Terbiumkuulub raskete kategooriasseharuldased muldmetallid, mille esinemissagedus maakoores on väike, vaid 1,1 ppm. Terbiumoksiid moodustab vähem kui 0,01% haruldaste muldmetallide koguarvust. Isegi kõrge ütriumioonide sisaldusega raske haruldaste muldmetallide maagis, mille terbiumisisaldus on kõrgeim, moodustab terbiumi sisaldus haruldaste muldmetallide koguhulgast vaid 1,1–1,2%, mis näitab, et see kuulub haruldaste muldmetallide elementide kategooriasse "üllas". Rohkem kui 100 aastat alates terbiumi avastamisest 1843. aastal on selle nappus ja väärtus takistanud selle praktilist kasutamist pikka aega. 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 lisandidÜtrium(III)oksiidjaY2O3. Ütrium on oma nime saanud Rootsis asuva Ytterby küla järgi. Enne ioonivahetustehnoloogia tekkimist ei eraldatud terbiumi puhtal kujul.
Esmalt jagas Mosant ütrium(III)oksiidi kolmeks osaks, mis kõik said nime maakide järgi: ütrium(III)oksiid,Erbium(III)oksiidja terbiumoksiid. Terbiumoksiid koosnes algselt roosast osast tänu elemendile, mida praegu tuntakse erbiumi nime all. Erbium(III)oksiid (sealhulgas see, mida me praegu nimetame terbiumiks) oli algselt lahuse põhiliselt värvitu osa. Selle elemendi lahustumatut oksiidi peetakse pruuniks.
Hilisemad töötajad ei suutnud imepisikest värvitut "Erbium(III) oksiidi" peaaegu jälgida, kuid lahustuvat roosat osa ei saanud tähelepanuta jätta. Vaidlusi erbium(III)oksiidi olemasolu üle on kerkinud korduvalt. Kaoses pöörati algne nimi ümber ja nimede vahetus jäi toppama, nii et roosat osa mainiti lõpuks erbiumi sisaldava lahusena (lahuses oli see roosa). Nüüd arvatakse, et naatriumvesiniksulfaati või kaaliumsulfaati kasutavad töötajad võtavadTseerium(IV)oksiidütrium(III)oksiidist välja ja muudavad terbiumi tahtmatult tseeriumi sisaldavaks setteks. Ainult umbes 1% algsest ütrium(III)oksiidist, mida nüüd tuntakse terbiumina, on piisav, et anda ütrium(III)oksiidiks kollakas värv. Seetõttu on terbium sekundaarne komponent, mis seda algselt sisaldas, ja seda kontrollivad tema vahetud naabrid, gadoliinium ja düsproosium.
Pärast seda, kui sellest segust eraldati muid haruldasi muldmetalli elemente, jäeti terbiumi nimi alles, olenemata oksiidi osakaalust, kuni lõpuks saadi terbiumi pruun oksiid puhtal kujul. 19. sajandi teadlased ei kasutanud erekollaste või roheliste sõlmede (III) vaatlemiseks ultraviolettfluorestsentstehnoloogiat, mistõttu oli terbiumi äratundmine tahketes segudes või lahustes lihtsam.
Elektronide konfiguratsioon
Elektronide konfiguratsioon:
1s2 2s2 2p6 3p2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbiumi elektronkonfiguratsioon on [Xe] 6s24f9. Tavaliselt saab eemaldada ainult kolm elektroni, enne kui tuumalaeng muutub edasiseks ioniseerimiseks liiga suureks, kuid terbiumi puhul võimaldab pooltäidetud terbium neljandat elektroni veelgi ioniseerida väga tugevate oksüdeerijate, näiteks fluorigaasi juuresolekul.
Terbium on hõbedane valge haruldane muldmetall, millel on plastilisus, sitkus ja pehmus, mida saab noaga lõigata. Sulamistemperatuur 1360 ℃, keemistemperatuur 3123 ℃, tihedus 8229 4kg/m3. Võrreldes varase Lantaniidiga on see õhus suhteliselt stabiilne. Lantaniidi üheksanda elemendina on terbium tugeva elektriga metall. See reageerib veega, moodustades vesinikku.
Looduses pole terbiumi kunagi leitud vaba elemendina, vähesel määral leidub seda phosphocerium tooriumliivas ja gadoliniidis. Terbium eksisteerib koos teiste haruldaste muldmetallide elementidega monasiitliivas, üldiselt 0,03% terbiumisisaldusega. Teised allikad on ksenotiim ja mustad haruldased kullamaagid, mis mõlemad on oksiidide segud ja sisaldavad kuni 1% terbiumi.
