Тербийпринадлежи към категорията на тежкитередкоземни елементи, с ниско съдържание в земната кора - само 1,1 ppm. Тербиевият оксид представлява по-малко от 0,01% от общото количество редкоземни елементи. Дори в тежката редкоземна руда с високо съдържание на итриеви йони и най-високо съдържание на тербий, съдържанието на тербий представлява само 1,1-1,2% от общото количество редкоземни елементи, което показва, че той принадлежи към „благородната“ категория редкоземни елементи. В продължение на повече от 100 години от откриването на тербия през 1843 г., неговият недостиг и стойност са възпрепятствали практическото му приложение за дълго време. Едва през последните 30 години тербият показа своя уникален талант.
Откриване на историята
Шведският химик Карл Густаф Мосандер открива тербия през 1843 г. Той открива неговите примеси вИтриев(III) оксидиY2O3Итрият е кръстен на село Итербю в Швеция. Преди появата на йонообменната технология, тербият не е бил изолиран в чиста форма.
Мосант първо разделил итриевия(III) оксид на три части, всички кръстени на руди: итриев(III) оксид,Ербиев(III) оксиди тербиев оксид. Тербиевият оксид първоначално е бил съставен от розова част, поради елемента, известен сега като ербий. „Ербиевият(III) оксид“ (включително това, което сега наричаме тербий) първоначално е бил по същество безцветната част в разтвора. Неразтворимият оксид на този елемент се счита за кафяв.
По-късните работници едва ли можели да наблюдават мъничкия безцветен „ербиев(III) оксид“, но разтворимата розова част не можела да бъде игнорирана. Дебатите за съществуването на ербий(III) оксид са възниквали многократно. В хаоса първоначалното наименование е било обърнато и размяната на имената е била блокирана, така че розовата част в крайна сметка е била спомената като разтвор, съдържащ ербий (в разтвора тя е била розова). Сега се смята, че работниците, които използват натриев бисулфат или калиев сулфат, приемат...Цериев(IV) оксидот итриев(III) оксид и неволно превръщат тербия в утайка, съдържаща церий. Само около 1% от оригиналния итриев(III) оксид, сега известен като „тербий“, е достатъчен, за да придаде жълтеникав цвят на итриевия(III) оксид. Следователно, тербият е вторичен компонент, който първоначално го е съдържал, и се контролира от непосредствените си съседи, гадолиний и диспрозий.
Впоследствие, когато други редкоземни елементи са били отделяни от тази смес, независимо от съотношението на оксида, името тербий се е запазвало, докато накрая кафявият оксид на тербия е бил получен в чиста форма. Изследователите през 19-ти век не са използвали ултравиолетова флуоресцентна технология, за да наблюдават ярко жълти или зелени нодули (III), което е улеснило разпознаването на тербия в твърди смеси или разтвори.
Електронна конфигурация
Електронна конфигурация:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Електронната конфигурация на тербия е [Xe] 6s24f9. Обикновено само три електрона могат да бъдат отстранени, преди ядреният заряд да стане твърде голям, за да бъде допълнително йонизиран, но в случая на тербий, полузапълненият тербий позволява четвъртият електрон да бъде допълнително йонизиран в присъствието на много силни окислители, като например флуорен газ.
Тербият е сребристобял рядкоземен метал с пластичност, жилавост и мекота, който може да се реже с нож. Точка на топене 1360 ℃, точка на кипене 3123 ℃, плътност 8229 4 kg/m3. В сравнение с ранните лантаниди, той е относително стабилен във въздуха. Като девети елемент от лантанидите, тербият е метал със силно електричество. Реагира с вода, за да образува водород.
В природата тербият никога не е бил откриван като свободен елемент, като малко количество от него се среща във фосфоцериевия ториев пясък и гадолинита. Тербият съществува едновременно с други редкоземни елементи в монацитния пясък, като съдържанието му обикновено е 0,03%. Други източници са ксенотим и черни редкоземни руди, като и двата са смеси от оксиди и съдържат до 1% тербий.
Приложение
Приложението на тербий обхваща най-вече високотехнологични области, които са технологично интензивни и наукоемки авангардни проекти, както и проекти със значителни икономически ползи и атрактивни перспективи за развитие.
Основните области на приложение включват:
(1) Използва се под формата на смесени редкоземни елементи. Например, използва се като редкоземен сложен тор и фуражна добавка за селското стопанство.
(2) Активатор за зелен прах в три основни флуоресцентни праха. Съвременните оптоелектронни материали изискват използването на три основни цвята фосфор, а именно червен, зелен и син, които могат да се използват за синтезиране на различни цветове. А тербият е незаменим компонент в много висококачествени зелени флуоресцентни прахове.
(3) Използва се като магнитооптичен материал за съхранение. Тънки филми от аморфни метални сплави на тербий и преходни метали са използвани за производството на високоефективни магнитооптични дискове.
(4) Производство на магнитооптично стъкло. Фарадеевото ротационно стъкло, съдържащо тербий, е ключов материал за производството на ротатори, изолатори и циркулатори в лазерните технологии.
