Terbijspada u kategoriju teškihrijetke zemlje, s niskom količinom u Zemljinoj kori od samo 1,1 ppm. Terbijev oksid čini manje od 0,01% ukupnih rijetkih zemalja. Čak i u rudi teških rijetkih zemalja s visokim udjelom itrija iona s najvećim sadržajem terbija, sadržaj terbija čini samo 1,1-1,2% ukupnih rijetkih zemalja, što ukazuje na to da pripada "plemenitoj" kategoriji elemenata rijetkih zemalja. Više od 100 godina od otkrića terbija 1843. godine, njegova rijetkost i vrijednost dugo su sprječavale njegovu praktičnu primjenu. Tek je u posljednjih 30 godina terbij pokazao svoj jedinstveni talent.
Otkrivanje povijesti
Švedski kemičar Carl Gustaf Mosander otkrio je terbij 1843. godine. Pronašao je njegove nečistoće uItrijev(III) oksidiY2O3Itrij je dobio ime po selu Ytterby u Švedskoj. Prije pojave tehnologije ionske izmjene, terbij nije bio izoliran u svom čistom obliku.
Mosant je prvi podijelio itrijev(III) oksid na tri dijela, a svi su nazvani po rudama: itrijev(III) oksid,Erbijev(III) oksid, i terbijev oksid. Terbijev oksid se izvorno sastojao od ružičastog dijela, zbog elementa koji je danas poznat kao erbij. „Erbijev(III) oksid“ (uključujući ono što danas nazivamo terbijem) izvorno je bio u biti bezbojni dio u otopini. Netopljivi oksid ovog elementa smatra se smeđim.
Kasniji radnici jedva su mogli uočiti sitni bezbojni „erbijev(III) oksid“, ali topljivi ružičasti dio nije se mogao ignorirati. Rasprave o postojanju erbijevog(III) oksida ponavljale su se. U kaosu je izvorni naziv obrnut i zamjena naziva je zapela, pa je ružičasti dio na kraju spomenut kao otopina koja sadrži erbij (u otopini je bio ružičast). Sada se vjeruje da radnici koji koriste natrijev bisulfat ili kalijev sulfat uzimajuCerijev(IV) oksidiz itrijevog(III) oksida i nenamjerno pretvoriti terbij u sediment koji sadrži cerij. Samo oko 1% izvornog itrijevog(III) oksida, sada poznatog kao "terbij", dovoljno je da itrijev(III) oksid dobije žućkastu boju. Stoga je terbij sekundarna komponenta koja ga je u početku sadržavala, a kontroliraju ga njegovi neposredni susjedi, gadolinij i disprozij.
Nakon toga, kad god su se drugi rijetkozemni elementi odvajali iz ove smjese, bez obzira na udio oksida, naziv terbij se zadržavao sve dok konačno nije dobiven smeđi oksid terbija u čistom obliku. Istraživači u 19. stoljeću nisu koristili ultraljubičastu fluorescentnu tehnologiju za promatranje jarko žutih ili zelenih nodula (III), što je olakšavalo prepoznavanje terbija u krutim smjesama ili otopinama.
Elektronska konfiguracija
Elektronska konfiguracija:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronska konfiguracija terbija je [Xe] 6s24f9. Normalno, samo tri elektrona mogu se ukloniti prije nego što nuklearni naboj postane prevelik za daljnju ionizaciju, ali u slučaju terbija, poluispunjeni terbij omogućuje daljnju ionizaciju četvrtog elektrona u prisutnosti vrlo jakih oksidansa poput plinovitog fluora.
Terbij je srebrno-bijeli rijetki zemni metal s duktilnošću, žilavošću i mekoćom koji se može rezati nožem. Talište 1360 ℃, vrelište 3123 ℃, gustoća 82294 kg/m3. U usporedbi s ranim lantanidom, relativno je stabilan na zraku. Kao deveti element lantanida, terbij je metal s jakim elektricitetom. Reagira s vodom i stvara vodik.
U prirodi terbij nikada nije pronađen kao slobodni element, čija mala količina postoji u fosfocerijevom torijevom pijesku i gadolinitu. Terbij koegzistira s drugim rijetkim zemnim elementima u monazitnom pijesku, s općenito 0,03% terbija. Drugi izvori su ksenotim i crne rijetke rude zlata, koje su smjese oksida i sadrže do 1% terbija.
