Terbiumkuuluu luokkaan raskasharvinaiset maametallit, jonka esiintyminen maankuoressa on alhainen, vain 1,1 ppm. Terbiumoksidin osuus harvinaisten maametallien kokonaismäärästä on alle 0,01 %. Jopa korkean yttrium-ionityypin raskaassa harvinaisen maametallin malmissa, jossa on korkein terbiumipitoisuus, terbiumpitoisuus on vain 1,1-1,2 % harvinaisten maametallien kokonaismäärästä, mikä viittaa siihen, että se kuuluu harvinaisten maametallien "jalo"-luokkaan. Yli 100 vuoden ajan terbiumin löytämisestä vuonna 1843 sen niukkuus ja arvo ovat estäneet sen käytännön soveltamisen pitkään. Terbium on osoittanut ainutlaatuisen kykynsä vasta viimeisten 30 vuoden aikana.
Historian löytäminen
Ruotsalainen kemisti Carl Gustaf Mosander löysi terbiumin vuonna 1843. Hän löysi sen epäpuhtaudetyttrium(III)oksidijaY2O3. Yttrium on nimetty ruotsalaisen Ytterbyn kylän mukaan. Ennen ioninvaihtoteknologian syntyä terbiumia ei eristetty puhtaassa muodossaan.
Mosant jakoi ensin yttrium(III)oksidin kolmeen osaan, jotka kaikki nimettiin malmien mukaan: yttrium(III)oksidi,Erbium(III)oksidija terbiumoksidi. Terbiumoksidi koostui alun perin vaaleanpunaisesta osasta johtuen elementistä, joka tunnetaan nykyään nimellä erbium. "Erbium(III)oksidi" (mukaan lukien se, mitä nyt kutsumme terbiumiksi) oli alun perin liuoksen olennaisesti väritön osa. Tämän alkuaineen liukenematonta oksidia pidetään ruskeana.
Myöhemmät työntekijät tuskin pystyivät havaitsemaan pientä väritöntä "Erbium(III)oksidia", mutta liukoista vaaleanpunaista osaa ei voitu jättää huomiotta. Erbium(III)oksidin olemassaolosta on käyty keskustelua toistuvasti. Kaaoksessa alkuperäinen nimi käännettiin ja nimien vaihto jumissa, joten vaaleanpunainen osa mainittiin lopulta erbiumia sisältävänä liuoksena (liuoksessa se oli vaaleanpunainen). Nykyään uskotaan, että natriumbisulfaattia tai kaliumsulfaattia käyttävät työntekijät ottavatCerium(IV)oksidipoistua yttrium(III)oksidista ja muuttaa terbiumin vahingossa ceriumia sisältäväksi sedimentiksi. Vain noin 1 % alkuperäisestä yttrium(III)oksidista, joka tunnetaan nykyään nimellä "terbium", riittää siirtämään kellertävän värin yttrium(III)oksidiin. Siksi terbium on toissijainen komponentti, joka alun perin sisälsi sen, ja sen välittömät naapurit, gadolinium ja dysprosium, hallitsevat sitä.
Myöhemmin aina, kun tästä seoksesta erotettiin muita harvinaisia maametallialkuaineita, riippumatta oksidin suhteesta, terbiumin nimi säilytettiin, kunnes lopulta saatiin terbiumin ruskea oksidi puhtaassa muodossa. 1800-luvun tutkijat eivät käyttäneet ultraviolettifluoresenssitekniikkaa kirkkaan keltaisten tai vihreiden kyhmyjen (III) havainnointiin, mikä helpotti terbiumin tunnistamista kiinteissä seoksissa tai liuoksissa.
Elektronien konfigurointi
Elektronikokoonpano:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbiumin elektronikonfiguraatio on [Xe] 6s24f9. Normaalisti vain kolme elektronia voidaan poistaa ennen kuin ydinvaraus tulee liian suureksi ionisoitavaksi edelleen, mutta terbiumin tapauksessa puolitäyteinen terbium mahdollistaa neljännen elektronin ionisoinnin edelleen erittäin vahvojen hapettimien, kuten fluorikaasun, läsnä ollessa.
Terbium on hopeanvalkoinen harvinainen maametalli, jolla on sitkeys, sitkeys ja pehmeys, joka voidaan leikata veitsellä. Sulamispiste 1360 ℃, kiehumispiste 3123 ℃, tiheys 8229 4kg/m3. Varhaiseen Lantanidiin verrattuna se on suhteellisen vakaa ilmassa. Lantanidin yhdeksäntenä alkuaineena terbium on metalli, jolla on vahva sähkö. Se reagoi veden kanssa muodostaen vetyä.
