Terbijumspada u kategoriju teškihrijetke zemlje, s niskom količinom u Zemljinoj kori od samo 1,1 ppm. Terbijum oksid čini manje od 0,01% ukupnih rijetkih zemalja. Čak i u rudi teških rijetkih zemalja s visokim sadržajem itrijuma i 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 u posljednjih 30 godina terbijum je pokazao svoj jedinstveni talenat.
Otkrivanje historije
Švedski hemičar Carl Gustaf Mosander otkrio je terbij 1843. godine. Pronašao je njegove nečistoće uItrijum(III) oksidiY2O3Itrijum je dobio ime po selu Ytterby u Švedskoj. Prije pojave tehnologije jonske izmjene, terbijum nije bio izolovan u svom čistom obliku.
Mosant je prvi podijelio itrijum(III) oksid na tri dijela, a svi su nazvani po rudama: itrijum(III) oksid,Erbijum(III) oksid, i terbijum oksid. Terbijum oksid se prvobitno sastojao od ružičastog dijela, zbog elementa koji je danas poznat kao erbijum. "Erbijum(III) oksid" (uključujući i ono što danas nazivamo terbijum) prvobitno je bio u suštini bezbojni dio u rastvoru. Nerastvorljivi oksid ovog elementa se smatra smeđim.
Kasniji radnici su jedva mogli uočiti sitni bezbojni "erbijum(III) oksid", ali rastvorljivi ružičasti dio nije se mogao ignorisati. Debate o postojanju erbijum(III) oksida su se više puta javljale. U haosu, prvobitni naziv je obrnut i zamjena naziva je ostala zaglavljena, tako da je ružičasti dio na kraju spomenut kao rastvor koji sadrži erbijum (u rastvoru je bio ružičast). Sada se vjeruje da radnici koji koriste natrijum bisulfat ili kalijum sulfat uzimaju...Cerijum(IV) oksidiz itrijum(III) oksida i nenamjerno pretvoriti terbijum u sediment koji sadrži cerijum. Samo oko 1% originalnog itrijum(III) oksida, sada poznatog kao "terbijum", dovoljno je da itrijum(III) oksidu da žućkastu boju. Stoga je terbijum sekundarna komponenta koja ga je prvobitno sadržavala, a kontrolišu ga njegovi neposredni susjedi, gadolinijum i disprozij.
Nakon toga, kad god bi se drugi rijetkozemni elementi odvajali iz ove smjese, bez obzira na udio oksida, naziv terbij je zadržan sve dok konačno nije dobiven smeđi oksid terbija u čistom obliku. Istraživači u 19. stoljeću nisu koristili tehnologiju ultraljubičaste fluorescencije za promatranje jarko žutih ili zelenih nodula (III), što je olakšavalo prepoznavanje terbija u čvrstim 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 biti uklonjena prije nego što nuklearni naboj postane prevelik za daljnju ionizaciju, ali u slučaju terbija, polupopunjeni terbij omogućava da se četvrti elektron dalje ionizira u prisustvu vrlo jakih oksidansa kao što je plin fluor.
Terbij je srebrno-bijeli rijedak zemni metal sa duktilnošću, žilavošću i mekoćom koji se može rezati nožem. Tačka topljenja 1360 ℃, tačka ključanja 3123 ℃, gustina 82294 kg/m3. U poređenju sa ranim lantanidom, relativno je stabilan na zraku. Kao deveti element lantanida, terbij je metal sa jakim elektricitetom. Reaguje s vodom i formira vodonik.
U prirodi, terbij nikada nije pronađen kao slobodan element, čija mala količina postoji u fosfocerijum-torijumskom pijesku i gadolinitu. Terbij koegzistira s drugim rijetkim zemnim elementima u monazitnom pijesku, s općenito 0,03% sadržaja terbija. Drugi izvori su ksenotim i crne rude rijetkog zlata, koje su obje smjese oksida i sadrže do 1% terbija.
Primjena
Primjena terbija uglavnom uključuje visokotehnološka područja, koja predstavljaju tehnološki intenzivne i znanstveno intenzivne vrhunske projekte, kao i projekte sa značajnim ekonomskim koristima i 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 optoelektronski 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 magneto-optički materijal za pohranu podataka. Tanki filmovi legure amorfnog metala terbija i prelaznog metala korišteni su za proizvodnju visokoperformansnih magneto-optičkih diskova.
(4) Proizvodnja magnetooptičkog stakla. Faradejevo rotaciono staklo koje sadrži terbij ključni je materijal za proizvodnju rotatora, izolatora i cirkulatora u laserskoj tehnologiji.
(5) Razvoj i uvođenje terbij-disprozij-feromagnetostriktivne legure (TerFenol) otvorio je nove primjene za terbij.