Rakendus
Terbiumi kasutamine hõlmab valdavalt kõrgtehnoloogilisi valdkondi, milleks on tehnoloogiamahukad ja teadmusmahukad tipptasemel projektid, aga ka olulise majandusliku kasuga ning atraktiivsete arenguväljavaadetega projektid.
Peamised rakendusvaldkonnad hõlmavad järgmist:
(1) Kasutatakse segatud haruldaste muldmetallide kujul. Näiteks kasutatakse seda põllumajanduses haruldaste muldmetallide liitväetisena ja söödalisandina.
(2) Aktivaator rohelise pulbri jaoks kolmes primaarses fluorestseeruvas pulbris. Kaasaegsed optoelektroonilised materjalid nõuavad kolme põhivärvi fosforit, nimelt punast, rohelist ja sinist, mida saab kasutada erinevate värvide sünteesimiseks. Ja terbium on paljude kvaliteetsete roheliste fluorestseeruvate pulbrite asendamatu komponent.
(3) Kasutatakse magnetoptilise salvestusmaterjalina. Suure jõudlusega magneto-optiliste ketaste valmistamiseks on kasutatud amorfse metalli terbiumi siirdemetallisulamitest õhukesi kilesid.
(4) Magnetoptilise klaasi tootmine. Terbiumi sisaldav Faraday pöörlev klaas on lasertehnoloogia rotaatorite, isolaatorite ja tsirkulatsioonipumpade valmistamise võtmematerjal.
(5) Terbium-düsproosiumi ferromagnetostriktiivse sulami (TerFenol) väljatöötamine ja arendamine on avanud terbiumile uusi rakendusi.
Põllumajandusele ja loomakasvatusele
Haruldaste muldmetallide terbium võib teatud kontsentratsioonivahemikus parandada põllukultuuride kvaliteeti ja suurendada fotosünteesi kiirust. Terbiumi kompleksidel on kõrge bioloogiline aktiivsus. Terbiumi kolmekomponentsetel kompleksidel Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O on hea antibakteriaalne ja bakteritsiidne toime Staphylococcus aureusele, Bacillus subtilisele ja Escherichia colile. Neil on lai antibakteriaalne spekter. Selliste komplekside uurimine annab uue uurimissuuna tänapäevaste bakteritsiidsete ravimite jaoks.
Kasutatakse luminestsentsi valdkonnas
Kaasaegsed optoelektroonilised materjalid nõuavad kolme põhivärvi fosforit, nimelt punast, rohelist ja sinist, mida saab kasutada erinevate värvide sünteesimiseks. Ja terbium on paljude kvaliteetsete roheliste fluorestseeruvate pulbrite asendamatu komponent. Kui haruldaste muldmetallide värvilise TV-punase fluorestseeruva pulbri sünd on ärgitanud nõudlust ütriumi ja euroopiumi järele, siis terbiumi kasutamist ja arendamist on soodustanud haruldaste muldmetallide kolme põhivärvi roheline luminofoorpulber lampidele. 1980. aastate alguses leiutas Philips maailma esimese kompaktse energiasäästliku luminofoorlambi ja tutvustas seda kiiresti ülemaailmselt. Tb3+ ioonid võivad kiirata rohelist valgust lainepikkusega 545nm ja peaaegu kõik haruldased muldmetallid rohelised luminofoorid kasutavad aktivaatorina terbiumi.
Värviteleri elektronkiiretoru (CRT) roheline luminofoor on alati põhinenud tsinksulfiidil, mis on odav ja tõhus, kuid terbiumipulbrit on alati kasutatud rohelise luminofoorina projektsioonivärvitelerites, sealhulgas Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ ja LaOBr ∶ Tb3+. Suure ekraaniga kõrglahutusega televisiooni (HDTV) väljatöötamisega töötatakse välja ka suure jõudlusega rohelisi fluorestsentspulbreid kineskoopseadmete jaoks. Näiteks on välismaal välja töötatud hübriidroheline fluorestseeruv pulber, mis koosneb Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ ja Y2SiO5: Tb3+, millel on suure voolutiheduse juures suurepärane luminestsentsefektiivsus.
Traditsiooniline röntgenikiirguse fluorestseeruv pulber on kaltsiumvolframaat. 1970. ja 1980. aastatel töötati välja haruldaste muldmetallide luminofoorid ekraanide intensiivistamiseks, näiteks terbium-aktiveeritud väävel Lantaanoksiid, terbium-aktiveeritud broom Lantaanoksiid (roheliste ekraanide jaoks), terbium-aktiveeritud väävel Ütrium(III)oksiid jne. Võrreldes sellega. haruldaste muldmetallide fluorestseeruv pulber võib aeglustada Röntgenkiirgus patsientidele 80%, parandab röntgenkiirte eraldusvõimet, pikendab röntgentorude eluiga ja vähendab energiatarbimist. Terbiumi kasutatakse ka fluorestseeruva pulberaktivaatorina meditsiiniliste röntgenkiirte täiustamise ekraanide jaoks, mis võib oluliselt parandada röntgenikiirguse optilisteks kujutisteks muutmise tundlikkust, parandada röntgenfilmide selgust ja oluliselt vähendada röntgenkiirguse särituse annust. kiirte mõju inimkehale (üle 50%).
