Terbijspieder pie smago preču kategorijasretzemju elementi, ar zemu pārpilnību Zemes garozā - tikai 1,1 ppm. Terbija oksīds veido mazāk nekā 0,01% no kopējā retzemju elementu daudzuma. Pat augsta itrija jonu tipa smago retzemju rūdā ar visaugstāko terbija saturu terbija saturs veido tikai 1,1–1,2% no kopējā retzemju elementu daudzuma, kas norāda, ka tā pieder pie "cēlzemju" retzemju elementu kategorijas. Vairāk nekā 100 gadus kopš terbija atklāšanas 1843. gadā tā retums un vērtība uz ilgu laiku ir kavējuši tā praktisku pielietojumu. Tikai pēdējo 30 gadu laikā terbijs ir parādījis savu unikālo talantu.
Vēstures atklāšana
Zviedru ķīmiķis Karls Gustafs Mosanders atklāja terbiju 1843. gadā. Viņš atrada tā piemaisījumusItrija(III) oksīdsunY2O3Itrijs ir nosaukts Zviedrijas ciemata Iterbija vārdā. Pirms jonu apmaiņas tehnoloģijas parādīšanās terbijs netika izolēts tīrā veidā.
Mozants pirmais sadalīja itrija(III) oksīdu trīs daļās, kuras visas nosauktas rūdu vārdos: itrija(III) oksīds,Erbija(III) oksīds, un terbija oksīds. Terbija oksīds sākotnēji sastāvēja no rozā daļas, pateicoties elementam, kas tagad pazīstams kā erbijs. "Erbija(III) oksīds" (ieskaitot to, ko mēs tagad saucam par terbiju) sākotnēji bija praktiski bezkrāsaina šķīduma daļa. Šī elementa nešķīstošais oksīds tiek uzskatīts par brūnu.
Vēlāk strādnieki tik tikko spēja novērot sīko, bezkrāsaino “erbija(III) oksīdu”, taču šķīstošo rozā daļu nevarēja ignorēt. Debates par erbija(III) oksīda esamību ir atkārtoti izraisījušās. Haosā sākotnējais nosaukums tika mainīts, un nosaukumu apmaiņa iestrēga, tāpēc rozā daļa galu galā tika minēta kā šķīdums, kas satur erbiju (šķīdumā tā bija rozā). Tagad tiek uzskatīts, ka strādnieki, kas izmanto nātrija bisulfātu vai kālija sulfātu, lietoCērija(IV) oksīdsno itrija(III) oksīda un netīši pārvērš terbiju nogulumos, kas satur ceriju. Tikai aptuveni 1% no sākotnējā itrija(III) oksīda, kas tagad pazīstams kā “terbijs”, ir pietiekami, lai itrija(III) oksīdam piešķirtu dzeltenīgu krāsu. Tāpēc terbijs ir sekundāra sastāvdaļa, kas sākotnēji to saturēja, un to kontrolē tā tiešie kaimiņi gadolīnijs un disprozijs.
Pēc tam, kad no šī maisījuma tika atdalīti citi retzemju elementi, neatkarīgi no oksīda proporcijas, nosaukums terbijs tika saglabāts, līdz beidzot tika iegūts terbija brūnais oksīds tīrā veidā. 19. gadsimta pētnieki neizmantoja ultravioletās fluorescences tehnoloģiju, lai novērotu spilgti dzeltenus vai zaļus mezgliņus (III), kas atviegloja terbija atpazīšanu cietos maisījumos vai šķīdumos.
Elektronu konfigurācija
Elektronu konfigurācija:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Terbija elektronu konfigurācija ir [Xe]₆₀₈₄⁹. Parasti var atdalīt tikai trīs elektronus, pirms kodola lādiņš kļūst pārāk liels, lai to tālāk jonizētu, bet terbija gadījumā daļēji aizpildīts terbijs ļauj ceturtajam elektronam tikt tālāk jonizētam ļoti spēcīgu oksidētāju, piemēram, fluora gāzes, klātbūtnē.
Terbijs ir sudrabaini balts retzemju metāls ar plastiskumu, izturību un mīkstumu, ko var griezt ar nazi. Kušanas temperatūra 1360 ℃, viršanas temperatūra 3123 ℃, blīvums 8229 4 kg/m3. Salīdzinot ar agrīnajiem lantanīdiem, tas ir relatīvi stabils gaisā. Kā devītais lantanīdu elements, terbijs ir metāls ar spēcīgu elektrību. Tas reaģē ar ūdeni, veidojot ūdeņradi.
