Магически рядкоземен елемент: Тербий

Тербийпринадлежи към категорията на тежките редкоземни елементи, с ниско разпространение в земната кора, само 1,1 ppm.Тербиев оксидпредставлява по-малко от 0,01% от общото количество редкоземни елементи. Дори в тежките редкоземни руди с високо съдържание на итриеви йони и най-високо съдържание на тербий, съдържанието на тербий представлява само 1,1-1,2% от общото количество.рядкоземни, което показва, че принадлежи към „благородната“ категория нарядкоземниелементи. В продължение на повече от 100 години след откриването на тербия през 1843 г., неговата недостиг и стойност са възпрепятствали практическото му приложение за дълго време. Едва през последните 30 години...тербийе показал своя уникален талант.

Откриване на историята

Шведският химик Карл Густаф Мосандер открива тербия през 1843 г. Той открива неговите примеси витриев оксидиY2O3. Итрийе кръстен на село Итби в Швеция. Преди появата на йонообменната технология, тербият не е бил изолиран в чиста форма.

Мосандър първо се разделиитриев оксидна три части, всички кръстени на руди:итриев оксид, ербий оксидитербиев оксид. Тербиев оксидпървоначално е бил съставен от розова част, поради елемента, известен сега катоербий. Ербиев оксид(включително това, което сега наричаме тербий) първоначално е бил безцветна част в разтвор. Неразтворимият оксид на този елемент се счита за кафяв.

По-късно работниците открили, че е трудно да наблюдават малки безцветни „ербий оксид„но разтворимата розова част не може да бъде игнорирана. Дебатът за съществуването наербий оксидсе е появявало многократно. В хаоса оригиналното име е било обърнато и размяната на имена е била заседнала, 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 дисулфид или калиев сулфат за отстраняване на цериев диоксид отитриев оксидневолно завъртанетербийв утайки, съдържащи церий. Понастоящем известен като „тербий„, само около 1% от оригиналаитриев оксидприсъства, но това е достатъчно, за да предаде светложълт цвят наитриев оксидСледователно,тербийе вторичен компонент, който първоначално го е съдържал и се контролира от непосредствените си съседи,гадолинийидиспрозиум.

След това, когато и да е другорядкоземниелементите са били отделени от тази смес, независимо от съотношението на оксида, името тербий е било запазено, докато накрая не се е получил кафявият оксид натербийе 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 тербий в твърди смеси или разтвори.

Електронна конфигурация

Електронно оформление:

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

Електронното подреждане натербийе [Xe] 6s24f9. Обикновено само три електрона могат да бъдат отстранени, преди ядреният заряд да стане твърде голям, за да бъде допълнително йонизиран. В случай на обачетербий, полунапълненияттербийпозволява по-нататъшна йонизация на четвъртия електрон в присъствието на много силен окислител, като например флуорен газ.

Метал

Тербийе 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 лантанидни елементи, той е относително стабилен във въздуха. Деветият елемент от лантанидите, тербий, е силно зареден метал, който реагира с вода, за да образува водороден газ.

В природата,тербийникога не е установено, че е свободен елемент, присъстващ в малки количества във фосфорно-цериев ториев пясък и силициево-берилиево-итриева руда.ТербийСъществува едновременно с други редкоземни елементи в монацитния пясък, като съдържанието на тербий е обикновено 0,03%. Други източници включват итриев фосфат и редкоземно злато, като и двата са смеси от оксиди, съдържащи до 1% тербий.

Приложение

Прилагането натербийвключва предимно високотехнологични области, които са технологично интензивни и знания-интензивни авангардни проекти, както и проекти със значителни икономически ползи, с 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. Итербийе незаменим компонент в много висококачествени зелени флуоресцентни прахове.