Terbiumi kasutatakse ka aktiveerijana valges LED-luminofooris, mida ergastab sinine valgus uue pooljuhtvalgustuse jaoks. Seda saab kasutada terbiumalumiiniumi magnetooptiliste kristallluminofooride tootmiseks, kasutades ergastusvalgusallikatena siniseid valgusdioode, ja tekitatud fluorestsents segatakse ergastusvalgusega puhta valge valguse saamiseks.
Terbiumist valmistatud elektroluminestseeruvate materjalide hulka kuuluvad peamiselt tsinksulfiidroheline luminofoor, mille aktivaatoriks on terbium. Ultraviolettkiirguse all võivad terbiumi orgaanilised kompleksid eraldada tugevat rohelist fluorestsentsi ja neid saab kasutada õhukese kile elektroluminestseeruvate materjalidena. Kuigi haruldaste muldmetallide orgaaniliste komplekssete elektroluminestseeruvate õhukeste kilede uurimisel on tehtud märkimisväärseid edusamme, on praktilisusest siiski teatud lõhe ning haruldaste muldmetallide orgaaniliste komplekssete elektroluminestseeruvate õhukeste kilede ja seadmete uurimine on endiselt sügav.
Terbiumi fluorestsentsomadusi kasutatakse ka fluorestsentssondidena. Näiteks Ofloksatsiini terbiumi (Tb3+) fluorestsentssondi kasutati Ofloksatsiinterbiumi (Tb3+) kompleksi ja DNA (DNA) vahelise interaktsiooni uurimiseks fluorestsentsi- ja neeldumisspektri abil, mis näitab, et Ofloksatsiini Tb3+ sond võib moodustada DNA molekulidega soone, ja DNA võib märkimisväärselt suurendada ofloksatsiini fluorestsentsi Tb3+süsteem. Selle muutuse põhjal saab määrata DNA.
Magnetoptiliste materjalide jaoks
Faraday efektiga materjale, mida tuntakse ka magneto-optiliste materjalidena, kasutatakse laialdaselt laserites ja muudes optilistes seadmetes. Levinud on kahte tüüpi magnetoptilisi materjale: magnetoptilised kristallid ja magnetoptiline klaas. Nende hulgas on magnetoptilistel kristallidel (nt ütriumraudgranaat ja terbiumgalliumgranaat) eeliseks reguleeritav töösagedus ja kõrge termiline stabiilsus, kuid need on kallid ja neid on raske valmistada. Lisaks on paljudel suure Faraday pöördenurgaga magneto-optilistel kristallidel kõrge neeldumine lühikeses lainevahemikus, mis piirab nende kasutamist. Magnetoptiliste kristallidega võrreldes on magnetoptilise klaasi eeliseks kõrge läbilaskvus ja seda on lihtne teha suurteks plokkideks või kiududeks. Praegu on suure Faraday efektiga magnetoptilised klaasid peamiselt haruldaste muldmetallide ioonidega legeeritud klaasid.
Kasutatakse magnetoptiliste salvestusmaterjalide jaoks
Viimastel aastatel on multimeedia ja kontoriautomaatika kiire arenguga kasvanud nõudlus uute suure võimsusega magnetketaste järele. Suure jõudlusega magneto-optiliste ketaste valmistamiseks on kasutatud amorfse metalli terbiumi siirdemetallisulamitest kilesid. Nende hulgas on TbFeCo sulamist õhuke kile parim jõudlus. Terbiumipõhiseid magnetoptilisi materjale on toodetud mastaapselt ning arvutisalvestuskomponentidena kasutatakse neist valmistatud magnetooptilisi plaate, mille salvestusmahtu on suurendatud 10-15 korda. Nende eeliseks on suur mahutavus ja kiire juurdepääsukiirus ning neid saab suure tihedusega optiliste ketaste puhul pühkida ja katta kümneid tuhandeid kordi. Need on olulised materjalid elektroonilises teabesalvestustehnoloogias. Kõige sagedamini kasutatav magnetooptiline materjal nähtavates ja lähiinfrapunaribades on Terbium Gallium Grannet (TGG) monokristall, mis on parim magnetooptiline materjal Faraday rotaatorite ja isolaatorite valmistamiseks.
