Terbiumhører til kategorien tungesjældne jordarter, med en lav overflod i jordskorpen på kun 1,1 ppm. Terbiumoxid udgør mindre end 0,01% af de samlede sjældne jordarter. Selv i den tunge malm af sjældne jordarter med højt yttrium-ion-type med det højeste indhold af terbium, udgør terbiumindholdet kun 1,1-1,2% af den samlede sjældne jordart, hvilket indikerer, at den tilhører den "ædle" kategori af sjældne jordarters grundstoffer. I over 100 år siden opdagelsen af terbium i 1843, har dets knaphed og værdi forhindret dets praktiske anvendelse i lang tid. Det er kun i de sidste 30 år, at terbium har vist sit unikke talent.
Opdag historie
Den svenske kemiker Carl Gustaf Mosander opdagede terbium i 1843. Han fandt dets urenheder iYttrium(III)oxidogY2O3. Yttrium er opkaldt efter landsbyen Ytterby i Sverige. Før fremkomsten af ionbytterteknologi var terbium ikke isoleret i sin rene form.
Mosant delte først Yttrium(III)-oxid i tre dele, alle opkaldt efter malme: Yttrium(III)-oxid,Erbium(III)oxidog terbiumoxid. Terbiumoxid var oprindeligt sammensat af en lyserød del på grund af grundstoffet nu kendt som erbium. "Erbium(III)oxid" (inklusive det, vi nu kalder terbium) var oprindeligt den i det væsentlige farveløse del i opløsningen. Det uopløselige oxid af dette element betragtes som brunt.
Senere kunne arbejdere næsten ikke se det lille farveløse "Erbium(III)-oxid", men den opløselige lyserøde del kunne ikke ignoreres. Debatter om eksistensen af Erbium(III)oxid er opstået gentagne gange. I kaosset blev det oprindelige navn vendt om, og navneudvekslingen blev hængende, så den lyserøde del blev til sidst nævnt som en opløsning indeholdende erbium (i opløsningen var den lyserød). Det menes nu, at arbejdere, der bruger natriumbisulfat eller kaliumsulfat, tagerCerium(IV)oxidud af Yttrium(III)oxid og utilsigtet omdanne terbium til et sediment indeholdende cerium. Kun omkring 1 % af det oprindelige Yttrium(III)-oxid, nu kendt som "terbium", er nok til at overføre en gullig farve til Yttrium(III)-oxid. Derfor er terbium en sekundær komponent, der oprindeligt indeholdt det, og det styres af dets umiddelbare naboer, gadolinium og dysprosium.
Efterfølgende, når andre sjældne jordarters grundstoffer blev adskilt fra denne blanding, uanset andelen af oxidet, blev navnet terbium bibeholdt, indtil det brune terbiumoxid til sidst blev opnået i ren form. Forskere i det 19. århundrede brugte ikke ultraviolet fluorescensteknologi til at observere lyse gule eller grønne knuder (III), hvilket gjorde det lettere for terbium at blive genkendt i faste blandinger eller opløsninger.
Elektron konfiguration
Elektronkonfiguration:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbiums elektronkonfiguration er [Xe] 6s24f9. Normalt kan kun tre elektroner fjernes, før den nukleare ladning bliver for stor til at blive yderligere ioniseret, men i tilfælde af terbium tillader halvfyldt terbium, at den fjerde elektron bliver yderligere ioniseret i nærvær af meget stærke oxidanter såsom fluorgas.
Terbium er et sølvhvidt sjældent jordmetal med duktilitet, sejhed og blødhed, der kan skæres med en kniv. Smeltepunkt 1360 ℃, kogepunkt 3123 ℃, massefylde 8229 4 kg/m3. Sammenlignet med det tidlige lanthanid er det relativt stabilt i luften. Som det niende grundstof i Lanthanid er terbium et metal med stærk elektricitet. Det reagerer med vand og danner brint.