(3) Използва се като магнитооптичен материал за съхранение. Тънки филми от аморфна метално-тербиева сплав са използвани за производството на високопроизводителни 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

Рядкоземнитербийможе да подобри качеството на културите и да увеличи скоростта на фотосинтеза в определен концентрационен диапазон. Комплексите на тербия имат висока биологична активност, а тройните комплекси натербий, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, имат добри антибактериални и бактерицидни ефекти върху Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli, с широкоспектърни антибактериални свойства. Изследването на тези 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 раждането на редкоземните цветни телевизори с червен флуоресцентен прах е стимулирало търсенето на...итрийиевропий, след което приложението и развитието на тербий бяха насърчени от три основни цвята зелен флуоресцентен прах от редкоземни елементи за лампи. В началото на 80-те години на миналия век Philips изобрети 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 редкоземни зелени флуоресцентни прахове използваттербий, като активатор.

Зеленият флуоресцентен прах, използван за цветни телевизионни катодно-лъчеви тръби (CRT), винаги е бил базиран главно на евтин и ефикасен цинков сулфид, но тербиевият прах винаги е бил използван като зелен прах за проекционни цветни телевизори, като например 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 флуоресцентни прахове от редкоземни елементи за сенсибилизиращи екрани, като напримертербий,активиран лантанов сулфид оксид, тербиев активиран лантанов бромид оксид (за зелени екрани) и тербиев активиран итриев сулфид оксид. В сравнение с калциевия волфрамат, флуоресцентният прах от редкоземни елементи 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 екрани за усилване на рентгеновите лъчи, което може значително да подобри чувствителността на преобразуването на рентгеновите лъчи в оптични изображения, да подобри яснотата на рентгеновите филми и значително да намали дозата на рентгеново облъчване на човешкото тяло (с повече от 50%).

ТербийИзползва се и като активатор в белия LED фосфор, възбуждан от синя светлина за ново полупроводниково осветление. Може да се използва за производство 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 цинков сулфид, зелен флуоресцентен прах с...тербийкато 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 че е постигнат значителен напредък в изучаването нарядкоземниТънките органични сложни електролуминесцентни филми все още не са напълно практични, а изследванията върху тънките органични сложни електролуминесцентни филми и устройства са все още задълбочени.

Флуоресцентните характеристики на тербия се използват и като флуоресцентни сонди. Взаимодействието между офлоксацин тербиевия (Tb3+) комплекс и дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е изследвано с помощта на флуоресцентни и абсорбционни спектри, като например флуоресцентната сонда на офлоксацин тербий (Tb3+). Резултатите показват, че офлоксацин Tb3+ сондата може да образува жлеб, свързващ се с ДНК молекулите, и дезоксирибонуклеиновата киселина може значително да усили флуоресценцията на офлоксацин Tb3+ системата. Въз основа на тази промяна може да се определи дезоксирибонуклеиновата киселина.

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 итриево-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 високи ъгли 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. Тънки слоеве от аморфни метални тербиеви сплави с преходни метали се използват за производството на високопроизводителни магнитооптични дискове. Сред тях тънкият слой 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, с непрекъснатото задълбочаване на световната технологична революция, бързо се появяват нови материали за приложение на редкоземни елементи. През 1984 г. Университетът на щата Айова, Лабораторията „Еймс“ към Министерството на енергетиката на САЩ и Изследователският център за надводни оръжия на ВМС на САЩ (от който произлиза основният персонал на по-късно създадената Edge Technology Corporation (ET REMA)) си сътрудничат за разработването на нов интелигентен материал за редкоземни елементи, а именно феромагнитен магнитостриктивен материал от тербиев диспрозий. Този нов интелигентен материал има отлични 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, със значителното укрепване на цялостната национална мощ на Китай, търсенето на конкурентна военна стратегия за 21-ви век и подобряване на нивата на оборудване определено ще бъде много спешно. Следователно, широкото използване на гигантски магнитостриктивни материали на основата на тербий-диспрозиевото желязо от военните и националните отбранителни ведомства ще бъде историческа необходимост.

Накратко, многото отлични свойства натербийго правят незаменим член на много функционални материали и незаменима позиция в някои области на приложение. Въпреки това, поради високата цена на тербия, хората изучават как да избегнат и сведат до минимум употребата му, за да намалят производствените разходи. Например, редкоземните магнитооптични материали също трябва да използват нискобюджетни...диспрозиево желязокобалт или гадолиний тербиев 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 му използване.тербийНо 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 употребата на...тербийколкото е възможно повече.