Primjena
Primjena terbija uglavnom uključuje visokotehnološka područja, koja su tehnološki i znanstveno intenzivni vrhunski projekti, kao i projekti sa značajnim ekonomskim koristima, s atraktivnim razvojnim izgledima.
Glavna područja primjene uključuju:
(1) Koristi se u obliku miješanih rijetkih zemalja. Na primjer, koristi se kao složeno gnojivo od rijetkih zemalja i dodatak stočnoj hrani za poljoprivredu.
(2) Aktivator za zeleni prah u tri primarna fluorescentna praha. Moderni optoelektronički materijali zahtijevaju upotrebu tri osnovne boje fosfora, i to crvene, zelene i plave, koje se mogu koristiti za sintezu različitih boja. Terbij je neizostavna komponenta u mnogim visokokvalitetnim zelenim fluorescentnim prahovima.
(3) Koristi se kao magnetooptički materijal za pohranu. Tanki filmovi legure amorfnog metala terbija i prijelaznog metala korišteni su za proizvodnju visokoučinkovitih magnetooptičkih diskova.
(4) Proizvodnja magnetooptičkog stakla. Faradayevo rotaciono staklo koje sadrži terbij ključni je materijal za proizvodnju rotatora, izolatora i cirkulatora u laserskoj tehnologiji.
(5) Razvoj i razvoj terbijevo-disprozijeve feromagnetostriktivne legure (TerFenol) otvorio je nove primjene za terbij.
Za poljoprivredu i stočarstvo
Rijetki zemni terbij može poboljšati kvalitetu usjeva i povećati brzinu fotosinteze unutar određenog raspona koncentracija. Terbijevi kompleksi imaju visoku biološku aktivnost. Ternarni kompleksi terbija, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, imaju dobre antibakterijske i baktericidne učinke na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli. Imaju širok antibakterijski spektar. Proučavanje takvih kompleksa pruža novi smjer istraživanja za moderne baktericidne lijekove.
Koristi se u području luminiscencije
Moderni optoelektronički materijali zahtijevaju upotrebu tri osnovne boje fosfora, naime crvene, zelene i plave, koje se mogu koristiti za sintezu različitih boja. Terbij je neizostavna komponenta u mnogim visokokvalitetnim zelenim fluorescentnim prahovima. Ako je pojava crvenog fluorescentnog praha za rijetkozemne televizore u boji potaknula potražnju za itrijem i europijem, onda je primjena i razvoj terbija potaknut korištenjem tri primarne zelene fluorescentne praha za rijetkozemne lampe. Početkom 1980-ih, Philips je izumio prvu kompaktnu štedljivu fluorescentnu lampu na svijetu i brzo je promovirao globalno. Tb3+ ioni mogu emitirati zeleno svjetlo valne duljine od 545 nm, a gotovo svi rijetkozemni zeleni fosfori koriste terbij kao aktivator.
Zeleni fosfor za katodne cijevi (CRT) televizora u boji oduvijek se temeljio na cinkovom sulfidu, koji je jeftin i učinkovit, ali terbijev prah oduvijek se koristio kao zeleni fosfor za projekcijske televizore u boji, uključujući Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ i LaOBr ∶ Tb3+. Razvojem televizora visoke razlučivosti (HDTV) s velikim zaslonom razvijaju se i visokoučinkoviti zeleni fluorescentni prahovi za CRT-ove. Na primjer, u inozemstvu je razvijen hibridni zeleni fluorescentni prah koji se sastoji od Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, koji imaju izvrsnu učinkovitost luminiscencije pri visokoj gustoći struje.
Tradicionalni fluorescentni prah za rendgensko zračenje je kalcijev volframat. U 1970-ima i 1980-ima razvijeni su rijetkozemni fosfori za pojačavajuće zaslone, kao što su terbijem aktivirani sumpor lantanov oksid, terbijem aktivirani brom lantanov oksid (za zelene zaslone), terbijem aktivirani sumpor itrijev(III) oksid itd. U usporedbi s kalcijevim volframatom, rijetkozemni fluorescentni prah može smanjiti vrijeme zračenja X-zrakama za pacijente za 80%, poboljšati rezoluciju X-zraka, produžiti vijek trajanja X-zraka i smanjiti potrošnju energije. Terbij se također koristi kao aktivator fluorescentnog praha za medicinske zaslone za pojačavanje X-zraka, što može uvelike poboljšati osjetljivost pretvorbe X-zraka u optičke slike, poboljšati jasnoću X-zraka i uvelike smanjiti dozu izloženosti X-zrakama na ljudsko tijelo (za više od 50%).