I naturen har terbium aldrig vist sig at være et frit grundstof, hvoraf en lille mængde findes i phosphocerium thorium sand og Gadolinite. Terbium eksisterer sammen med andre sjældne jordarters grundstoffer i monazitsand med et generelt terbiumindhold på 0,03 %. Andre kilder er Xenotime og sorte sjældne guldmalme, som begge er blandinger af oxider og indeholder op til 1 % terbium.
Anvendelse
Anvendelsen af terbium involverer for det meste højteknologiske områder, som er teknologitunge og videnintensive banebrydende projekter, samt projekter med betydelige økonomiske fordele, med attraktive udviklingsmuligheder.
De vigtigste anvendelsesområder omfatter:
(1) Anvendes i form af blandede sjældne jordarter. For eksempel bruges det som en sammensat gødning og fodertilsætningsstof til landbruget.
(2) Aktivator til grønt pulver i tre primære fluorescerende pulvere. Moderne optoelektroniske materialer kræver brug af tre grundlæggende farver af fosfor, nemlig rød, grøn og blå, som kan bruges til at syntetisere forskellige farver. Og terbium er en uundværlig komponent i mange højkvalitets grønne fluorescerende pulvere.
(3) Anvendes som et magneto-optisk lagermateriale. Amorft metal terbium overgangsmetallegering tynde film er blevet brugt til at fremstille højtydende magneto-optiske diske.
(4) Fremstilling af magneto optisk glas. Faraday roterende glas indeholdende terbium er et nøglemateriale til fremstilling af rotatorer, isolatorer og cirkulatorer inden for laserteknologi.
(5) Udviklingen og udviklingen af terbium dysprosium ferromagnetostriktiv legering (TerFenol) har åbnet op for nye anvendelser for terbium.
Til landbrug og husdyrhold
Sjælden jordarterbium kan forbedre kvaliteten af afgrøder og øge fotosyntesehastigheden inden for et vist koncentrationsområde. Terbiumkomplekser har høj biologisk aktivitet. Ternære komplekser af terbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, har gode antibakterielle og bakteriedræbende virkninger på Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis og Escherichia coli. De har et bredt antibakterielt spektrum. Studiet af sådanne komplekser giver en ny forskningsretning for moderne bakteriedræbende lægemidler.
Anvendes inden for luminescens
Moderne optoelektroniske materialer kræver brug af tre grundlæggende farver af fosfor, nemlig rød, grøn og blå, som kan bruges til at syntetisere forskellige farver. Og terbium er en uundværlig komponent i mange højkvalitets grønne fluorescerende pulvere. Hvis fødslen af rødt fluorescerende pulver til farve-tv med sjældne jordarter har stimuleret efterspørgslen efter yttrium og europium, så er anvendelsen og udviklingen af terbium blevet fremmet af sjældne jordarters tre primære grønt fluorescerende pulver til lamper. I begyndelsen af 1980'erne opfandt Philips verdens første kompakte energibesparende lysstofrør og promoverede den hurtigt globalt. Tb3+ioner kan udsende grønt lys med en bølgelængde på 545nm, og næsten alle de sjældne jordarters grønne fosforer bruger terbium som aktivator.
Den grønne fosfor til farve-tv katodestrålerør (CRT) har altid været baseret på zinksulfid, hvilket er billigt og effektivt, men terbiumpulveret har altid været brugt som det grønne fosfor til projektionsfarve-tv, inklusive Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ og LaOBr ∶ Tb3+. Med udviklingen af storskærms high-definition tv (HDTV) udvikles også højtydende grønne fluorescerende pulvere til CRT'er. For eksempel er der udviklet et hybridt grønt fluorescerende pulver i udlandet, bestående af Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ og Y2SiO5: Tb3+, som har fremragende luminescenseffektivitet ved høj strømtæthed.