Dabā terbijs nekad nav atrasts brīvā veidā, neliels tā daudzums ir atrodams fosfocērija-torija smiltīs un gadolīnītā. Monacīta smiltīs terbijs pastāv līdzās citiem retzemju elementiem, un tā terbija saturs parasti ir 0,03%. Citi avoti ir ksenotims un melnā retā zelta rūdas, kas abi ir oksīdu maisījumi un satur līdz 1% terbija.
Pieteikums
Terbija pielietojums galvenokārt saistīts ar augsto tehnoloģiju jomām, kas ir tehnoloģiju un zināšanu ietilpīgi jaunākie projekti, kā arī projekti ar ievērojamu ekonomisko labumu un pievilcīgām attīstības perspektīvām.
Galvenās pielietojuma jomas ietver:
(1) Izmanto jauktu retzemju elementu veidā. Piemēram, to izmanto kā retzemju elementu kombinēto mēslojumu un barības piedevu lauksaimniecībā.
(2) Zaļā pulvera aktivators trīs primārajos fluorescējošajos pulveros. Mūsdienu optoelektroniskajiem materiāliem ir nepieciešamas trīs fosfora pamatkrāsas, proti, sarkana, zaļa un zila, kuras var izmantot dažādu krāsu sintezēšanai. Un terbijs ir neaizstājama sastāvdaļa daudzos augstas kvalitātes zaļajos fluorescējošajos pulveros.
(3) Izmanto kā magnetooptisko atmiņas materiālu. Amorfā metāla terbija pārejas metāla sakausējuma plānās plēves ir izmantotas augstas veiktspējas magnetooptisko disku ražošanā.
(4) Magnetooptiskā stikla ražošana. Faradeja rotējošais stikls, kas satur terbiju, ir galvenais materiāls rotatoru, izolatoru un cirkulatoru ražošanai lāzertehnoloģijās.
(5) Terbija disprosija feromagnetostriktīva sakausējuma (TerFenol) izstrāde un attīstība ir pavērusi jaunus terbija pielietojumus.
Lauksaimniecībai un lopkopībai
Retzemju terbijs noteiktā koncentrācijas diapazonā var uzlabot kultūraugu kvalitāti un palielināt fotosintēzes ātrumu. Terbija kompleksiem ir augsta bioloģiskā aktivitāte. Terbija trīskāršajiem kompleksiem, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, ir laba antibakteriāla un baktericīda iedarbība uz Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis un Escherichia coli. Tiem ir plašs antibakteriālais spektrs. Šādu kompleksu izpēte sniedz jaunu pētniecības virzienu mūsdienu baktericīdiem medikamentiem.
Izmanto luminiscences jomā
Mūsdienu optoelektroniskajiem materiāliem ir nepieciešamas trīs pamatkrāsu fosfora krāsas: sarkana, zaļa un zila, kuras var izmantot dažādu krāsu sintezēšanai. Terbijs ir neaizstājama sastāvdaļa daudzos augstas kvalitātes zaļajos fluorescējošos pulveros. Ja retzemju krāsu televizoru sarkanā fluorescējošā pulvera rašanās ir veicinājusi pieprasījumu pēc itrija un eiropija, tad terbija pielietojumu un attīstību ir veicinājis retzemju trīs pamatkrāsu zaļais fluorescējošais pulveris lampām. Astoņdesmito gadu sākumā Philips izgudroja pasaulē pirmo kompakto enerģiju taupošo dienasgaismas lampu un ātri to reklamēja visā pasaulē. Tb3+ joni var izstarot zaļu gaismu ar viļņa garumu 545 nm, un gandrīz visi retzemju zaļie fosfori izmanto terbiju kā aktivatoru.
Zaļais fosfors krāsu televizoru katodstaru lampām (CRT) vienmēr ir bijis balstīts uz cinka sulfīdu, kas ir lēts un efektīvs, bet terbija pulveris vienmēr ir izmantots kā zaļais fosfors projekcijas krāsu televizoriem, tostarp Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ un LaOBr ∶ Tb3+. Attīstoties liela ekrāna augstas izšķirtspējas televīzijai (HDTV), tiek izstrādāti arī augstas veiktspējas zaļi fluorescējoši pulveri CRT. Piemēram, ārzemēs ir izstrādāts hibrīds zaļš fluorescējošs pulveris, kas sastāv no Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ un Y2SiO5:Tb3+, kam ir lieliska luminiscences efektivitāte pie augsta strāvas blīvuma.
