Terbijspada v kategorijo težkihredke zemlje, z nizko vsebnostjo v Zemljini skorji, le 1,1 ppm. Terbijev oksid predstavlja manj kot 0,01 % vseh redkih zemelj. Tudi v težki rudi redkih zemelj z visoko vsebnostjo itrijevih ionov in najvišjo vsebnostjo terbija vsebnost terbija predstavlja le 1,1–1,2 % vseh redkih zemelj, kar kaže, da spada v kategorijo »plemenitih« elementov redkih zemelj. Že več kot 100 let od odkritja terbija leta 1843 sta njegova redkost in vrednost dolgo časa preprečevala njegovo praktično uporabo. Šele v zadnjih 30 letih je terbij pokazal svoj edinstven talent.
Odkrivanje zgodovine
Švedski kemik Carl Gustaf Mosander je leta 1843 odkril terbij. Njegove nečistoče je našel vItrijev(III) oksidinY2O3Itrij je poimenovan po vasi Ytterby na Švedskem. Pred pojavom tehnologije ionske izmenjave terbij ni bil izoliran v čisti obliki.
Mosant je najprej razdelil itrijev(III) oksid na tri dele, ki so bili vsi poimenovani po rudah: itrijev(III) oksid,Erbijev(III) oksidin terbijev oksid. Terbijev oksid je bil prvotno sestavljen iz rožnatega dela zaradi elementa, ki je danes znan kot erbij. »Erbijev(III) oksid« (vključno s tem, kar danes imenujemo terbij) je bil prvotno v bistvu brezbarven del raztopine. Netopni oksid tega elementa velja za rjav.
Kasnejši delavci so komaj opazili droben brezbarven "erbijev(III) oksid", vendar topnega rožnatega dela ni bilo mogoče prezreti. Razprave o obstoju erbijevega(III) oksida so se pojavljale vedno znova. V kaosu je bilo prvotno ime obrnjeno in zamenjava imen se je zataknila, zato je bil rožnati del sčasoma omenjen kot raztopina, ki vsebuje erbij (v raztopini je bil rožnat). Danes velja prepričanje, da delavci, ki uporabljajo natrijev bisulfat ali kalijev sulfat, jemljejoCerijev(IV) oksidiz itrijevega(III) oksida in nenamerno spremenijo terbij v usedlino, ki vsebuje cerij. Le približno 1 % prvotnega itrijevega(III) oksida, danes znanega kot "terbij", je dovolj, da itrijev(III) oksid dobi rumenkasto barvo. Zato je terbij sekundarna komponenta, ki ga je prvotno vsebovala, in ga nadzirata njegova neposredna soseda, gadolinij in disprozij.
Kasneje, kadar koli so bili iz te mešanice ločeni drugi redkozemeljski elementi, ne glede na delež oksida, se je ime terbij ohranilo, dokler končno ni bil pridobljen rjavi oksid terbija v čisti obliki. Raziskovalci v 19. stoletju niso uporabljali tehnologije ultravijolične fluorescence za opazovanje svetlo rumenih ali zelenih gomoljev (III), zaradi česar je bilo terbij lažje prepoznati v trdnih mešanicah ali raztopinah.
Elektronska konfiguracija
Elektronska konfiguracija:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronska konfiguracija terbija je [Xe] 6s24f9. Običajno se lahko odstranijo le trije elektroni, preden jedrni naboj postane prevelik za nadaljnjo ionizacijo, vendar v primeru terbija delno napolnjen terbij omogoča nadaljnjo ionizacijo četrtega elektrona v prisotnosti zelo močnih oksidantov, kot je fluor.
Terbij je srebrno bela redkozemeljska kovina z duktilnostjo, žilavostjo in mehkobo, ki jo je mogoče rezati z nožem. Tališče 1360 ℃, vrelišče 3123 ℃, gostota 82294 kg/m3. V primerjavi z zgodnjim lantanidom je na zraku relativno stabilen. Kot deveti element lantanida je terbij kovina z močno električno energijo. Z vodo reagira in tvori vodik.
V naravi terbij ni bil nikoli najden kot prosti element, majhna količina pa ga najdemo v fosfocerijevem torijevem pesku in gadolinitu. Terbij sobiva z drugimi redkozemeljskimi elementi v monazitnem pesku, s splošno vsebnostjo 0,03 % terbija. Drugi viri so ksenotim in črne rude redkega zlata, ki sta mešanici oksidov in vsebujeta do 1 % terbija.