(5) Разработването и усъвършенстването на феромагнетостриктивна сплав от тербий и диспрозий (TerFenol) откри нови приложения за тербия.
За земеделие и животновъдство
Редкоземният тербий може да подобри качеството на културите и да увеличи скоростта на фотосинтеза в определен концентрационен диапазон. Тербиевите комплекси имат висока биологична активност. Тройните комплекси на тербий, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, имат добри антибактериални и бактерицидни ефекти върху Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli. Те имат широк антибактериален спектър. Изследването на такива комплекси осигурява нова насока за изследване на съвременните бактерицидни лекарства.
Използва се в областта на луминесценцията
Съвременните оптоелектронни материали изискват използването на три основни цвята фосфор, а именно червен, зелен и син, които могат да се използват за синтезиране на различни цветове. А тербият е незаменим компонент в много висококачествени зелени флуоресцентни прахове. Ако появата на червения флуоресцентен прах за цветни телевизори от редкоземни елементи стимулира търсенето на итрий и европий, то приложението и развитието на тербия са насърчени от трите основни цвята зелен флуоресцентен прах за лампи от редкоземни елементи. В началото на 80-те години на миналия век Philips изобретява първата в света компактна енергоспестяваща флуоресцентна лампа и бързо я популяризира в световен мащаб. Tb3+ йоните могат да излъчват зелена светлина с дължина на вълната 545 nm и почти всички зелени фосфори от редкоземни елементи използват тербий като активатор.
Зеленият фосфор за цветни телевизори с електроннолъчева тръба (CRT) винаги е бил базиран на цинков сулфид, който е евтин и ефикасен, но тербиевият прах винаги е бил използван като зелен фосфор за проекционни цветни телевизори, включително Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ и LaOBr ∶ Tb3+. С развитието на широкоекранните телевизори с висока разделителна способност (HDTV) се разработват и високоефективни зелени флуоресцентни прахове за CRT. Например, в чужбина е разработен хибриден зелен флуоресцентен прах, състоящ се от Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ и Y2SiO5: Tb3+, които имат отлична луминесцентна ефективност при висока плътност на тока.
Традиционният рентгенофлуоресцентен прах е калциев волфрамат. През 70-те и 80-те години на миналия век са разработени редкоземни фосфори за усилващи екрани, като например тербий-активиран серен лантанов оксид, тербий-активиран бром лантанов оксид (за зелени екрани), тербий-активиран серен итриев(III) оксид и др. В сравнение с калциевия волфрамат, редкоземният флуоресцентен прах може да намали времето за рентгеново облъчване на пациентите с 80%, да подобри разделителната способност на рентгеновите филми, да удължи живота на рентгеновите тръби и да намали консумацията на енергия. Тербият се използва и като флуоресцентен прахов активатор за медицински рентгенови екрани, което може значително да подобри чувствителността на рентгеновото преобразуване в оптични изображения, да подобри яснотата на рентгеновите филми и значително да намали дозата на рентгеново облъчване на човешкото тяло (с повече от 50%).
Тербият се използва и като активатор в белия светодиоден фосфор, възбуждан от синя светлина за ново полупроводниково осветление. Може да се използва за производството на тербиево-алуминиеви магнитооптични кристалофосфори, като се използват сини светодиоди като източници на възбуждаща светлина, а генерираната флуоресценция се смесва с възбуждащата светлина, за да се получи чиста бяла светлина.
Електролуминесцентните материали, изработени от тербий, включват главно зелен фосфор от цинков сулфид с тербий като активатор. Под въздействието на ултравиолетово облъчване, органичните комплекси на тербия могат да излъчват силна зелена флуоресценция и могат да се използват като тънкослойни електролуминесцентни материали. Въпреки значителния напредък в изследването на електролуминесцентните тънки слоеве от редкоземни органични комплекси, все още има известно различие от практичността и изследванията върху електролуминесцентните тънки слоеве и устройства от редкоземни органични комплекси все още са задълбочени.
Флуоресцентните характеристики на тербия се използват и като флуоресцентни сонди. Например, флуоресцентната сонда на офлоксацин тербий (Tb3+) беше използвана за изследване на взаимодействието между комплекса офлоксацин тербий (Tb3+) и ДНК (ДНК) чрез флуоресцентен спектър и абсорбционен спектър, което показва, че сондата на офлоксацин Tb3+ може да образува жлеб, свързващ се с ДНК молекулите, и ДНК може значително да усили флуоресценцията на системата офлоксацин Tb3+. Въз основа на тази промяна може да се определи ДНК.
За магнитооптични материали
Материалите с ефект на Фарадей, известни още като магнитооптични материали, се използват широко в лазери и други оптични устройства. Съществуват два често срещани вида магнитооптични материали: магнитооптични кристали и магнитооптично стъкло. Сред тях магнитооптичните кристали (като итриев железен гранат и тербиево-галиев гранат) имат предимствата на регулируема работна честота и висока термична стабилност, но са скъпи и трудни за производство. Освен това, много магнитооптични кристали с висок ъгъл на Фарадейово въртене имат високо поглъщане в късовълновия диапазон, което ограничава тяхното приложение. В сравнение с магнитооптичните кристали, магнитооптичното стъкло има предимството на висока пропускливост и е лесно за изработка на големи блокове или влакна. В момента магнитооптичните стъкла с висок ефект на Фарадей са главно стъкла, легирани с редкоземни йони.
