRT) roheline fosfor on alati põhinenud tsinksulfiidil, mis on odav ja tõhus, kuid projektsioonivärviteleviisori rohelise fosforina on alati kasutatud terbiumipulbrit, sealhulgas Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ ja LaOBr ∶ Tb3+. Suure ekraaniga kõrglahutusega televisiooni (HDTV) arenguga arendatakse ka CRT-de jaoks mõeldud suure jõudlusega rohelisi fluorestseeruvaid pulbreid. Näiteks on välismaal välja töötatud hübriidne roheline fluorestseeruv pulber, mis koosneb Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ ja Y2SiO5:Tb3+ koostisosadest, millel on suurepärane luminestsentsi efektiivsus suure voolutiheduse juures.
Traditsiooniline röntgenfluorestsentspulber on kaltsiumvolframaadist. 1970. ja 1980. aastatel töötati välja haruldaste muldmetallide fosforid ekraanide intensiivistamiseks, näiteks terbiumiga aktiveeritud väävel lantaanoksiid, terbiumiga aktiveeritud broom lantaanoksiid (roheliste ekraanide jaoks), terbiumiga aktiveeritud väävel ütrium(III)oksiid jne. Võrreldes kaltsiumvolframaadiga võib haruldaste muldmetallide fluorestsentspulber vähendada patsientide röntgenikiirguse aega 80% võrra, parandada röntgenfilmide eraldusvõimet, pikendada röntgentorude eluiga ja vähendada energiatarbimist. Terbiumi kasutatakse ka fluorestsentspulbri aktivaatorina meditsiiniliste röntgenikiirguse võimendusekraanide jaoks, mis võib oluliselt parandada röntgenikiirguse muundamise tundlikkust optilisteks piltideks, parandada röntgenfilmide selgust ja oluliselt vähendada röntgenikiirguse doosi inimkehale (rohkem kui 50%).
Terbiumit kasutatakse ka aktivaatorina valges LED-fosforis, mida ergastab sinine valgus uutes pooljuhtvalgustites. Seda saab kasutada terbiumialumiiniumist magnetooptiliste kristallfosforite tootmiseks, kasutades ergastusvalgusallikatena siniseid valgusdioode ja tekitatud fluorestsents segatakse ergastusvalgusega, et saada puhast valget valgust.
Terbiumist valmistatud elektroluminestsentsmaterjalid sisaldavad peamiselt tsinksulfiidi rohelist fosforit, mille aktivaatoriks on terbium. Ultraviolettkiirguse all võivad terbiumi orgaanilised kompleksid kiirata tugevat rohelist fluorestsentsi ja neid saab kasutada õhukeste kilede elektroluminestsentsmaterjalidena. Kuigi haruldaste muldmetallide orgaaniliste komplekside elektroluminestsentssete õhukeste kilede uurimisel on tehtud märkimisväärseid edusamme, on praktilisusest siiski teatav lõhe ning haruldaste muldmetallide orgaaniliste komplekside elektroluminestsentssete õhukeste kilede ja seadmete uuringud on endiselt põhjalikud.
Terbiumi fluorestsentsomadusi kasutatakse ka fluorestsentssondidena. Näiteks ofloksatsiin terbiumi (Tb3+) fluorestsentssondi abil uuriti ofloksatsiin terbiumi (Tb3+) kompleksi ja DNA (DNA) vahelist interaktsiooni fluorestsentsspektri ja neeldumisspektri abil, mis näitas, et ofloksatsiin Tb3+ sond suudab moodustada DNA molekulidega seonduva soone ja DNA võib oluliselt suurendada ofloksatsiin Tb3+ süsteemi fluorestsentsi. Selle muutuse põhjal saab DNA-d määrata.
Magnetoptiliste materjalide jaoks
Faraday efektiga materjale, tuntud ka kui magnetooptilisi materjale, kasutatakse laialdaselt laserites ja muudes optilistes seadmetes. Magnetooptilisi materjale on kahte tüüpi: magnetooptilised kristallid ja magnetooptiline klaas. Nende hulgas on magnetooptilistel kristallidel (näiteks ütrium-raudgranaat ja terbium-galliumgranaat) reguleeritava töösageduse ja kõrge termilise stabiilsuse eelised, kuid need on kallid ja raskesti valmistatavad. Lisaks on paljudel suure Faraday pöördenurgaga magnetooptilistel kristallidel lühilainevahemikus kõrge neeldumine, mis piirab nende kasutamist. Võrreldes magnetooptiliste kristallidega on magnetooptilisel klaasil eeliseks kõrge läbilaskvus ja seda on lihtne suurteks plokkideks või kiududeks valmistada. Praegu on suure Faraday efektiga magnetooptilised klaasid peamiselt haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud klaasid.