Terbij se također koristi kao aktivator u bijelom LED fosforu koji se pobuđuje plavim svjetlom za novu poluvodičku rasvjetu. Može se koristiti za proizvodnju terbij aluminijevih magnetooptičkih kristalnih fosfora, koristeći plave svjetleće diode kao izvore pobudne svjetlosti, a generirana fluorescencija se miješa s pobudnom svjetlošću kako bi se dobila čista bijela svjetlost.
Elektroluminiscentni materijali izrađeni od terbija uglavnom uključuju zeleni fosfor cinkovog sulfida s terbijem kao aktivatorom. Pod ultraljubičastim zračenjem, organski kompleksi terbija mogu emitirati jaku zelenu fluorescenciju i mogu se koristiti kao tankoslojni elektroluminiscentni materijali. Iako je postignut značajan napredak u proučavanju elektroluminiscentnih tankih filmova rijetkih zemnih organskih kompleksa, još uvijek postoji određeni jaz od praktičnosti, a istraživanja elektroluminiscentnih tankih filmova i uređaja na bazi rijetkih zemnih organskih kompleksa još su uvijek u punoj fazi.
Fluorescentne karakteristike terbija također se koriste kao fluorescentne sonde. Na primjer, fluorescentna sonda ofloksacin terbija (Tb3+) korištena je za proučavanje interakcije između kompleksa ofloksacin terbija (Tb3+) i DNA (DNA) pomoću fluorescentnog spektra i apsorpcijskog spektra, što ukazuje na to da sonda ofloksacin Tb3+ može formirati žlijeb vezanja s molekulama DNA, a DNA može značajno pojačati fluorescenciju sustava ofloksacin Tb3+. Na temelju ove promjene može se odrediti DNA.
Za magnetooptičke materijale
Materijali s Faradayevim efektom, poznati i kao magnetooptički materijali, široko se koriste u laserima i drugim optičkim uređajima. Postoje dvije uobičajene vrste magnetooptičkih materijala: magnetooptički kristali i magnetooptičko staklo. Među njima, magnetooptički kristali (poput itrijevog željeznog granata i terbijevog galijevog granata) imaju prednosti podesive radne frekvencije i visoke toplinske stabilnosti, ali su skupi i teški za proizvodnju. Osim toga, mnogi magnetooptički kristali s visokim Faradayevim kutom rotacije imaju visoku apsorpciju u kratkovalnom području, što ograničava njihovu upotrebu. U usporedbi s magnetooptičkim kristalima, magnetooptičko staklo ima prednost visoke propusnosti i lako se izrađuje u velike blokove ili vlakna. Trenutno su magnetooptička stakla s visokim Faradayevim efektom uglavnom stakla dopirana rijetkim zemnim ionima.
Koristi se za magnetooptičke materijale za pohranu
Posljednjih godina, s brzim razvojem multimedije i uredske automatizacije, potražnja za novim magnetskim diskovima velikog kapaciteta raste. Filmovi amorfnih metalnih legura terbija i prijelaznih metala korišteni su za proizvodnju visokoučinkovitih magnetooptičkih diskova. Među njima, tanki film legure TbFeCo ima najbolje performanse. Magnetooptički materijali na bazi terbija proizvode se u velikim razmjerima, a magnetooptički diskovi izrađeni od njih koriste se kao komponente za pohranu podataka u računalima, s kapacitetom pohrane povećanim 10-15 puta. Imaju prednosti velikog kapaciteta i velike brzine pristupa, a mogu se brisati i premazivati desetke tisuća puta kada se koriste za optičke diskove visoke gustoće. Važni su materijali u tehnologiji elektroničke pohrane informacija. Najčešće korišteni magnetooptički materijal u vidljivom i bliskom infracrvenom pojasu je monokristal terbij-galij-garnet (TGG), koji je najbolji magnetooptički materijal za izradu Faradayevih rotatora i izolatora.
