Maagiline haruldaste muldmetallide element: terbium

Terbiumkuulub raskete haruldaste muldmetallide kategooriasse, mille arvukus maakoores on väike, vaid 1,1 ppm.Terbiumoksiidmoodustab vähem kui 0,01% haruldaste muldmetallide koguarvust. Isegi kõrge ütriumioonide sisaldusega raske haruldaste muldmetallide maagis, mille terbiumisisaldus on kõrgeim, moodustab terbiumi sisaldus ainult 1,1–1,2% kogusisaldusest.haruldased muldmetallid, mis näitab, et see kuulub "üllas" kategooriasseharuldased muldmetallidelemendid. Rohkem kui 100 aastat alates terbiumi avastamisest 1843. aastal on selle nappus ja väärtus takistanud selle praktilist kasutamist pikka aega. See on alles viimase 30 aasta jooksulterbiumon näidanud oma ainulaadset annet.

Ajaloo avastamine

Rootsi keemik Carl Gustaf Mosander avastas terbiumi aastal 1843. Ta avastas selle lisandidütriumoksiidjaY2O3. Ütriumon nime saanud Rootsis asuva Itby küla järgi. Enne ioonivahetustehnoloogia tekkimist ei eraldatud terbiumi puhtal kujul.

Mossander jagas kõigepealtütriumoksiidkolmeks osaks, mis kõik on nime saanud maakide järgi:ütriumoksiid, erbiumoksiidjaterbiumoksiid. Terbiumoksiidkoosnes algselt roosast osast tänu elemendile, mida praegu tuntakse kuierbium. Erbiumoksiid(kaasa arvatud see, mida me praegu nimetame terbiumiks) oli algselt lahuses olev värvitu osa. Selle elemendi lahustumatut oksiidi peetakse pruuniks.

Hilisematel töötajatel oli raske jälgida pisikesi värvituid.erbiumoksiid“, kuid lahustuvat roosat osa ei saa tähelepanuta jätta. Arutelu olemasolu üleerbiumoksiidon korduvalt esile kerkinud. Kaoses pöörati algne nimi ümber ja nimede vahetus jäi toppama, nii et roosat osa mainiti lõpuks erbiumi sisaldava lahusena (lahuses oli see roosa). Praegu arvatakse, et töötajad, kes kasutavad naatriumdisulfiidi või kaaliumsulfaati tseeriumdioksiidi eemaldamiseksütriumoksiidtahtmatult pööramaterbiumtseeriumi sisaldavateks sademeks. Praegu tuntud kui'terbium', vaid umbes 1% originaalistütriumoksiidon olemas, kuid sellest piisab helekollase värvi edastamiseksütriumoksiid. Seetõttuterbiumon sekundaarne komponent, mis seda algselt sisaldas, ja seda kontrollivad tema vahetud naabrid,gadoliiniumjadüsproosium.

Hiljem, millal iganes muul ajalharuldased muldmetallidSellest segust eraldati elemendid, olenemata oksiidi osakaalust, säilis terbiumi nimi, kuni lõpuks tekkis pruun oksiidterbiumsaadi 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

Elektrooniline paigutus:

1s2 2s2 2p6 3p2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

Elektrooniline paigutusterbiumon [Xe] 6s24f9. Tavaliselt saab eemaldada ainult kolm elektroni, enne kui tuumalaeng muutub edasiseks ioniseerimiseks liiga suureks. Siiski juhulterbium, pool täidetudterbiumvõimaldab neljanda elektroni edasist ioniseerimist väga tugeva oksüdeerija, näiteks fluorigaasi, juuresolekul.

Metallist

""

Terbiumon hõbevalge haruldane muldmetall, millel on plastilisus, sitkus ja pehmus, mida saab noaga lõigata. Sulamistemperatuur 1360 ℃, keemistemperatuur 3123 ℃, tihedus 8229 4kg/m3. Võrreldes varajaste lantaniidi elementidega on see õhus suhteliselt stabiilne. Lantaniidelementide üheksas element, terbium, on kõrge laenguga metall, mis reageerib veega, moodustades gaasilise vesiniku.

Looduses,terbiumei ole kunagi leitud olevat vaba element, mis esineb väikestes kogustes fosforis tseerium-tooriumliivas ja räni-berüllium-ütriummaagis.Terbiumeksisteerib koos teiste haruldaste muldmetallide elementidega monasiitliivas, üldiselt 0,03% terbiumisisaldusega. Teiste allikate hulka kuuluvad ütriumfosfaat ja haruldaste muldmetallide kuld, mis mõlemad on oksiidide segud, mis sisaldavad kuni 1% terbiumi.

Rakendus

Taotlusterbiumhõlmab enamasti kõrgtehnoloogilisi valdkondi, mis on tehnoloogiamahukad ja teadmusmahukad tipptasemel projektid, aga ka olulise majandusliku kasuga projekte, millel on atraktiivsed arenguväljavaated.

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. Jaterbiumon paljude kvaliteetsete roheliste fluorestseeruvate pulbrite asendamatu komponent.

(3) Kasutatakse magnetoptilise salvestusmaterjalina. Amorfse metalli terbiumi siirdemetallisulamitest õhukesi kilesid on kasutatud suure jõudlusega magnetooptiliste ketaste valmistamiseks.

