Магичен елемент на ретка земја: Тербиум

Тербиумспаѓа во категоријата на тешки ретки земји, со мало изобилство во Земјината кора од само 1,1 ppm.Тербиум оксидсочинува помалку од 0,01% од вкупните ретки земји. Дури и во тешките ретки земјени руди од типот на високо итриум-јонски тип со најголема содржина на тербиум, содржината на тербиум сочинува само 1,1-1,2% од вкупниотретка земја, што укажува дека спаѓа во категоријата „благородни“ наретка земјаелементи. Повеќе од 100 години од откривањето на тербиумот во 1843 година, неговиот недостаток и вредност ја спречуваат неговата практична примена долго време. Тоа е само во изминатите 30 годинитербиумго покажа својот уникатен талент.

Откривање на историјата

Шведскиот хемичар Карл Густаф Мосандер го открил тербиумот во 1843 година. Тој ги открил неговите нечистотии воитриум оксидиY2O3. Итриуме именуван по селото Итби во Шведска. Пред појавата на технологијата за јонска размена, тербиумот не бил изолиран во чиста форма.

Мосандер прво се поделиитриум оксидво три дела, сите именувани по руди:итриум оксид, ербиум оксид, итербиум оксид. Тербиум оксидпрвично беше составен од розов дел, поради елементот сега познат какоербиум. Ербиум оксид(вклучувајќи го и она што сега го нарекуваме тербиум) првично беше безбоен дел во растворот. Нерастворливиот оксид на овој елемент се смета за кафеав.

На работниците подоцна им било тешко да забележат ситни безбојни “ербиум оксид“, но растворливиот розов дел не може да се игнорира. Дебатата за постоењето наербиум оксидпостојано се појавува. Во хаосот, првобитното име беше обратно и размената на имиња беше заглавена, па розовиот дел на крајот беше спомнат како раствор што содржи ербиум (во растворот беше розов). Сега се верува дека работниците кои користат натриум дисулфид или калиум сулфат за отстранување на цериум диоксид одитриум оксидненамерно свртететербиумво талог што содржи цериум. Моментално познат како „тербиум', само околу 1% од оригиналотитриум оксиде присутна, но тоа е доволно за да се пренесе светло жолта боја наитриум оксид. Затоа,тербиуме секундарна компонента која првично ја содржела, а е контролирана од неговите непосредни соседи,гадолиниумидиспрозиум.

После, кога и да било другоретка земјаелементите беа одвоени од оваа смеса, без оглед на пропорцијата на оксидот, името на тербиум беше задржано до конечно, кафеавиот оксид натербиуме добиен во чиста форма. Истражувачите во 19 век не користеле технологија на ултравиолетова флуоресценција за да ги набљудуваат светложолтите или зелените нодули (III), што го олеснува препознавањето на тербиумот во цврстите смеси или раствори.

Конфигурација на електрони

Електронски распоред:

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

Електронското уредување натербиуме [Xe] 6s24f9. Нормално, само три електрони може да се отстранат пред нуклеарното полнење да стане преголемо за дополнително да се јонизира. Меѓутоа, во случај натербиум, полуполниоттербиумовозможува понатамошна јонизација на четвртиот електрон во присуство на многу силен оксиданс како што е гасот флуор.

Метал

Тербиуме сребрен бел редок метал со еластичност, цврстина и мекост што може да се сече со нож. Точка на топење 1360 ℃, точка на вриење 3123 ℃, густина 8229 4kg/m3. Во споредба со раните лантанидни елементи, тој е релативно стабилен во воздухот. Деветтиот елемент на елементите на лантанид, тербиум, е високо наелектризиран метал кој реагира со вода и формира водороден гас.

Во природата,тербиумникогаш не е откриено дека е слободен елемент, присутен во мали количини во фосфорниот цериум ториум песок и силициум берилиум итриумската руда.Тербиумкоегзистира со други ретки земјени елементи во моназитниот песок, со генерално 0,03% содржина на тербиум. Други извори вклучуваат итриум фосфат и злато од ретко земја, кои се мешавини на оксиди кои содржат до 1% тербиум.