Det traditionelle røntgenfluorescerende pulver er calciumwolframat. I 1970'erne og 1980'erne blev der udviklet sjældne jordarters fosfor til intensivering af skærme, såsom terbium aktiveret svovl lanthanoxid, terbium aktiveret brom lanthanoxid (til grønne skærme), terbium aktiveret svovl Yttrium(III) oxid osv. Sammenlignet med calcium, wolfram sjældne jordarters fluorescerende pulver kan reducere tiden for røntgen bestråling til patienter med 80 %, forbedre opløsningen af røntgenfilm, forlænge levetiden af røntgenrør og reducere energiforbruget. Terbium bruges også som en fluorescerende pulveraktivator til medicinske røntgenforbedringsskærme, som i høj grad kan forbedre følsomheden af røntgenkonvertering til optiske billeder, forbedre klarheden af røntgenfilm og i høj grad reducere eksponeringsdosis af røntgen- stråler til den menneskelige krop (med mere end 50%).
Terbium bruges også som aktivator i den hvide LED-fosfor, der exciteres af blåt lys til ny halvlederbelysning. Det kan bruges til at producere terbium aluminium magneto optiske krystal phosphor, ved at bruge blåt lys emitterende dioder som excitationslyskilder, og den genererede fluorescens blandes med excitationslyset for at producere rent hvidt lys.
De elektroluminescerende materialer fremstillet af terbium omfatter hovedsageligt zinksulfidgrøn fosfor med terbium som aktivator. Under ultraviolet bestråling kan organiske komplekser af terbium udsende stærk grøn fluorescens og kan bruges som tyndfilm elektroluminescerende materialer. Selvom der er gjort betydelige fremskridt i studiet af sjældne jordarters organiske komplekse elektroluminescerende tynde film, er der stadig et vist hul fra praktiske, og forskning i sjældne jordarters organiske komplekse elektroluminescerende tynde film og enheder er stadig i dybden.
Terbiums fluorescensegenskaber bruges også som fluorescensprober. For eksempel blev Ofloxacin terbium (Tb3+) fluorescensprobe brugt til at studere interaktionen mellem Ofloxacin terbium (Tb3+) kompleks og DNA (DNA) ved fluorescensspektrum og absorptionsspektrum, hvilket indikerer, at Ofloxacin Tb3+ probe kan danne en rillebinding med DNA-molekyler og DNA kan øge fluorescensen af Ofloxacin betydeligt Tb3+ system. Ud fra denne ændring kan DNA bestemmes.
Til magneto-optiske materialer
Materialer med Faraday-effekt, også kendt som magneto-optiske materialer, er meget udbredt i lasere og andre optiske enheder. Der er to almindelige typer af magneto-optiske materialer: magneto-optiske krystaller og magneto-optisk glas. Blandt dem har magneto-optiske krystaller (såsom Yttriumjerngranat og terbiumgalliumgranat) fordelene ved justerbar driftsfrekvens og høj termisk stabilitet, men de er dyre og vanskelige at fremstille. Derudover har mange magneto-optiske krystaller med høj Faraday rotationsvinkel høj absorption i kortbølgeområdet, hvilket begrænser deres anvendelse. Sammenlignet med magneto-optiske krystaller har magneto-optisk glas fordelen ved høj transmittans og er let at lave om til store blokke eller fibre. På nuværende tidspunkt er magneto-optiske briller med høj Faraday-effekt hovedsageligt sjældne jordarters ion-doterede briller.
Anvendes til magneto-optiske lagringsmaterialer
I de seneste år, med den hurtige udvikling af multimedie- og kontorautomatisering, har efterspørgslen efter nye højkapacitets magnetiske diske været stigende. Amorfe metal-terbium-overgangsmetallegeringsfilm er blevet brugt til at fremstille højtydende magneto-optiske diske. Blandt dem har TbFeCo-legerings tyndfilmen den bedste ydeevne. Terbiumbaserede magneto-optiske materialer er blevet produceret i stor skala, og magneto-optiske diske fremstillet af dem bruges som computerlagringskomponenter, med lagerkapaciteten øget med 10-15 gange. De har fordelene ved stor kapacitet og hurtig adgangshastighed og kan tørres og belægges titusindvis af gange, når de bruges til optiske diske med høj tæthed. De er vigtige materialer i elektronisk informationslagringsteknologi. Det mest almindeligt anvendte magneto-optiske materiale i de synlige og nær-infrarøde bånd er Terbium Gallium Garnet (TGG) enkeltkrystal, som er det bedste magneto-optiske materiale til fremstilling af Faraday rotatorer og isolatorer.