Za poljoprivredu i stočarstvo
Rijetki zemni terbijum može poboljšati kvalitet usjeva i povećati brzinu fotosinteze unutar određenog raspona koncentracija. Terbijum kompleksi imaju visoku biološku aktivnost. Ternarni kompleksi terbija, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, imaju dobra antibakterijska i baktericidna djelovanja 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 oblasti luminiscencije
Moderni optoelektronski materijali zahtijevaju upotrebu tri osnovne boje fosfora, i to crvene, zelene i plave, koje se mogu koristiti za sintezu različitih boja. Terbij je nezamjenjiva komponenta u mnogim visokokvalitetnim zelenim fluorescentnim prahovima. Ako je pojava crvenog fluorescentnog praha za televizore u boji podstakla potražnju za itrijumom i evropijumom, onda je primjena i razvoj terbija promovisan korištenjem tri osnovne zelene fluorescentne prahove za lampe. Početkom 1980-ih, Philips je izumio prvu kompaktnu fluorescentnu lampu koja štedi energiju na svijetu i brzo je promovisao širom svijeta. Tb3+ ioni mogu emitovati zelenu svjetlost talasne dužine od 545 nm, a gotovo svi zeleni fosfori od rijetkih zemalja koriste terbij kao aktivator.
Zeleni fosfor za katodne cijevi (CRT) televizora u boji oduvijek se zasnivao na cink sulfidu, koji je jeftin i efikasan, ali terbijum prah se oduvijek koristio kao zeleni fosfor za projekcijske televizore u boji, uključujući Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ i LaOBr ∶ Tb3+. Razvojem televizora visoke definicije (HDTV) sa velikim ekranom, razvijaju se i visokoperformansni zeleni fluorescentni prahovi za CRT. Na primjer, u inostranstvu je razvijen hibridni zeleni fluorescentni prah koji se sastoji od Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, koji imaju odličnu efikasnost luminescencije pri visokoj gustini struje.
Tradicionalni fluorescentni prah za rendgensko zračenje je kalcijum volframat. Tokom 1970-ih i 1980-ih razvijeni su rijetkozemni fosfori za pojačavajuće ekrane, kao što su terbijum aktivirani sumpor lantan oksid, terbijum aktivirani brom lantan oksid (za zelene ekrane), terbijum aktivirani sumpor itrijum(III) oksid itd. U poređenju sa kalcijum volframatom, rijetkozemni fluorescentni prah može smanjiti vrijeme zračenja rendgenskim zrakama za pacijente za 80%, poboljšati rezoluciju rendgenskih filmova, produžiti vijek trajanja rendgenskih cijevi i smanjiti potrošnju energije. Terbijum se također koristi kao aktivator fluorescentnog praha za medicinske ekrane za pojačavanje rendgenskog zračenja, što može značajno poboljšati osjetljivost konverzije rendgenskih zraka u optičke slike, poboljšati jasnoću rendgenskih filmova i značajno smanjiti dozu izloženosti rendgenskim zrakama na ljudsko tijelo (za više od 50%).
Terbij se također koristi kao aktivator u bijelom LED fosforu koji se pobuđuje plavom svjetlošću za novu poluprovodničku rasvjetu. Može se koristiti za proizvodnju terbij aluminij magneto-optičkih kristalnih fosfora, koristeći plave svjetleće diode kao izvore pobudne svjetlosti, a generirana fluorescencija se miješa sa pobudnom svjetlošću kako bi se dobila čista bijela svjetlost.
Elektroluminiscentni materijali napravljeni od terbija uglavnom uključuju zeleni fosfor cink 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 su još uvijek u punoj mjeri.
Fluorescentne karakteristike terbija se također koriste kao fluorescentne sonde. Na primjer, fluorescentna sonda ofloksacin terbij (Tb3+) korištena je za proučavanje interakcije između kompleksa ofloksacin terbij (Tb3+) i DNK (DNK) pomoću fluorescentnog spektra i apsorpcijskog spektra, što ukazuje na to da sonda ofloksacin Tb3+ može formirati žlijeb vezivanja s molekulama DNK, a DNK može značajno pojačati fluorescenciju sistema ofloksacin Tb3+. Na osnovu ove promjene, može se odrediti DNK.
Za magnetooptičke materijale
Materijali s Faradejevim 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 (kao što su itrijum-željezni granat i terbijum-galijum granat) imaju prednosti podesive radne frekvencije i visoke termičke stabilnosti, ali su skupi i teški za proizvodnju. Osim toga, mnogi magnetooptički kristali s visokim uglom Faradejeve rotacije imaju visoku apsorpciju u kratkotalasnom opsegu, što ograničava njihovu upotrebu. U poređenju s magnetooptičkim kristalima, magnetooptičko staklo ima prednost visoke propusnosti i lako se prerađuje u velike blokove ili vlakna. Trenutno su magnetooptička stakla s visokim Faradejevim efektom uglavnom stakla dopirana rijetkim zemnim ionima.