Апликација

Примената натербиумпретежно вклучува високотехнолошки полиња, кои се технолошки интензивни и најсовремени проекти со знаење, како и проекти со значителни економски придобивки, со атрактивни изгледи за развој.

Главните области на примена вклучуваат:

(1) Се користи во форма на мешани ретки земји. На пример, се користи како сложено ѓубриво за ретки земји и додаток за добиточна храна за земјоделството.

(2) Активатор за зелен прав во три основни флуоресцентни прашоци. Современите оптоелектронски материјали бараат употреба на три основни бои на фосфор, имено црвена, зелена и сина, кои можат да се користат за синтеза на различни бои. Итербиуме незаменлива компонента во многу висококвалитетни зелени флуоресцентни прашоци.

(3) Се користи како магнето оптички материјал за складирање. За производство на магнето-оптички дискови со високи перформанси, се користат тенки фолии од легура на преодни метали тербиум од аморфен метал.

(4) Производство на магнето оптичко стакло. Фарадеј ротирачкото стакло што содржи тербиум е клучен материјал за производство на ротатори, изолатори и циркулатори во ласерската технологија.

(5) Развојот и развојот на феромагнетостриктивната легура на тербиум диспрозиум (TerFenol) отвори нови апликации за тербиум.

За земјоделство и сточарство

Ретка земјатербиумможе да го подобри квалитетот на културите и да ја зголеми стапката на фотосинтеза во одреден опсег на концентрација. Комплексите на тербиум имаат висока биолошка активност, а тројните комплекси натербиум, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, имаат добри антибактериски и бактерицидни ефекти врз Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli, со антибактериски својства со широк спектар. Студијата на овие комплекси обезбедува нова насока за истражување за современите бактерицидни лекови.

Се користи во областа на луминисценција

Современите оптоелектронски материјали бараат употреба на три основни бои на фосфор, имено црвена, зелена и сина, кои можат да се користат за синтеза на различни бои. А тербиумот е незаменлива компонента во многу висококвалитетни зелени флуоресцентни прашоци. Ако раѓањето на телевизор во боја на ретка земја, црвениот флуоресцентен прав ја поттикна побарувачката заитриумиевропиум, потоа примената и развојот на тербиум се промовирани од ретка земја со три основни бои зелена флуоресцентна прашок за светилки. Во раните 1980-ти, Philips ја измисли првата компактна флуоресцентна светилка за заштеда на енергија во светот и брзо ја промовираше на глобално ниво. Tb3+ јоните можат да емитуваат зелена светлина со бранова должина од 545 nm, а речиси сите ретки земјени зелени флуоресцентни прашоци користаттербиум, како активатор.

Зелениот флуоресцентен прав што се користи за цевки со катодни зраци на ТВ во боја (CRTs) отсекогаш главно се базирал на евтин и ефикасен цинк сулфид, но тербиумот во прав отсекогаш се користел како зелен прашок за проекција на ТВ во боја, како што се Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ и LaOBr: Tb3+. Со развојот на телевизор со висока дефиниција со голем екран (HDTV), се развиваат и зелени флуоресцентни прашоци со високи перформанси за CRT. На пример, во странство е развиен хибриден зелен флуоресцентен прав, кој се состои од Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ и Y2SiO5: Tb3+, кои имаат одлична ефикасност на луминисценција при висока густина на струјата.

