Магически редкоземен елемент: тербий

Тербийпринадлежи към категорията на тежките редкоземни елементи, с ниско съдържание в земната кора от само 1,1 ppm.Тербиев оксидсъставлява по-малко от 0,01% от общите редкоземни елементи. Дори в тежката редкоземна руда с високо съдържание на итриев йон с най-високо съдържание на тербий, съдържанието на тербий представлява само 1,1-1,2% от общоторедкоземни, което показва, че принадлежи към категорията „благородни“.редкоземниелементи. За 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 годинитербийпоказа своя уникален талант.

Откриване на история

Шведският химик Карл Густав Мозандер открива тербия през 1843 г. Той открива неговите примеси витриев оксидиY2O3. Итрийе кръстен на село Itby в Швеция. Преди появата на йонообменната технология тербият не е изолиран в чиста форма.

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

По-късно на работниците им беше трудно да наблюдават малки безцветни "ербиев оксид“, но разтворимата розова част не може да бъде пренебрегната. Дебатът за съществуването наербиев оксидсе появява многократно. В хаоса първоначалното име беше обърнато и размяната на имена беше блокирана, така че розовата част в крайна сметка беше спомената като разтвор, съдържащ ербий (в разтвора беше розов). Сега се смята, че работниците, които използват натриев дисулфид или калиев сулфат за отстраняване на цериев диоксид отитриев оксидневолно завъртететербийв утайки, съдържащи церий. Понастоящем известен като "тербий“, само около 1% от оригиналаитриев оксидприсъства, но това е достатъчно, за да предаде светложълт цвят наитриев оксид. следователнотербийе вторичен компонент, който първоначално го е съдържал и се контролира от неговите непосредствени съседи,гадолинийидиспрозий.

След това, когато и да е другоредкоземниелементите бяха отделени от тази смес, независимо от съотношението на оксида, името на тербий беше запазено, докато накрая кафявият оксид натербийсе получава в чиста форма. Изследователите през 19 век не са използвали ултравиолетова флуоресцентна технология, за да наблюдават ярко жълти или зелени нодули (III), което улеснява разпознаването на тербия 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. Въпреки това, в случай натербий, полунапълненатербийпозволява по-нататъшна йонизация на четвъртия електрон в присъствието на много силен окислител като флуорен газ.

Метал

Тербийе сребристо бял редкоземен метал с пластичност, издръжливост и мекота, който може да се реже с нож. Точка на топене 1360 ℃, точка на кипене 3123 ℃, плътност 8229 4kg/m3. В сравнение с ранните лантаноидни елементи, той е относително стабилен във въздуха. Деветият елемент от лантаноидните елементи, 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-церий-ториев пясък и силициева берилиево-итриева руда.Тербийсъжителства с други редкоземни елементи в монацитовия пясък, с общо 0,03% съдържание на тербий. Други източници включват итриев фосфат и редкоземно злато, като и двете са смеси от оксиди, съдържащи до 1% тербий.

Приложение

Приложението натербийвключва най-вече високотехнологични области, които са технологично интензивни и знание 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, той се използва като редкоземен комбиниран 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 сплав на аморфен метал тербий преходен метал са използвани за производството на високопроизводителни магнитооптични дискове.

(4) Производство на магнито оптично стъкло. Ротационното стъкло на Фарадей, съдържащо тербий, е ключов материал за производството на ротатори, изолатори и циркулационни помпи в лазерната технология.

(5) Разработването и разработването на феромагнитострикционна сплав с тербий диспрозий (TerFenol) отвори нови приложения за тербий.

За земеделие и животновъдство

Редкоземнитербийможе да подобри качеството на културите и да увеличи скоростта на фотосинтезата в определен диапазон на концентрация. 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 дава 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 редкоземни цветни телевизори с червен флуоресцентен прах е стимулирало търсенетоитрийиевропий, тогава приложението и развитието на тербий са били насърчавани от редкоземни три основни цвята зелен флуоресцентен прах за лампи. В началото на 80-те години Philips изобретява първата в света компактна енергоспестяваща флуоресцентна лампа и бързо я популяризира в световен мащаб. Tb3+ йони могат да излъчват зелена светлина с дължина на вълната 545nm и почти всички редкоземни зелени флуоресцентни прахове използваттербий, като активатор.

Зеленият флуоресцентен прах, използван за цветни телевизионни електронно-лъчеви тръби (CRT), винаги е бил основно базиран на евтин и ефикасен цинков сулфид, но тербиевият прах винаги е бил използван като проекционен цветен телевизионен зелен прах, като Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ и LaOBr: Tb3+. С развитието на широкоекранната телевизия 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 ефективност на луминесценция при висока плътност на тока.

Традиционният рентгенов флуоресцентен прах е калциев волфрамат. През 1970-те и 1980-те години бяха разработени редкоземни флуоресцентни прахове за сенсибилизиращи екрани, като напр.тербийактивиран лантанов сулфиден оксид, активиран с тербий лантанов бромид оксид (за зелени екрани) и активиран с тербий итриев сулфиден оксид. В сравнение с калциев 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 активатор на флуоресцентен прах за медицински екрани за подобряване 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 експозиция на рентгенови лъчи. лъчи към човешкото тяло (с над 50%).

Тербийсе използва и като активатор в белия LED фосфор, възбуден от синя светлина за ново полупроводниково осветление. Може да се използва за производство на тербиеви алуминиеви магнитооптични кристални фосфори, като се използват диоди, излъчващи синя светлина, като източници на възбуждаща светлина, а генерираната флуоресценция се смесва с възбуждащата светлина, за да се получи чиста бяла светлина

Електролуминесцентните материали, направени от тербий, включват главно зелен флуоресцентен прах от цинков сулфидтербийкато активатор. При ултравиолетово облъчване органичните комплекси на тербий могат да излъчват силна зелена флуоресценция и могат да се използват като тънкослойни електролуминесцентни материали. Въпреки че е постигнат значителен напредък в изследването наредкоземниорганични сложни електролуминисцентни тънки филми, все още има известна празнина от практичността и изследванията на редкоземни органични сложни електролуминисцентни тънки филми и устройства все още са в задълбочаване.