Luonnossa terbiumia ei ole koskaan havaittu olevan vapaa alkuaine, jota on pieni määrä phosphocerium-toriumhiekassa ja gadoliniitissa. Terbiumia esiintyy monatsiittihiekassa muiden harvinaisten maametallien kanssa, ja sen terbiumpitoisuus on yleensä 0,03 %. Muita lähteitä ovat ksenotiimi ja mustat harvinaiset kultamalmit, jotka molemmat ovat oksidien seoksia ja sisältävät jopa 1 % terbiumia.
Sovellus
Terbiumin käyttö koskee enimmäkseen korkean teknologian aloja, jotka ovat teknologia- ja osaamisintensiivisiä huippuprojekteja sekä merkittäviä taloudellisia hyötyjä tuottavia hankkeita, joilla on houkuttelevat kehitysnäkymät.
Pääsovellusalueita ovat:
(1) Käytetään harvinaisten maametallien sekoitettuna. Sitä käytetään esimerkiksi harvinaisten maametallien yhdistelmälannoitteena ja rehun lisäaineena maataloudessa.
(2) Aktivaattori vihreälle jauheelle kolmessa ensisijaisessa fluoresoivassa jauheessa. Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit edellyttävät kolmen loisteaineen perusvärin, punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa.
(3) Käytetään magneetti-optisena tallennusmateriaalina. Amorfisia metalliterbium-siirtymämetalliseoksia ohuita kalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn magneto-optisten levyjen valmistukseen.
(4) Magneto-optisen lasin valmistus. Terbiumia sisältävä Faradayn pyörivä lasi on avainmateriaali lasertekniikan rotaattorien, isolaattorien ja kierrätyspumppujen valmistuksessa.
(5) Terbium-dysprosium-ferromagnetostriktiivisen lejeeringin (TerFenol) kehitys ja kehittäminen on avannut uusia sovelluksia terbiumille.
Maatalouteen ja karjanhoitoon
Harvinaisten maametallien terbium voi parantaa sadon laatua ja lisätä fotosynteesin nopeutta tietyllä pitoisuusalueella. Terbiumkomplekseilla on korkea biologinen aktiivisuus. Terbiumin, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, kolmikomponenttisilla komplekseilla on hyvät antibakteeriset ja bakterisidiset vaikutukset Staphylococcus aureukseen, Bacillus subtilisiin ja Escherichia coliin. Niillä on laaja antibakteerinen kirjo. Tällaisten kompleksien tutkimus tarjoaa uuden tutkimussuunnan nykyaikaisille bakterisidisille lääkkeille.
Käytetään luminesenssin alalla
Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit edellyttävät kolmen loisteaineen perusvärin, punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa. Jos harvinaisen maametallin väritelevision punaisen fluoresoivan jauheen syntyminen on lisännyt yttriumin ja europiumin kysyntää, terbiumin käyttöä ja kehitystä on edistänyt harvinaisten maametallien kolmen päävärin vihreä fluoresoiva jauhe lampuille. 1980-luvun alussa Philips keksi maailman ensimmäisen kompaktin energiaa säästävän loistelampun ja levitti sitä nopeasti maailmanlaajuisesti. Tb3+-ionit voivat lähettää vihreää valoa, jonka aallonpituus on 545 nm, ja lähes kaikki harvinaisten maametallien vihreät loisteaineet käyttävät terbiumia aktivaattorina.
Väritelevision katodisädeputken (CRT) vihreä fosfori on aina perustunut sinkkisulfidiin, joka on halpaa ja tehokasta, mutta terbiumjauhetta on aina käytetty vihreänä loisteaineena projektioväritelevisioissa, mukaan lukien Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ ja LaOBr ∶ Tb3+. Suurinäyttöisen teräväpiirtotelevision (HDTV) kehittämisen myötä kehitetään myös korkean suorituskyvyn vihreitä fluoresoivia jauheita CRT-laitteita varten. Esimerkiksi ulkomailla on kehitetty hybridi vihreä fluoresoiva jauhe, joka koostuu Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ ja Y2SiO5: Tb3+, joilla on erinomainen luminesenssitehokkuus suurella virrantiheydellä.
Perinteinen röntgenfluoresoiva jauhe on kalsiumvolframaattia. 1970- ja 1980-luvuilla kehitettiin harvinaisten maametallien loisteaineita tehostettaviin seuloihin, kuten terbiumaktivoitu rikki Lantaanioksidi, terbiumaktivoitu bromi Lantaanioksidi (vihreisiin seuloihin), terbiumaktivoitu rikki yttrium(III)oksidi jne. Verrattuna kalsiumoksidiin. harvinaisten maametallien fluoresoiva jauhe voi lyhentää aikaa Potilaiden röntgensäteilytys 80 % parantaa röntgenfilmien resoluutiota, pidentää röntgenputkien käyttöikää ja vähentää energiankulutusta. Terbiumia käytetään myös fluoresoivana jauheaktivaattorina lääketieteellisissä röntgensäteiden tehostusnäytöissä, mikä voi parantaa huomattavasti röntgensäteen muuntamisen herkkyyttä optisiksi kuviksi, parantaa röntgenfilmien selkeyttä ja vähentää huomattavasti röntgensäteilyn altistusannosta. säteet ihmiskehoon (yli 50 %).