Za magnetooptičko staklo
Faradayevo magnetooptičko staklo ima dobru prozirnost i izotropiju u vidljivom i infracrvenom području te može oblikovati različite složene oblike. Lako se proizvode veliki proizvodi i može se uvlačiti u optička vlakna. Stoga ima široke mogućnosti primjene u magnetooptičkim uređajima kao što su magnetooptički izolatori, magnetooptički modulatori i senzori struje optičkih vlakana. Zbog velikog magnetskog momenta i malog koeficijenta apsorpcije u vidljivom i infracrvenom području, Tb3+ ioni postali su često korišteni rijetkozemni ioni u magnetooptičkim staklima.
Terbij-disprozij feromagnetostriktivni legura
Krajem 20. stoljeća, s produbljivanjem svjetske znanstvene i tehnološke revolucije, brzo se pojavljuju novi primijenjeni materijali rijetkih zemalja. Godine 1984. Sveučilište Iowa State u Sjedinjenim Državama, Amesov laboratorij Ministarstva energetike Sjedinjenih Država i Istraživački centar za površinsko oružje američke mornarice (glavno osoblje kasnije osnovane tvrtke American Edge Technology Company (ET REMA) došlo je iz centra) zajednički su razvili novi pametni materijal rijetkih zemalja, naime terbij disprozij željezni divovski magnetostriktivni materijal. Ovaj novi pametni materijal ima izvrsne karakteristike brze pretvorbe električne energije u mehaničku energiju. Podvodni i elektroakustični pretvarači izrađeni od ovog divovskog magnetostriktivnog materijala uspješno su konfigurirani u pomorskoj opremi, zvučnicima za detekciju naftnih bušotina, sustavima za kontrolu buke i vibracija te sustavima za istraživanje oceana i podzemnu komunikaciju. Stoga je, čim se rodio terbij disprozij željezni divovski magnetostriktivni materijal, privukao široku pozornost industrijaliziranih zemalja diljem svijeta. Tvrtka Edge Technologies u Sjedinjenim Državama započela je proizvodnju terbij-disprozijevih željeznih divovskih magnetostriktivnih materijala 1989. godine i nazvala ih Terfenol D. Nakon toga, Švedska, Japan, Rusija, Ujedinjeno Kraljevstvo i Australija također su razvile terbij-disprozijeve željezne divovske magnetostriktivne materijale.
Iz povijesti razvoja ovog materijala u Sjedinjenim Državama, i izum materijala i njegove rane monopolističke primjene izravno su povezane s vojnom industrijom (kao što je mornarica). Iako kineski vojni i obrambeni odjeli postupno jačaju svoje razumijevanje ovog materijala. Međutim, nakon što se sveobuhvatna nacionalna moć Kine značajno povećala, zahtjevi za ostvarenjem vojne konkurentske strategije u 21. stoljeću i poboljšanjem razine opreme zasigurno će biti vrlo hitni. Stoga će široko rasprostranjena upotreba terbij disprozijevih željeznih divovskih magnetostriktivnih materijala od strane vojnih i nacionalnih obrambenih odjela biti povijesna nužnost.
Ukratko, mnoga izvrsna svojstva terbija čine ga neizostavnim članom mnogih funkcionalnih materijala i nezamjenjivim mjestom u nekim područjima primjene. Međutim, zbog visoke cijene terbija, ljudi su proučavali kako izbjeći i smanjiti upotrebu terbija kako bi smanjili troškove proizvodnje. Na primjer, za magneto-optičke materijale rijetkih zemalja također bi trebalo što više koristiti jeftin disprozij željezo kobalt ili gadolinij terbij kobalt; pokušajte smanjiti sadržaj terbija u zelenom fluorescentnom prahu koji se mora koristiti. Cijena je postala važan faktor koji ograničava široku upotrebu terbija. Ali mnogi funkcionalni materijali ne mogu bez njega, pa se moramo pridržavati načela „korištenja dobrog čelika na oštrici“ i pokušati što više uštedjeti upotrebu terbija.
Vrijeme objave: 05.07.2023.