Флуоресцентните характеристики на тербия също се използват като флуоресцентни сонди. Взаимодействието между офлоксацин тербиум (Tb3+) комплекс и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) е изследвано с помощта на флуоресцентни и абсорбционни спектри, като флуоресцентна сонда на офлоксацин тербиум (Tb3+). Резултатите показват, че сондата на офлоксацин Tb3+ може да образува жлеб, свързващ се с ДНК молекули, а дезоксирибонуклеиновата киселина може значително да подобри флуоресценцията на системата на офлоксацин Tb3+. Въз основа на тази промяна може да се определи дезоксирибонуклеиновата киселина.

За магнитооптични материали

Материали с ефект на Фарадей, известни още като магнитооптични материали, се използват широко в лазери и други оптични устройства. Има два често срещани вида магнитооптични материали: магнитооптични кристали и магнитооптично стъкло. Сред тях магнитооптичните кристали (като итриев железен гранат и тербиев галиев гранат) имат предимствата на регулируема работна честота и висока термична стабилност, но те са скъпи и трудни за производство. В допълнение, много магнитооптични кристали с високи ъгли на въртене на Фарадей имат висока абсорбция в диапазона на късите вълни, което ограничава тяхното използване. В сравнение с магнито оптичните кристали, магнито оптичното стъкло има предимството на високата пропускливост и лесно се прави на големи блокове или влакна. Понастоящем магнитооптичните стъкла с висок ефект на Фарадей са предимно 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 голям капацитет нараства. Тънки филми от сплав на аморфен метал тербий преходен метал са използвани за производството на високопроизводителни магнитооптични дискове. Сред тях тънкият филм от сплав TbFeCo има най-добра производителност. Магнитооптични материали на базата на тербий се произвеждат в голям мащаб и направените от тях магнитооптични дискове се използват като компютърни компоненти за съхранение, като капацитетът за съхранение се увеличава 10-15 пъти. Те имат предимствата на голям капацитет и бърза скорост на достъп и могат да бъдат изтривани и покривани десетки хиляди пъти, когато се използват за оптични дискове с висока плътност. Те са важни материали в технологията за съхранение на електронна информация. Най-често използваният магнитооптичен материал във видимата и близката инфрачервена лента е монокристал Тербиев галиев гранат (TGG), който е най-добрият магнитооптичен материал за направата на Фарадееви ротатори и изолатори.

За магнито оптично стъкло

Магнитното оптично стъкло на Фарадей има добра прозрачност и изотропия във видимата и инфрачервената област и може да образува различни сложни форми. Лесно е да се произвеждат продукти с големи размери и могат да бъдат изтеглени в оптични влакна. Следователно, той 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+ йони са станали често използвани редкоземни йони в магнитооптични стъкла.

Тербиево-диспрозиева феромагнитострикционна 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. Държавният университет на Айова, лабораторията на Еймс към Министерството на енергетиката на САЩ и Центърът за изследване на повърхностните оръжия на ВМС на САЩ (от който идва основният персонал на по-късно създадената Edge Technology Corporation (ET REMA)) си сътрудничат за разработването на нов рядък земен интелигентен материал, а именно тербиев диспрозиев феромагнитен магнитостриктивен материал. Този нов интелигентен материал има отлични характеристики за бързо преобразуване на електрическата енергия в механична. Подводните и електроакустични преобразуватели, изработени от този гигантски магнитострикционен материал, са успешно конфигурирани във военноморско оборудване, високоговорители за откриване на нефтени кладенци, системи за контрол на шума и вибрациите и системи за изследване на океана и подземни комуникационни системи. Следователно, веднага щом се роди гигантският магнитостриктивен материал от тербий диспрозиум и желязо, той получи широко внимание от индустриализираните страни по света. Edge Technologies в Съединените щати започна да произвежда гигантски магнитострикционни материали от тербий диспрозиум желязо през 1989 г. и ги нарече Terfenol D. Впоследствие Швеция, Япония, Русия, Обединеното кралство и Австралия също разработиха гигантски магнитострикционни материали от тербий диспрозий желязо.

От историята на развитието на този материал в Съединените щати, както изобретението на материала, така и ранните му монополни приложения са пряко свързани с военната индустрия (като флотата). Въпреки че китайските военни и отбранителни отдели постепенно укрепват разбирането си за този материал. Въпреки това, със значителното увеличаване на всеобхватната национална сила на Китай, търсенето за постигане на военна конкурентна стратегия от 21-ви век и подобряване на нивата на оборудване определено ще бъде много спешно. Следователно широкото използване на гигантски магнитострикционни материали от тербий диспрозиум и желязо от военните и националните отдели за отбрана ще бъде историческа необходимост.

Накратко, множеството 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 проучват как да избегнат и сведат до минимум употребата на тербий, за да намалят производствените разходи. Например, редкоземните магнитооптични материали също трябва да използват ниска ценадиспрозиево желязокобалт или гадолиний тербий кобалт колкото е възможно повече; Опитайте се да намалите съдържанието на тербий в зеления флуоресцентен прах, който трябва да използвате. Цената се превърна във важен фактор, ограничаващ широкото използване натербий. Но много функционални материали не могат без него, така че трябва да се придържаме към принципа „използване на добра стомана върху острието“ и да се опитаме да спестим използването натербийколкото е възможно повече.