Традиционалниот флуоресцентен прав со рендген е калциум волфрам. Во 1970-тите и 1980-тите, беа развиени флуоресцентни прашоци од ретки земји за екрани за сензибилизација, како на пр.тербиум, активиран лантан сулфид оксид, тербиум активиран лантан бромид оксид (за зелени екрани) и тербиум активиран итриум сулфид оксид. Во споредба со калциумовиот волфрам, флуоресцентниот прашок од ретка земја може да го намали времето на зрачење на Х-зраци кај пациентите за 80%, да ја подобри резолуцијата на филмовите со рендген, да го продолжи животниот век на рендгенските цевки и да ја намали потрошувачката на енергија. Тербиумот исто така се користи како флуоресцентен активатор во прав за медицински екрани за подобрување на рендгенските зраци, што може во голема мера да ја подобри чувствителноста на рендгенската конверзија во оптички слики, да ја подобри јасноста на рендгенските филмови и значително да ја намали дозата на експозиција на Х- зраци на човечкото тело (за повеќе од 50%).

Тербиумсе користи и како активатор во белиот LED фосфор возбуден од сината светлина за ново полупроводно осветлување. Може да се користи за производство на тербиум алуминиумски магнето-оптички кристални фосфори, користејќи диоди што емитуваат сина светлина како извори на светлина за возбудување, а генерираната флуоресценција се меша со светлината на возбудата за да се произведе чиста бела светлина

Електролуминисцентните материјали направени од тербиум главно вклучуваат цинк сулфид зелен флуоресцентен прав сотербиумкако активатор. Под ултравиолетово зрачење, органските комплекси на тербиум можат да испуштаат силна зелена флуоресценција и може да се користат како електролуминисцентни материјали со тенок филм. Иако е постигнат значителен напредок во проучувањето наретка земјаоргански комплексни електролуминисцентни тенки фолии, сè уште постои одреден јаз од практичноста, а истражувањето на органски комплексни електролуминисцентни тенки филмови и уреди од ретки земји се сè уште во длабочина.

Флуоресцентните карактеристики на тербиумот се користат и како флуоресцентни сонди. Интеракцијата помеѓу комплексот офлоксацин тербиум (Tb3+) и деоксирибонуклеинската киселина (ДНК) беше проучена со користење на флуоресцентни и апсорпциони спектри, како што е флуоресцентната сонда на офлоксацин тербиум (Tb3+). Резултатите покажаа дека сондата на офлоксацин Tb3+ може да формира жлеб за врзување со молекулите на ДНК, а деоксирибонуклеинската киселина може значително да ја подобри флуоресценцијата на системот на офлоксацин Tb3+. Врз основа на оваа промена, може да се одреди деоксирибонуклеинската киселина.

За магнето-оптички материјали

Материјалите со ефект на Фарадеј, познати и како магнето-оптички материјали, се широко користени во ласери и други оптички уреди. Постојат два вообичаени типа на магнето-оптички материјали: магнето оптички кристали и магнето оптичко стакло. Меѓу нив, магнето-оптичките кристали (како што се итриум железен гранат и тербиум галиум гранат) ги имаат предностите на прилагодлива работна фреквенција и висока термичка стабилност, но тие се скапи и тешки за производство. Покрај тоа, многу магнето-оптички кристали со високи агли на ротација на Фарадеј имаат висока апсорпција во опсегот на кратки бранови, што ја ограничува нивната употреба. Во споредба со магнето оптичките кристали, магнето оптичкото стакло ја има предноста на високата пропустливост и лесно се прави во големи блокови или влакна. Во моментов, магнето-оптичките очила со висок ефект на Фарадеј се главно стакла со ретки земјени јони.

Се користи за магнето-оптички материјали за складирање

Во последниве години, со брзиот развој на мултимедијалната и канцелариската автоматизација, побарувачката за нови магнетни дискови со висок капацитет се зголемува. За производство на магнето-оптички дискови со високи перформанси, се користат тенки фолии од легура на преодни метали тербиум од аморфен метал. Меѓу нив, тенкиот филм од легура TbFeCo има најдобри перформанси. Магнето-оптичките материјали базирани на тербиум се произведени во голем обем, а магнето-оптичките дискови направени од нив се користат како компоненти за складирање на компјутери, со капацитет за складирање зголемен за 10-15 пати. Тие ги имаат предностите на голем капацитет и брза брзина на пристап, а може да се бришат и обложат десетици илјади пати кога се користат за оптички дискови со висока густина. Тие се важни материјали во технологијата за електронско складирање на информации. Најчесто користен магнето-оптички материјал во видливите и блиско-инфрацрвените појаси е еднокристалот Terbium Gallium Garnet (TGG), кој е најдобриот магнето-оптички материјал за изработка на Фарадејски ротатори и изолатори.