Terbiumia käytetään myös aktivoijana sinisellä valolla viritetyssä valkoisessa LED-loisteaineessa uuteen puolijohdevalaistukseen. Sitä voidaan käyttää terbium-alumiinimagneettisten optisten kideloisteaineiden valmistukseen käyttämällä sinisiä valodiodeja viritysvalon lähteinä, ja syntynyt fluoresenssi sekoitetaan viritysvaloon puhtaan valkoisen valon tuottamiseksi.
Terbiumista valmistetut elektroluminesoivat materiaalit sisältävät pääasiassa sinkkisulfidivihreää loisteainetta, jonka aktivaattorina on terbium. Ultraviolettisäteilyssä terbiumin orgaaniset kompleksit voivat säteillä voimakasta vihreää fluoresenssia ja niitä voidaan käyttää ohuina kalvoina elektroluminesoivina materiaaleina. Vaikka harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksisten elektroluminesoivien ohutkalvojen tutkimuksessa on edistytty merkittävästi, käytännöllisyyteen on vielä jonkin verran eroa, ja harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksien elektroluminesoivien ohutkalvojen ja laitteiden tutkimus on edelleen syvällistä.
Terbiumin fluoresenssiominaisuuksia käytetään myös fluoresenssikoettimina. Esimerkiksi Ofloxacin terbium (Tb3+) -fluoresenssikoetinta käytettiin Ofloxacin terbium (Tb3+) -kompleksin ja DNA:n (DNA) välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen fluoresenssispektrin ja absorptiospektrin avulla, mikä osoittaa, että Ofloxacin Tb3+ -koetin voi muodostaa urasitoutumisen DNA-molekyyleihin. ja DNA voi merkittävästi parantaa ofloksasiinin fluoresenssia Tb3+järjestelmä. Tämän muutoksen perusteella DNA voidaan määrittää.
Magnetooptisille materiaaleille
Faraday-vaikutteisia materiaaleja, jotka tunnetaan myös nimellä magneto-optiset materiaalit, käytetään laajalti lasereissa ja muissa optisissa laitteissa. Magnetooptisia materiaaleja on kahta yleistä: magnetooptiset kiteet ja magnetooptinen lasi. Niistä magneto-optisilla kiteillä (kuten yttrium-rautagranaatti ja terbiumgalliumgranaatti) on säädettävä toimintataajuus ja korkea lämpöstabiilisuus, mutta ne ovat kalliita ja vaikeita valmistaa. Lisäksi monilla magneto-optisilla kiteillä, joilla on korkea Faraday-kiertokulma, on korkea absorptio lyhyellä aaltoalueella, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Magnetooptisiin kiteisiin verrattuna optisen magnetolasin etuna on korkea läpäisykyky ja se on helppo tehdä suuriksi lohkoiksi tai kuiduiksi. Tällä hetkellä korkean Faraday-efektin omaavat magneto-optiset lasit ovat pääasiassa harvinaisten maametallien ioneilla seostettuja laseja.
Käytetään magneto-optisiin tallennusmateriaaleihin
Viime vuosina multimedian ja toimistoautomaation nopean kehityksen myötä uusien suurikapasiteettisten magneettilevyjen kysyntä on kasvanut. Amorfisen metallin terbium-siirtymämetalliseoskalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn magneto-optisten levyjen valmistukseen. Niistä TbFeCo-seosohutkalvolla on paras suorituskyky. Terbiumpohjaisia magneto-optisia materiaaleja on tuotettu suuressa mittakaavassa ja niistä valmistettuja magneto-optisia levyjä käytetään tietokoneen tallennuskomponentteina, joiden tallennuskapasiteetti on kasvanut 10-15-kertaiseksi. Niiden etuna on suuri kapasiteetti ja nopea pääsynopeus, ja ne voidaan pyyhkiä ja pinnoittaa kymmeniä tuhansia kertoja, kun niitä käytetään suuritiheyksisille optisille levyille. Ne ovat tärkeitä materiaaleja sähköisessä tiedontallennustekniikassa. Yleisimmin käytetty magneto-optinen materiaali näkyvällä ja lähi-infrapunakaistalla on Terbium Gallium Garnet (TGG) -yksikide, joka on paras magneto-optinen materiaali Faradayn rotaattorien ja isolaattorien valmistukseen.