Kasutatakse magnetooptiliste salvestusmaterjalide jaoks
Viimastel aastatel on multimeedia ja kontoriautomaatika kiire arenguga suurenenud nõudlus uute suure mahutavusega magnetketaste järele. Amorfse metalli terbiumi siirdemetallide sulamist kilesid on kasutatud suure jõudlusega magnetooptiliste ketaste valmistamiseks. Nende hulgas on parimate omadustega TbFeCo sulamist õhuke kile. Terbiumipõhiseid magnetooptilisi materjale on toodetud suures mahus ja neist valmistatud magnetooptilisi kettaid kasutatakse arvutite salvestuskomponentidena, mille salvestusmaht on suurenenud 10–15 korda. Nende eeliseks on suur mahtuvus ja kiire juurdepääsukiirus ning neid saab suure tihedusega optiliste ketaste puhul pühkida ja katta kümneid tuhandeid kordi. Need on olulised materjalid elektroonilise teabe salvestamise tehnoloogias. Nähtava ja lähiinfrapuna sagedusalas on kõige sagedamini kasutatav magnetooptiline materjal terbium-galliumgranaat (TGG) monokristall, mis on parim magnetooptiline materjal Faraday rotaatorite ja isolaatorite valmistamiseks.
Magnetoptilise klaasi jaoks
Faraday magnetooptilisel klaasil on hea läbipaistvus ja isotroopia nähtavas ja infrapunases piirkonnas ning see suudab moodustada mitmesuguseid keerulisi kujundeid. Sellest on lihtne toota suuri tooteid ja seda saab optilisteks kiududeks tõmmata. Seetõttu on sellel laialdased rakendusvõimalused magnetooptilistes seadmetes, näiteks magnetooptilistes isolaatorites, magnetooptilistes modulaatorites ja fiiberoptilistes vooluandurites. Tänu suurele magnetilisele momendile ja väikesele neeldumistegurile nähtavas ja infrapunases piirkonnas on Tb3+ ioonidest saanud magnetooptilistes klaasides laialdaselt kasutatavad haruldaste muldmetallide ioonid.
Terbiumdüsproosiumi ferromagnetostriktiivne sulam
20. sajandi lõpus, koos maailma teadusliku ja tehnoloogilise revolutsiooni süvenemisega, tekkisid kiiresti uued haruldaste muldmetallide rakendusmaterjalid. 1984. aastal töötasid Ameerika Ühendriikide Iowa Osariigi Ülikool, Ameerika Ühendriikide Energeetikaministeeriumi Amesi labor ja USA mereväe pinnarelvade uurimiskeskus (hiljem asutatud American Edge Technology Company (ET REMA) põhipersonal tuli keskusest) ühiselt välja uue haruldaste muldmetallide nutika materjali, nimelt terbiumdüsproosiumi rauast hiiglasliku magnetostriktiivse materjali. Sellel uuel nutikal materjalil on suurepärased omadused elektrienergia kiireks mehaaniliseks energiaks muundamiseks. Sellest hiiglaslikust magnetostriktiivsest materjalist valmistatud veealuseid ja elektroakustilisi muundureid on edukalt konfigureeritud mereväe varustuses, naftapuuraukude avastamise kõlarites, müra- ja vibratsioonikontrollisüsteemides ning ookeaniuuringute ja maa-alustes sidesüsteemides. Seetõttu pälvis terbiumdüsproosiumi rauast hiiglasliku magnetostriktiivse materjali sündides laialdast tähelepanu tööstusriikides üle maailma. Ameerika Ühendriikide ettevõte Edge Technologies alustas terbium-düsproosium-raudgigantmagnetostriktiivsete materjalide tootmist 1989. aastal ja nimetas need Terfenol D-ks. Seejärel töötasid terbium-düsproosium-raudgigantmagnetostriktiivseid materjale välja ka Rootsi, Jaapan, Venemaa, Ühendkuningriik ja Austraalia.
Selle materjali arengu ajaloost Ameerika Ühendriikides on nii materjali leiutamine kui ka selle varased monopolistlikud rakendused otseselt seotud sõjatööstusega (näiteks mereväega). Kuigi Hiina sõjavägi ja kaitseministeeriumid tugevdavad järk-järgult oma arusaama sellest materjalist, on pärast Hiina ulatusliku riikliku võimu märkimisväärset suurenemist 21. sajandi sõjalise konkurentsistrateegia elluviimise ja varustustaseme parandamise nõuded kindlasti väga pakilised. Seetõttu on terbiumdüsproosiumraudhiiglaste magnetostriktiivsete materjalide laialdane kasutamine sõjaväe ja riigikaitseministeeriumide poolt ajalooliselt hädavajalik.
Lühidalt öeldes muudavad terbiumi paljud suurepärased omadused selle paljude funktsionaalsete materjalide asendamatuks liikmeks ja asendamatuks positsiooniks mõnes rakendusvaldkonnas. Terbiumi kõrge hinna tõttu on inimesed aga uurinud, kuidas terbiumi kasutamist vältida ja minimeerida, et vähendada tootmiskulusid. Näiteks haruldaste muldmetallide magnetooptiliste materjalide puhul tuleks võimalikult palju kasutada ka odavat düsproosiumi raudkoobaltit või gadoliiniumi terbiumi koobaltit; tuleks püüda vähendada terbiumi sisaldust kasutatavas rohelises fluorestseeruvas pulbris. Hind on muutunud oluliseks teguriks, mis piirab terbiumi laialdast kasutamist. Kuid paljud funktsionaalsed materjalid ei saa ilma selleta hakkama, seega peame järgima põhimõtet "kasutada teral head terast" ja püüdma terbiumi kasutamist võimalikult palju säästa.
Postituse aeg: 05.07.2023