За магнето оптичко стакло

Фарадеј магнето оптичкото стакло има добра транспарентност и изотропија во видливите и инфрацрвените региони и може да формира различни сложени форми. Лесно е да се произведуваат производи со големи димензии и може да се вовлечат во оптички влакна. Затоа, има широки изгледи за примена во магнето-оптички уреди како што се магнето оптички изолатори, магнето оптички модулатори и сензори за струја со оптички влакна. Поради големиот магнетен момент и малиот коефициент на апсорпција во видливиот и инфрацрвениот опсег, Tb3+ јоните станаа вообичаено користени јони на ретки земји во магнето оптичките очила.

Тербиум диспрозиум феромагнетостриктивна легура

На крајот на 20 век, со континуираното продлабочување на светската технолошка револуција, брзо се појавуваа нови материјали за примена на ретки земји. Во 1984 година, Државниот универзитет во Ајова, лабораторијата Ејмс на Министерството за енергетика на САД и Истражувачкиот центар за површинско оружје на американската морнарица (од кој дојдоа главниот персонал на подоцна основаната корпорација Edge Technology (ET REMA)) соработуваа за да развијат нова ретка земјен интелигентен материјал, имено тербиум диспрозиум феромагнетен магнетостриктивен материјал. Овој нов интелигентен материјал има одлични карактеристики за брзо претворање на електричната енергија во механичка енергија. Подводните и електро-акустичните трансдуктори направени од овој џиновски магнетостриктивен материјал се успешно конфигурирани во поморска опрема, звучници за откривање на нафтени бунари, системи за контрола на бучава и вибрации и системи за истражување на океаните и подземни комуникациски системи. Затоа, штом се роди џиновскиот магнетостриктивен материјал од тербиум диспрозиум, доби големо внимание од индустријализираните земји ширум светот. Edge Technologies во Соединетите Американски Држави започна со производство на џиновски магнетостриктивни материјали од железо со тербиум диспрозиум во 1989 година и ги именуваше како Terfenol D.

Од историјата на развојот на овој материјал во САД, и пронајдокот на материјалот и неговите рани монополистички апликации се директно поврзани со воената индустрија (како што е морнарицата). Иако воените и одбранбените оддели на Кина постепено го зајакнуваат своето разбирање за овој материјал. Меѓутоа, со значително подобрување на сеопфатната национална сила на Кина, побарувачката за постигнување воена конкурентна стратегија од 21 век и подобрување на нивоата на опрема дефинитивно ќе биде многу итна. Затоа, широката употреба на тербиум диспрозиум железни џиновски магнетостриктивни материјали од страна на воените и националните одделенија за одбрана ќе биде историска потреба.

Накратко, многуте одлични својства натербиумго прават незаменлив член на многу функционални материјали и незаменлива позиција во некои полиња на примена. Меѓутоа, поради високата цена на тербиумот, луѓето проучувале како да се избегне и минимизира употребата на тербиум со цел да се намалат трошоците за производство. На пример, магнето-оптичките материјали за ретки земји, исто така, треба да користат ниска ценадиспрозиумско железокобалт или гадолиниум тербиум кобалт колку што е можно повеќе; Обидете се да ја намалите содржината на тербиум во зелениот флуоресцентен прав што мора да се користи. Цената стана важен фактор што ја ограничува широката употреба натербиум. Но, многу функционални материјали не можат без него, затоа мораме да се придржуваме до принципот „користење добар челик на сечилото“ и да се обидеме да ја зачуваме употребата натербиумколку што е можно повеќе.