Uporaba
Uporaba terbija se večinoma nanaša na visokotehnološka področja, ki so tehnološko intenzivni in znanstveno intenzivni vrhunski projekti, pa tudi projekti s pomembnimi gospodarskimi koristmi in privlačnimi razvojnimi možnostmi.
Glavna področja uporabe vključujejo:
(1) Uporablja se v obliki mešanice redkih zemelj. Na primer, uporablja se kot sestavljeno gnojilo iz redkih zemelj in krmni dodatek za kmetijstvo.
(2) Aktivator za zeleni prah v treh primarnih fluorescentnih praških. Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, ki se lahko uporabijo za sintezo različnih barv. Terbij pa je nepogrešljiva sestavina v mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescentnih praških.
(3) Uporablja se kot magnetooptični material za shranjevanje. Tanke plasti amorfne kovinske terbijeve zlitine prehodne kovine so bile uporabljene za izdelavo visokozmogljivih magnetooptičnih diskov.
(4) Proizvodnja magnetooptičnega stekla. Faradayevo rotacijsko steklo, ki vsebuje terbij, je ključni material za izdelavo rotatorjev, izolatorjev in cirkulatorjev v laserski tehnologiji.
(5) Razvoj in izpopolnjevanje terbijeve disprozijeve feromagnetostriktivni zlitini (TerFenol) je odprl nove možnosti uporabe terbija.
Za kmetijstvo in živinorejo
Redkozemeljski terbij lahko izboljša kakovost pridelkov in poveča hitrost fotosinteze v določenem koncentracijskem območju. Terbijevi kompleksi imajo visoko biološko aktivnost. Ternarni kompleksi terbija, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, imajo dobre antibakterijske in baktericidne učinke na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis in Escherichia coli. Imajo širok antibakterijski spekter. Študij takšnih kompleksov ponuja novo raziskovalno smer za sodobna baktericidna zdravila.
Uporablja se na področju luminiscence
Sodobni optoelektronski materiali zahtevajo uporabo treh osnovnih barv fosforja, in sicer rdeče, zelene in modre, ki se lahko uporabijo za sintezo različnih barv. Terbij je nepogrešljiva sestavina v mnogih visokokakovostnih zelenih fluorescentnih prahovih. Če je rojstvo rdečega fluorescentnega prahu za barvne televizorje spodbudilo povpraševanje po itriju in evropiju, je uporabo in razvoj terbija spodbudil triosni zeleni fluorescentni prah za sijalke. V zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Philips izumil prvo kompaktno varčno fluorescenčno sijalko na svetu in jo hitro promoviral po vsem svetu. Ioni Tb3+ lahko oddajajo zeleno svetlobo z valovno dolžino 545 nm, skoraj vsi zeleni fosforji pa uporabljajo terbij kot aktivator.
Zeleni fosfor za barvne televizorje s katodnimi cevmi (CRT) je vedno temeljil na cinkovem sulfidu, ki je poceni in učinkovit, medtem ko se je terbijev prah vedno uporabljal kot zeleni fosfor za projekcijske barvne televizorje, vključno z Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ in LaOBr ∶ Tb3+. Z razvojem visokoločljivostnih televizorjev z velikim zaslonom (HDTV) se razvijajo tudi visokozmogljivi zeleni fluorescentni praški za CRT. Na primer, v tujini so razvili hibridni zeleni fluorescentni prašek, ki ga sestavljajo Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ in Y2SiO5: Tb3+, ki ima odlično luminiscenčno učinkovitost pri visoki gostoti toka.
Tradicionalni rentgenski fluorescenčni prah je kalcijev volframat. V sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja so bili razviti redkozemeljski fosforji za ojačanje zaslonov, kot so terbijem aktivirani žveplov lantanov oksid, terbijem aktivirani bromov lantanov oksid (za zelene zaslone), terbijem aktivirani žveplov itrijev(III) oksid itd. V primerjavi s kalcijevim volframatom lahko redkozemeljski fluorescenčni prah skrajša čas obsevanja pacientov z rentgenskimi žarki za 80 %, izboljša ločljivost rentgenskih filmov, podaljša življenjsko dobo rentgenskih cevi in zmanjša porabo energije. Terbij se uporablja tudi kot aktivator fluorescentnega prahu za medicinske zaslone za izboljšanje rentgenskih žarkov, kar lahko močno izboljša občutljivost pretvorbe rentgenskih žarkov v optične slike, izboljša jasnost rentgenskih filmov in močno zmanjša odmerek izpostavljenosti rentgenskim žarkom na človeško telo (za več kot 50 %).