Tradicionālais rentgenstaru fluorescējošais pulveris ir kalcija volframāts. 20. gs. 70. un 80. gados tika izstrādāti retzemju fosfori ekrānu pastiprināšanai, piemēram, ar terbiju aktivēts sērs, lantāna oksīds, ar terbiju aktivēts broma lantāna oksīds (zaļajiem ekrāniem), ar terbiju aktivēts sērs, itrija(III) oksīds utt. Salīdzinot ar kalcija volframātu, retzemju fluorescējošais pulveris var samazināt rentgenstaru apstarošanas laiku pacientiem par 80 %, uzlabot rentgenfilmu izšķirtspēju, pagarināt rentgena lampu kalpošanas laiku un samazināt enerģijas patēriņu. Terbiju izmanto arī kā fluorescējoša pulvera aktivatoru medicīniskajos rentgenstaru pastiprināšanas ekrānos, kas var ievērojami uzlabot rentgenstaru pārveidošanas jutību optiskos attēlos, uzlabot rentgenfilmu skaidrību un ievērojami samazināt rentgenstaru iedarbības devu cilvēka ķermenim (par vairāk nekā 50 %).
Terbijs tiek izmantots arī kā aktivators baltajā LED fosforā, ko ierosina zilā gaisma jaunā pusvadītāju apgaismojumā. To var izmantot terbija alumīnija magneto optiskā kristāla fosfora ražošanai, izmantojot zilās gaismas diodes kā ierosmes gaismas avotus, un ģenerētā fluorescence tiek sajaukta ar ierosmes gaismu, lai iegūtu tīru baltu gaismu.
No terbija izgatavotie elektroluminiscējošie materiāli galvenokārt ietver cinka sulfīda zaļo fosforu ar terbiju kā aktivatoru. Ultravioletā starojuma ietekmē terbija organiskie kompleksi var izstarot spēcīgu zaļu fluorescenci un tos var izmantot kā plānslāņa elektroluminiscējošus materiālus. Lai gan retzemju organisko kompleksu elektroluminiscējošo plāno plēvju pētījumos ir panākts ievērojams progress, joprojām pastāv zināma plaisa no praktiskā pielietojuma, un retzemju organisko kompleksu elektroluminiscējošo plāno plēvju un ierīču pētījumi joprojām ir padziļināti.
Terbija fluorescences raksturlielumi tiek izmantoti arī kā fluorescences zondes. Piemēram, ofloksacīna terbija (Tb3+) fluorescences zonde tika izmantota, lai pētītu mijiedarbību starp ofloksacīna terbija (Tb3+) kompleksu un DNS (DNS), izmantojot fluorescences spektru un absorbcijas spektru, norādot, ka ofloksacīna Tb3+ zonde var veidot rievas saistīšanos ar DNS molekulām, un DNS var ievērojami pastiprināt ofloksacīna Tb3+ sistēmas fluorescenci. Pamatojoties uz šīm izmaiņām, var noteikt DNS.
Magnetooptiskajiem materiāliem
Materiāli ar Faraday efektu, kas pazīstami arī kā magnetooptiskie materiāli, tiek plaši izmantoti lāzeros un citās optiskās ierīcēs. Ir divi izplatīti magnetooptisko materiālu veidi: magnetooptiskie kristāli un magnetooptiskais stikls. Starp tiem magnetooptiskajiem kristāliem (piemēram, itrija dzelzs granātam un terbija gallija granātam) ir regulējamas darbības frekvences un augstas termiskās stabilitātes priekšrocības, taču tie ir dārgi un grūti izgatavojami. Turklāt daudziem magnetooptiskajiem kristāliem ar augstu Faraday rotācijas leņķi ir augsta absorbcija īsviļņu diapazonā, kas ierobežo to izmantošanu. Salīdzinot ar magnetooptiskajiem kristāliem, magnetooptiskajam stiklam ir augsta caurlaidība un to ir viegli izgatavot lielos blokos vai šķiedrās. Pašlaik magnetooptiskie stikli ar augstu Faraday efektu galvenokārt ir ar retzemju jonu leģēti stikli.