Til magneto optisk glas
Faraday magneto optisk glas har god gennemsigtighed og isotropi i de synlige og infrarøde områder og kan danne forskellige komplekse former. Det er nemt at producere store produkter og kan trækkes ind i optiske fibre. Derfor har det brede anvendelsesmuligheder i magneto-optiske enheder såsom magneto-optiske isolatorer, magneto-optiske modulatorer og fiberoptiske strømsensorer. På grund af dets store magnetiske moment og lille absorptionskoefficient i det synlige og infrarøde område, er Tb3+-ioner blevet almindeligt anvendte sjældne jordarters ioner i magneto-optiske briller.
Terbium dysprosium ferromagnetostriktiv legering
I slutningen af det 20. århundrede, med uddybningen af verdens videnskabelige og teknologiske revolution, dukker nye sjældne jordarters anvendte materialer hurtigt op. I 1984, Iowa State University i USA, Ames Laboratory i USAs energiministerium og US Navy Surface Weapons Research Center (hovedpersonalet i det senere etablerede American Edge Technology Company (ET REMA) kom fra center) udviklede i fællesskab et nyt sjældent jordart Smart-materiale, nemlig terbium dysprosium jern kæmpe magnetostriktivt materiale. Dette nye Smart-materiale har de fremragende egenskaber til hurtigt at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi. De undervands- og elektroakustiske transducere lavet af dette gigantiske magnetostriktive materiale er blevet konfigureret med succes i flådeudstyr, oliebrøndsdetektionshøjttalere, støj- og vibrationskontrolsystemer og havudforskning og underjordiske kommunikationssystemer. Så snart det gigantiske magnetostriktive terbium dysprosium jernmateriale blev født, fik det derfor bred opmærksomhed fra industrialiserede lande rundt om i verden. Edge Technologies i USA begyndte at producere terbium dysprosium jern gigantiske magnetostriktive materialer i 1989 og kaldte dem Terfenol D. Efterfølgende udviklede Sverige, Japan, Rusland, Storbritannien og Australien også terbium dysprosium jern kæmpe magnetostriktive materialer.
Fra historien om udviklingen af dette materiale i USA er både opfindelsen af materialet og dets tidlige monopolistiske anvendelser direkte relateret til militærindustrien (såsom flåden). Selvom Kinas militær- og forsvarsafdelinger gradvist styrker deres forståelse af dette materiale. Men efter at Kinas omfattende nationale magt er steget betydeligt, vil kravene til at realisere den militære konkurrencestrategi i det 21. århundrede og forbedre udstyrsniveauet bestemt være meget presserende. Derfor vil den udbredte brug af terbium dysprosium jerngigantiske magnetostriktive materialer af militære og nationale forsvarsafdelinger være en historisk nødvendighed.
Kort sagt gør terbiums mange fremragende egenskaber det til et uundværligt element i mange funktionelle materialer og en uerstattelig position i nogle anvendelsesområder. Men på grund af den høje pris på terbium har folk undersøgt, hvordan man undgår og minimerer brugen af terbium for at reducere produktionsomkostningerne. For eksempel bør magneto-optiske materialer af sjældne jordarter også bruge billig dysprosiumjernkobolt eller gadoliniumterbiumkobolt så meget som muligt; Forsøg at reducere indholdet af terbium i det grønne fluorescerende pulver, der skal bruges. Prisen er blevet en vigtig faktor, der begrænser den udbredte anvendelse af terbium. Men mange funktionelle materialer kan ikke undvære det, så vi er nødt til at overholde princippet om at "bruge godt stål på bladet" og forsøge at spare brugen af terbium så meget som muligt.
Indlægstid: Jul-05-2023