Terbij se uporablja tudi kot aktivator v belem LED fosforju, ki ga vzbuja modra svetloba, za novo polprevodniško razsvetljavo. Uporablja se lahko za izdelavo terbijevo-aluminijevih magnetooptičnih kristalnih fosforjev, pri čemer se kot viri vzbujevalne svetlobe uporabljajo modre svetleče diode, ustvarjena fluorescenca pa se zmeša z vzbujevalno svetlobo, da se ustvari čista bela svetloba.
Elektroluminiscenčni materiali iz terbija vključujejo predvsem zeleni fosfor cinkovega sulfida s terbijem kot aktivatorjem. Organski kompleksi terbija lahko pod ultravijoličnim sevanjem oddajajo močno zeleno fluorescenco in se lahko uporabljajo kot tankoplastni elektroluminiscenčni materiali. Čeprav je bil dosežen pomemben napredek pri preučevanju elektroluminiscenčnih tankih filmov elektroluminiscenčnih tankih filmov na osnovi redkozemeljskih organskih kompleksov, še vedno obstaja določena vrzel v praksi, raziskave elektroluminiscenčnih tankih filmov in naprav na osnovi redkozemeljskih organskih kompleksov pa so še vedno v poglobljeni fazi.
Fluorescenčne značilnosti terbija se uporabljajo tudi kot fluorescenčne sonde. Na primer, fluorescenčna sonda ofloksacin terbij (Tb3+) je bila uporabljena za preučevanje interakcije med kompleksom ofloksacin terbij (Tb3+) in DNK (DNA) s fluorescenčnim in absorpcijskim spektrom, kar kaže, da lahko sonda ofloksacin Tb3+ tvori žleb, ki se veže z molekulami DNK, in DNK lahko znatno poveča fluorescenco sistema ofloksacin Tb3+. Na podlagi te spremembe je mogoče določiti DNK.
Za magnetooptične materiale
Materiali s Faradayevim učinkom, znani tudi kot magnetooptični materiali, se pogosto uporabljajo v laserjih in drugih optičnih napravah. Obstajata dve pogosti vrsti magnetooptičnih materialov: magnetooptični kristali in magnetooptično steklo. Med njimi imajo magnetooptični kristali (kot sta itrijev železov granat in terbijev galijev granat) prednosti nastavljive delovne frekvence in visoke toplotne stabilnosti, vendar so dragi in jih je težko izdelati. Poleg tega imajo številni magnetooptični kristali z visokim Faradayevim kotom vrtenja visoko absorpcijo v kratkem valovnem območju, kar omejuje njihovo uporabo. V primerjavi z magnetooptičnimi kristali ima magnetooptično steklo prednost visoke prepustnosti in ga je enostavno izdelati v velike bloke ali vlakna. Trenutno so magnetooptična stekla z visokim Faradayevim učinkom večinoma stekla, dopirana z redkozemeljskimi ioni.
Uporablja se za magnetooptične materiale za shranjevanje
V zadnjih letih se je s hitrim razvojem multimedije in pisarniške avtomatizacije povečalo povpraševanje po novih magnetnih diskih z visoko zmogljivostjo. Za izdelavo visokozmogljivih magnetooptičnih diskov se uporabljajo amorfne folije iz zlitine terbija in prehodne kovine. Med njimi ima tanek film iz zlitine TbFeCo najboljšo zmogljivost. Magnetooptični materiali na osnovi terbija se proizvajajo v velikem obsegu, magnetooptični diski, izdelani iz njih, pa se uporabljajo kot komponente za shranjevanje v računalnikih, pri čemer se njihova zmogljivost shranjevanja poveča za 10–15-krat. Imajo prednosti velike zmogljivosti in hitrega dostopa, pri uporabi za optične diske z visoko gostoto pa jih je mogoče več deset tisočkrat obrisati in premazati. So pomembni materiali v tehnologiji shranjevanja elektronskih informacij. Najpogosteje uporabljen magnetooptični material v vidnem in bližnjem infrardečem pasu je monokristal terbijevega galijevega granata (TGG), ki je najboljši magnetooptični material za izdelavo Faradayevih rotatorjev in izolatorjev.