Koristi se za magneto-optičke materijale za pohranu
Posljednjih godina, s brzim razvojem multimedije i automatizacije ureda, potražnja za novim magnetskim diskovima velikog kapaciteta je u porastu. Filmovi amorfnih legura terbija i prijelaznih metala korišteni su za proizvodnju visokoperformansnih magnetooptičkih diskova. Među njima, tanki film legure TbFeCo ima najbolje performanse. Magnetooptički materijali na bazi terbija proizvode se u velikim razmjerima, a magnetooptički diskovi napravljeni od njih koriste se kao komponente za pohranu podataka u računarima, s kapacitetom pohrane povećanim 10-15 puta. Imaju prednosti velikog kapaciteta i velike brzine pristupa, a mogu se brisati i premazivati desetine hiljada puta kada se koriste za optičke diskove visoke gustoće. Oni su važni materijali u tehnologiji elektroničkog pohranjivanja informacija. Najčešće korišteni magnetooptički materijal u vidljivom i bliskom infracrvenom pojasu je monokristal terbijum-galijum-garnata (TGG), koji je najbolji magnetooptički materijal za izradu Faradejevih rotatora i izolatora.
Za magneto-optičko staklo
Faradejevo magnetooptičko staklo ima dobru prozirnost i izotropiju u vidljivom i infracrvenom području, te može formirati različite složene oblike. Lako se proizvode proizvodi velikih dimenzija 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 su postali često korišteni rijetkozemni ioni u magnetooptičkim staklima.
Terbij-disprozij feromagnetostriktivni legura
Krajem 20. vijeka, s produbljivanjem svjetske naučne i tehnološke revolucije, brzo se pojavljuju novi primijenjeni materijali od rijetkih zemalja. Godine 1984., Državni univerzitet Iowa u Sjedinjenim Američkim Državama, Ames laboratorija Ministarstva energetike Sjedinjenih Američkih Država i Istraživački centar za površinsko oružje američke mornarice (glavno osoblje kasnije osnovane kompanije American Edge Technology Company (ET REMA) došlo je iz ovog centra) zajednički su razvili novi pametni materijal od rijetkih zemalja, naime terbij disprozij željezni gigantski magnetostriktivni materijal. Ovaj novi pametni materijal ima odlične karakteristike brzog pretvaranja električne energije u mehaničku energiju. Podvodni i elektroakustični pretvarači napravljeni od ovog gigantskog magnetostriktivnog materijala uspješno su konfigurisani u pomorskoj opremi, zvučnicima za detekciju naftnih bušotina, sistemima za kontrolu buke i vibracija, te sistemima za istraživanje okeana i podzemnu komunikaciju. Stoga je, čim se rodio terbij disprozij željezni gigantski magnetostriktivni materijal, privukao široku pažnju industrijaliziranih zemalja širom svijeta. Kompanija Edge Technologies u Sjedinjenim Američkim Državama počela je proizvoditi gigantske magnetostriktivne materijale na bazi terbij-disprozij-željeza 1989. godine i nazvala ih Terfenol D. Nakon toga, Švedska, Japan, Rusija, Ujedinjeno Kraljevstvo i Australija također su razvile gigantske magnetostriktivne materijale na bazi terbij-disprozij-željeza.
Iz historije razvoja ovog materijala u Sjedinjenim Američkim Državama, i izum materijala i njegove rane monopolističke primjene direktno su povezane s vojnom industrijom (kao što je mornarica). Iako kineski vojni i odbrambeni resori postepeno jačaju svoje razumijevanje ovog materijala. Međutim, nakon što se sveobuhvatna nacionalna moć Kine značajno poveća, zahtjevi za realizaciju vojne konkurentske strategije u 21. vijeku i poboljšanje nivoa opreme sigurno će biti vrlo hitni. Stoga će široko rasprostranjena upotreba terbijum disprozij željeznih gigantskih magnetostriktivnih materijala od strane vojnih i nacionalnih odbrambenih resora biti historijska 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 minimizirati upotrebu terbija kako bi smanjili troškove proizvodnje. Na primjer, za magneto-optičke materijale rijetkih zemalja također bi trebalo što više koristiti jeftin disprozijum 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 principa "korištenja dobrog čelika na oštrici" i pokušati što više uštedjeti upotrebu terbija.
Vrijeme objave: 05.07.2023.