Използва се за магнитооптични материали за съхранение
През последните години, с бързото развитие на мултимедията и офис автоматизацията, търсенето на нови магнитни дискове с висок капацитет се увеличава. Аморфни метални тербиеви сплави с преходен метал се използват за производството на високопроизводителни магнитооптични дискове. Сред тях тънкият филм от сплав TbFeCo има най-добри характеристики. Магнитооптичните материали на базата на тербий се произвеждат в голям мащаб, а магнитооптичните дискове, изработени от тях, се използват като компоненти за компютърно съхранение, като капацитетът им се увеличава 10-15 пъти. Те имат предимствата на голям капацитет и бърза скорост на достъп и могат да бъдат почиствани и покривани десетки хиляди пъти, когато се използват за оптични дискове с висока плътност. Те са важни материали в технологиите за електронно съхранение на информация. Най-често използваният магнитооптичен материал във видимия и близкия инфрачервен диапазон е монокристалът тербиев галиев гранат (TGG), който е най-добрият магнитооптичен материал за изработка на Фарадееви ротатори и изолатори.
За магнитооптично стъкло
Магнитооптичното стъкло Фарадей има добра прозрачност и изотропия във видимия и инфрачервения диапазон и може да формира различни сложни форми. Лесно е да се произвеждат продукти с големи размери и може да се изтегля в оптични влакна. Следователно, то има широки перспективи за приложение в магнитооптични устройства, като магнитооптични изолатори, магнитооптични модулатори и оптични сензори за ток. Поради големия си магнитен момент и малкия коефициент на поглъщане във видимия и инфрачервения диапазон, Tb3+ йоните са се превърнали в често използвани редкоземни йони в магнитооптичните стъкла.
Тербиево-диспрозиева феромагнетострикционна сплав
В края на 20-ти век, със задълбочаването на световната научно-технологична революция, бързо се появяват нови приложни материали за редкоземни елементи. През 1984 г. Университетът на щата Айова в САЩ, Лабораторията „Еймс“ към Министерството на енергетиката на САЩ и Изследователският център за повърхностни оръжия на ВМС на САЩ (основният персонал на по-късно създадената American Edge Technology Company (ET REMA) произлиза от центъра) съвместно разработват нов интелигентен материал за редкоземни елементи, а именно гигантски магнитостриктивен материал от тербиев диспрозий и желязо. Този нов интелигентен материал притежава отличните характеристики за бързо преобразуване на електрическата енергия в механична. Подводните и електроакустични преобразуватели, изработени от този гигантски магнитостриктивен материал, са успешно конфигурирани във военноморско оборудване, високоговорители за откриване на нефтени кладенци, системи за контрол на шума и вибрациите, както и в системи за изследване на океана и подземна комуникация. Следователно, веднага щом се появи гигантският магнитостриктивен материал от тербиев диспрозий и желязо, той получи широко внимание от индустриализираните страни по света. През 1989 г. компанията Edge Technologies в Съединените щати започва производството на гигантски магнитострикционни материали на базата на тербиев диспрозий и желязо и ги нарича Terfenol D. Впоследствие Швеция, Япония, Русия, Обединеното кралство и Австралия също разработват гигантски магнитострикционни материали на базата на тербиев диспрозий и желязо.
От историята на развитието на този материал в Съединените щати, както изобретяването на материала, така и ранните му монополни приложения са пряко свързани с военната индустрия (като например флота). Въпреки че военните и отбранителните ведомства на Китай постепенно засилват познанията си за този материал. След значителното увеличение на всеобхватната национална мощ на Китай обаче, изискванията за реализиране на военната конкурентна стратегия през 21-ви век и подобряване на нивото на оборудване със сигурност ще бъдат много спешни. Следователно, широкото използване на гигантски магнитостриктивни материали на базата на тербий-диспрозиевото желязо от военните и националните отбранителни ведомства ще бъде историческа необходимост.
Накратко, многобройните отлични свойства на тербия го правят незаменим член на много функционални материали и незаменима позиция в някои области на приложение. Въпреки това, поради високата цена на тербия, хората са изучавали как да избегнат и сведат до минимум употребата му, за да намалят производствените разходи. Например, за редкоземните магнитооптични материали също трябва да се използва евтин диспрозий-железен кобалт или гадолиний-тербий-кобалт, доколкото е възможно; Опитайте се да намалите съдържанието на тербий в зеления флуоресцентен прах, който трябва да се използва. Цената се е превърнала във важен фактор, ограничаващ широкото използване на тербий. Но много функционални материали не могат без него, така че трябва да се придържаме към принципа „използване на добра стомана за острието“ и да се опитаме да спестим максимално употребата на тербий.
Време на публикуване: 05 юли 2023 г.