Za magnetooptično steklo
Faradayevo magnetooptično steklo ima dobro prosojnost in izotropijo v vidnem in infrardečem območju ter lahko tvori različne kompleksne oblike. Iz njega je enostavno izdelovati izdelke velikih dimenzij in ga je mogoče vleči v optična vlakna. Zato ima široke možnosti uporabe v magnetooptičnih napravah, kot so magnetooptični izolatorji, magnetooptični modulatorji in senzorji toka iz optičnih vlaken. Zaradi velikega magnetnega momenta in majhnega absorpcijskega koeficienta v vidnem in infrardečem območju so ioni Tb3+ postali pogosto uporabljeni redkozemeljski ioni v magnetooptičnih steklih.
Terbij disprozij feromagnetostriktivni zlitin
Konec 20. stoletja, s poglabljanjem svetovne znanstvene in tehnološke revolucije, se hitro pojavljajo novi uporabni materiali za redke zemje. Leta 1984 so Univerza v Iowi v Združenih državah Amerike, laboratorij Ames ameriškega ministrstva za energijo in Raziskovalni center za površinsko orožje ameriške mornarice (glavno osebje kasneje ustanovljenega podjetja American Edge Technology Company (ET REMA) je prišlo iz centra) skupaj razvili nov pametni material za redke zemje, in sicer terbij-disprozij-železov velikanski magnetostrikcijski material. Ta novi pametni material ima odlične lastnosti hitre pretvorbe električne energije v mehansko energijo. Podvodni in elektroakustični pretvorniki, izdelani iz tega velikanskega magnetostrikcijskega materiala, so bili uspešno konfigurirani v pomorski opremi, zvočnikih za zaznavanje naftnih vrtin, sistemih za nadzor hrupa in vibracij ter sistemih za raziskovanje oceanov in podzemno komunikacijo. Zato je terbij-disprozij-železov velikanski magnetostrikcijski material takoj, ko se je rodil, pritegnil široko pozornost industrializiranih držav po vsem svetu. Podjetje Edge Technologies v Združenih državah Amerike je leta 1989 začelo proizvajati velikanske magnetostrikcijske materiale iz terbija in disprozija na osnovi železa in jih poimenovalo Terfenol D. Kasneje so velikanske magnetostrikcijske materiale iz terbija in disprozija na osnovi železa razvile tudi Švedska, Japonska, Rusija, Združeno kraljestvo in Avstralija.
Iz zgodovine razvoja tega materiala v Združenih državah Amerike je razvidno, da sta tako izum materiala kot njegova zgodnja monopolna uporaba neposredno povezana z vojaško industrijo (kot je mornarica). Čeprav kitajski vojaški in obrambni oddelki postopoma krepijo svoje razumevanje tega materiala, pa bodo po znatnem povečanju celovite nacionalne moči Kitajske zahteve po uresničevanju vojaške konkurenčne strategije v 21. stoletju in izboljšanju ravni opreme zagotovo zelo nujne. Zato bo široka uporaba terbijevega disprozija in železa kot velikanskih magnetostriktivnih materialov s strani vojaških in obrambnih oddelkov zgodovinska nujnost.
Skratka, terbij zaradi številnih odličnih lastnosti postane nepogrešljiv član mnogih funkcionalnih materialov in ima na nekaterih področjih uporabe nenadomestljivo mesto. Vendar pa zaradi visoke cene terbija ljudje preučujejo, kako se izogniti uporabi terbija in jo čim bolj zmanjšati, da bi zmanjšali proizvodne stroške. Na primer, pri magnetooptičnih materialih iz redkih zemelj bi morali čim bolj uporabljati tudi poceni disprozij železov kobalt ali gadolinij terbij kobalt. Poskusite zmanjšati vsebnost terbija v zelenem fluorescentnem prahu, ki ga je treba uporabiti. Cena je postala pomemben dejavnik, ki omejuje široko uporabo terbija. Vendar pa mnogi funkcionalni materiali ne morejo brez njega, zato se moramo držati načela "uporabe dobrega jekla na rezilu" in poskušati čim bolj zmanjšati uporabo terbija.
Čas objave: 05. julij 2023