Magneto-optiselle lasille
Faradayn magneto-optisella lasilla on hyvä läpinäkyvyys ja isotropia näkyvällä ja infrapuna-alueella, ja se voi muodostaa erilaisia monimutkaisia muotoja. Siitä on helppo valmistaa suurikokoisia tuotteita ja se voidaan vetää optisiin kuituihin. Siksi sillä on laajat sovellusmahdollisuudet magnetooptisissa laitteissa, kuten magneetti-optisissa isolaattoreissa, magnetooptisissa modulaattoreissa ja kuituoptisissa virta-antureissa. Suuren magneettimomenttinsa ja pienen absorptiokertoimensa ansiosta näkyvällä ja infrapuna-alueella Tb3+-ioneista on tullut yleisesti käytettyjä harvinaisten maametallien ioneja magnetooptisissa laseissa.
Terbium dysprosium ferromagnetostriktiivinen metalliseos
1900-luvun lopulla maailman tieteellisen ja teknologisen vallankumouksen syvenemisen myötä uusia harvinaisten maametallien sovellettavia materiaaleja ilmaantuu nopeasti. Vuonna 1984 Yhdysvaltain Iowan osavaltion yliopisto, Yhdysvaltojen energiaministeriön Ames Laboratory ja US Navy Surface Weapons Research Center (myöhemmin perustetun American Edge Technology Companyn (ET REMA) päähenkilöstö oli kotoisin keskus) kehittivät yhdessä uuden harvinaisen maametallin älykkään materiaalin, terbium-dysprosium-rauta jättimäisen magnetostriktiivisen materiaalin. Tällä uudella Smart-materiaalilla on erinomaiset ominaisuudet muuttaa sähköenergia nopeasti mekaaniseksi energiaksi. Tästä jättimäisestä magnetostriktiivisesta materiaalista valmistetut vedenalaiset ja sähköakustiset muuntimet on konfiguroitu onnistuneesti laivaston laitteisiin, öljylähteiden ilmaisinkaiuttimiin, melun- ja tärinänhallintajärjestelmiin sekä valtamerten tutkimus- ja maanalaisiin viestintäjärjestelmiin. Siksi heti kun terbium dysprosium -rauta jättimäinen magnetostriktiivinen materiaali syntyi, se sai laajaa huomiota teollisuusmaissa ympäri maailmaa. Edge Technologies Yhdysvalloissa aloitti terbium-dysprosium-raudan jättimäisten magnetostriktiivisten materiaalien valmistamisen vuonna 1989 ja nimesi ne Terfenol D:ksi. Myöhemmin Ruotsi, Japani, Venäjä, Iso-Britannia ja Australia kehittivät myös terbium dysprosium-rauta jättimäisiä magnetostriktiivisia materiaaleja.
Tämän materiaalin kehityksen historiasta Yhdysvalloissa sekä materiaalin keksiminen että sen varhaiset monopolistiset sovellukset liittyvät suoraan sotateollisuuteen (kuten laivasto). Vaikka Kiinan sotilas- ja puolustusosastot vahvistavat vähitellen ymmärrystään tästä materiaalista. Kuitenkin Kiinan kokonaisvaltaisen kansallisen voiman kasvattua merkittävästi, vaatimukset sotilaallisen kilpailustrategian toteuttamiselle 2000-luvulla ja varustelutason parantamiselle ovat varmasti erittäin kiireellisiä. Siksi terbium-dysprosium-raudan jättimäisten magnetostriktiivisten materiaalien laaja käyttö sotilas- ja maanpuolustusosastoissa on historiallinen välttämättömyys.
Lyhyesti sanottuna, terbiumin monet erinomaiset ominaisuudet tekevät siitä välttämättömän osan monissa toiminnallisissa materiaaleissa ja korvaamattoman aseman joillakin sovellusalueilla. Terbiumin korkean hinnan vuoksi ihmiset ovat kuitenkin tutkineet, kuinka vältetään ja minimoidaan terbiumin käyttöä tuotantokustannusten alentamiseksi. Esimerkiksi harvinaisten maametallien magneto-optisissa materiaaleissa tulisi myös käyttää mahdollisimman paljon edullista dysprosium-rautakobolttia tai gadoliniumterbiumkobolttia; Yritä vähentää käytettävän vihreän fluoresoivan jauheen terbiumpitoisuutta. Hinnasta on tullut tärkeä tekijä, joka rajoittaa terbiumin laajaa käyttöä. Mutta monet toiminnalliset materiaalit eivät tule toimeen ilman sitä, joten meidän on noudatettava periaatetta "käyttää hyvää terästä terässä" ja yritettävä säästää terbiumin käyttöä mahdollisimman paljon.
Postitusaika: 05.07.2023