Magnetoptilise klaasi jaoks
Faraday magneto optiline klaas on hea läbipaistvusega ja isotroopsusega nähtavas ja infrapuna piirkonnas ning võib moodustada erinevaid keerulisi kujundeid. Sellest on lihtne toota suuremahulisi tooteid ja seda saab tõmmata optilisteks kiududeks. Seetõttu on sellel laialdased kasutusvõimalused magnetoptilistes seadmetes, nagu magnetooptilised isolaatorid, magnetooptilised modulaatorid ja fiiberoptilised vooluandurid. Tänu suurele magnetmomendile ja väikesele neeldumistegurile nähtavas ja infrapunases piirkonnas on Tb3+ioonid muutunud magnetoptilistes klaasides laialt kasutatavateks haruldaste muldmetallide ioonideks.
Terbium-düsproosiumi ferromagnetostriktiivne sulam
20. sajandi lõpus, maailma teaduse ja tehnoloogilise revolutsiooni süvenedes, kerkivad kiiresti esile uued haruldaste muldmetallide rakendusmaterjalid. 1984. aastal pärinesid Ameerika Ühendriikide Iowa osariigi ülikool, Ameerika Ühendriikide energeetikaministeeriumi Amesi labor ja USA mereväe pinnarelvade uurimiskeskus (hiljem asutatud American Edge Technology Company (ET REMA) põhipersonal keskus) töötasid ühiselt välja uue haruldaste muldmetallide nutika materjali, nimelt terbium-düsproosiumi raua hiiglasliku magnetostriktiivse materjali. Sellel uuel nutikal materjalil on suurepärased omadused, mis muudavad elektrienergia kiiresti mehaaniliseks energiaks. Sellest hiiglaslikust magnetostriktiivsest materjalist valmistatud veealused ja elektroakustilised muundurid on edukalt konfigureeritud mereväe varustuses, naftakaevude tuvastamise kõlarites, müra- ja vibratsioonikontrollisüsteemides ning ookeanide uurimise ja maa-alustes sidesüsteemides. Seetõttu pälvis terbium-düsproosiumi raua hiiglaslik magnetostriktiivne materjal niipea, kui see materjal oli sündinud, laialdast tähelepanu tööstusriikides üle maailma. Edge Technologies Ameerika Ühendriikides alustas terbium-düsproosiumi raua hiiglaslike magnetostriktiivsete materjalide tootmist 1989. aastal ja andis neile nimeks Terfenol D. Seejärel töötasid Rootsis, Jaapanis, Venemaal, Ühendkuningriigis ja Austraalias välja ka terbiumdüsproosiumi raua hiiglaslikud magnetostriktiivsed materjalid.
Selle materjali väljatöötamise ajaloost Ameerika Ühendriikides on nii materjali leiutamine kui ka selle varajased monopoolsed rakendused otseselt seotud sõjatööstusega (näiteks mereväega). Kuigi Hiina sõjaväe- ja kaitseosakonnad tugevdavad järk-järgult oma arusaamist sellest materjalist. Kuid pärast seda, kui Hiina terviklik rahvuslik jõud on oluliselt suurenenud, on 21. sajandi sõjalise konkurentsistrateegia elluviimiseks ja varustustaseme parandamiseks esitatavad nõuded kindlasti väga kiireloomulised. Seetõttu on terbium-düsproosiumi raua hiiglaslike magnetostriktiivsete materjalide laialdane kasutamine sõjaväe- ja riigikaitseosakondades ajalooliselt hädavajalik.
Lühidalt, terbiumi paljud suurepärased omadused muudavad selle paljude funktsionaalsete materjalide asendamatuks liikmeks ja asendamatuks positsiooniks mõnes kasutusvaldkonnas. Terbiumi kõrge hinna tõttu on aga uuritud, kuidas vältida ja minimeerida terbiumi kasutamist, et vähendada tootmiskulusid. Näiteks haruldaste muldmetallide magneto-optilistes materjalides tuleks võimalikult palju kasutada ka odavat düsproosium-raudkoobaltit või gadoliinium-terbiumkoobaltit; Püüdke vähendada terbiumi sisaldust rohelises fluorestseeruvas pulbris, mida tuleb kasutada. Hind on muutunud oluliseks teguriks, mis piirab terbiumi laialdast kasutamist. Kuid paljud funktsionaalsed materjalid ei saa ilma selleta hakkama, seega peame järgima põhimõtet "kasutada terale head terast" ja püüdma võimalikult palju säästa terbiumi kasutamist.
Postitusaeg: juuli-05-2023