(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

Haruldased muldmetallidterbiumvõib parandada põllukultuuride kvaliteeti ja suurendada fotosünteesi kiirust teatud kontsentratsioonivahemikus. Terbiumi kompleksidel on kõrge bioloogiline aktiivsus ja kolmekomponentsetel kompleksidelterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, omavad head antibakteriaalset ja bakteritsiidset toimet Staphylococcus aureusele, Bacillus subtilisele ja Escherichia colile, millel on laia toimespektriga antibakteriaalsed omadused. Nende 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 värviteleri punase fluorestseeruva pulbri sünd on stimuleerinud nõudlustütriumjaeuroopium, siis on terbiumi kasutamist ja arendamist 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 545 nm ja peaaegu kõik haruldaste muldmetallide rohelised fluorestsentspulbrid kasutavadterbium, aktivaatorina.

Värvitelerite elektronkiiretorude (CRT) jaoks kasutatav roheline fluorestsentspulber on alati põhinenud peamiselt odaval ja tõhusal tsinksulfiidil, kuid projektsioonivärvi TV rohelise pulbrina on alati kasutatud terbiumipulbrit, näiteks 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 sensibiliseerivate ekraanide jaoks haruldaste muldmetallide fluorestseeruvad pulbrid, nt.terbium,aktiveeritud lantaansulfiidoksiid, terbiumiga aktiveeritud lantaanbromiidoksiid (roheliste ekraanide jaoks) ja terbiumiga aktiveeritud ütriumsulfiidoksiid. Võrreldes kaltsiumvolframaadiga võib haruldaste muldmetallide fluorestseeruv pulber vähendada patsientide röntgenikiirguse aega 80%, parandada röntgenkiirte eraldusvõimet, pikendada röntgentorude eluiga ja vähendada 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%).

Terbiumkasutatakse 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 elektroluminestseeruvad materjalid hõlmavad peamiselt tsinksulfiidi rohelist fluorestseeruvat pulbritterbiumaktivaatorina. Ultraviolettkiirguse all võivad terbiumi orgaanilised kompleksid eraldada tugevat rohelist fluorestsentsi ja neid saab kasutada õhukese kile elektroluminestseeruvate materjalidena. Kuigi uurimisel on tehtud märkimisväärseid edusammeharuldased muldmetallidorgaaniliste komplekssete elektroluminestseeruvate õhukeste kilede puhul on praktilisusest veel teatav lõhe ning haruldaste muldmetallide orgaaniliste komplekssete elektroluminestseeruvate õhukeste kilede ja seadmete uurimine on endiselt sügav.

Terbiumi fluorestsentsomadusi kasutatakse ka fluorestsentssondidena. Ofloksatsiini terbiumi (Tb3+) kompleksi ja desoksüribonukleiinhappe (DNA) vahelist koostoimet uuriti fluorestsents- ja absorptsioonispektrite, näiteks ofloksatsiinterbiumi (Tb3+) fluorestsentssondi abil. Tulemused näitasid, et ofloksatsiini Tb3+ sond võib moodustada DNA molekulidega seonduva soone ja desoksüribonukleiinhape võib oluliselt suurendada ofloksatsiini Tb3+ süsteemi fluorestsentsi. Selle muutuse põhjal saab määrata desoksüribonukleiinhappe.

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 magneto-optilistel kristallidel (nt ütriumraudgranaat ja terbium-galliumgranaat) eeliseks reguleeritav töösagedus ja kõrge termiline stabiilsus, kuid need on kallid ja raskesti valmistatavad. Lisaks on paljudel kõrge 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. Amorfse metalli terbiumi siirdemetallisulamitest õhukesi kilesid on kasutatud suure jõudlusega magnetooptiliste ketaste valmistamiseks. 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, ülemaailmse tehnoloogilise revolutsiooni pideva süvenemisega, tekkisid kiiresti uued haruldaste muldmetallide rakendusmaterjalid. 1984. aastal tegid Iowa osariigi ülikool, USA energeetikaministeeriumi Amesi labor ja USA mereväe pinnarelvade uurimiskeskus (kust hiljem asutatud Edge Technology Corporationi (ET REMA) põhipersonal) koostööd, et töötada välja uus haruldane. maa intelligentne materjal, nimelt terbium-düsproosium ferromagnetiline magnetostriktiivne materjal. Sellel uuel intelligentsel 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 Hiina laiaulatusliku riikliku tugevuse olulise suurenemise tõttu on nõudlus 21. sajandi sõjalise konkurentsistrateegia saavutamise ja varustustaseme parandamise järele kindlasti väga pakiline. Seetõttu on terbium-düsproosiumi raua hiiglaslike magnetostriktiivsete materjalide laialdane kasutamine sõjaväe- ja riigikaitseosakondades ajalooliselt hädavajalik.

Lühidalt, paljud suurepärased omadusedterbiummuuta see paljude funktsionaalsete materjalide asendamatuks osaks 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-optilised materjalid peaksid samuti kasutama odavaid kulusiddüsproosium raudkoobalt või gadoliinium-terbiumkoobalt nii palju kui võimalik; Püüdke vähendada terbiumi sisaldust rohelises fluorestseeruvas pulbris, mida tuleb kasutada. Hind on muutunud oluliseks teguriks, mis piirab laialdast kasutamistterbium. Kuid paljud funktsionaalsed materjalid ei saa ilma selleta hakkama, seega peame järgima põhimõtet "kasutada terale head terast" ja püüdma säästa tera kasutamist.terbiumnii palju kui võimalik.

 


Postitusaeg: 25. oktoober 2023