Izmanto magnetooptiskajiem atmiņas materiāliem
Pēdējos gados, strauji attīstoties multimediju un biroja automatizācijai, pieaug pieprasījums pēc jauniem lielas ietilpības magnētiskiem diskiem. Amorfā metāla terbija pārejas metālu sakausējuma plēves tiek izmantotas augstas veiktspējas magnetooptisko disku ražošanā. Starp tiem vislabākā veiktspēja ir TbFeCo sakausējuma plānajai plēvei. Terbija bāzes magnetooptiskie materiāli ir ražoti plašā mērogā, un no tiem izgatavotie magnetooptiskie diski tiek izmantoti kā datoru atmiņas komponenti, un atmiņas ietilpība ir palielināta 10–15 reizes. To priekšrocības ir liela ietilpība un ātrs piekļuves ātrums, un, izmantojot augsta blīvuma optiskajos diskos, tos var noslaucīt un pārklāt desmitiem tūkstošu reižu. Tie ir svarīgi materiāli elektroniskās informācijas glabāšanas tehnoloģijā. Visbiežāk izmantotais magnetooptiskais materiāls redzamajā un tuvajā infrasarkanajā diapazonā ir terbija gallija granāta (TGG) monokristāls, kas ir labākais magnetooptiskais materiāls Faraday rotatoru un izolatoru izgatavošanai.
Magneto optiskajam stiklam
Faraday magneto optiskajam stiklam ir laba caurspīdība un izotropija redzamajā un infrasarkanajā diapazonā, un tas var veidot dažādas sarežģītas formas. No tā ir viegli izgatavot liela izmēra izstrādājumus, un to var ievilkt optiskajās šķiedrās. Tāpēc tam ir plašas pielietojuma iespējas magneto optiskajās ierīcēs, piemēram, magneto optiskajos izolatoros, magneto optiskajos modulatoros un optiskās šķiedras strāvas sensoros. Pateicoties lielajam magnētiskajam momentam un mazajam absorbcijas koeficientam redzamajā un infrasarkanajā diapazonā, Tb3+ joni ir kļuvuši par plaši izmantotiem retzemju joniem magneto optiskajos stiklos.
Terbija disprosija feromagnetostriktīvais sakausējums
20. gadsimta beigās, padziļinoties pasaules zinātniskajai un tehnoloģiskajai revolūcijai, strauji parādījās jauni retzemju lietišķās materiāli. 1984. gadā Amerikas Savienoto Valstu Aiovas štata universitāte, Amerikas Savienoto Valstu Enerģētikas departamenta Eimsa laboratorija un ASV Jūras spēku virszemes ieroču pētniecības centrs (no šī centra nāca vēlāk izveidotās American Edge Technology Company (ET REMA) galvenais personāls) kopīgi izstrādāja jaunu retzemju viedmateriālu, proti, terbija disprosija dzelzs giganta magnetostriktīvo materiālu. Šim jaunajam viedmateriālam piemīt izcilas īpašības, ātri pārveidojot elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā. No šī milzu magnetostriktīvā materiāla izgatavotie zemūdens un elektroakustiskie pārveidotāji ir veiksmīgi konfigurēti jūras aprīkojumā, naftas urbumu noteikšanas skaļruņos, trokšņu un vibrācijas kontroles sistēmās, kā arī okeāna izpētes un pazemes sakaru sistēmās. Tāpēc, tiklīdz radās terbija disprosija dzelzs giganta magnetostriktīvais materiāls, tas saņēma plašu uzmanību industrializētajās valstīs visā pasaulē. ASV uzņēmums Edge Technologies sāka ražot terbija disprosija dzelzs giganta magnetostriktīvos materiālus 1989. gadā un nosauca tos par Terfenol D. Pēc tam arī Zviedrija, Japāna, Krievija, Apvienotā Karaliste un Austrālija izstrādāja terbija disprosija dzelzs giganta magnetostriktīvos materiālus.
No šī materiāla attīstības vēstures Amerikas Savienotajās Valstīs gan materiāla izgudrošana, gan tā agrīnie monopolistiskie pielietojumi ir tieši saistīti ar militāro rūpniecību (piemēram, jūras spēkiem). Lai gan Ķīnas militārie un aizsardzības departamenti pakāpeniski nostiprina savu izpratni par šo materiālu. Tomēr pēc tam, kad Ķīnas visaptverošā nacionālā vara būs ievērojami palielinājusies, prasības militārās konkurētspējas stratēģijas īstenošanai 21. gadsimtā un aprīkojuma līmeņa uzlabošanai noteikti būs ļoti steidzamas. Tāpēc terbija disprozija dzelzs giganta magnetostriktīvo materiālu plaša izmantošana militārajos un valsts aizsardzības departamentos būs vēsturiska nepieciešamība.
Īsāk sakot, terbija daudzās lieliskās īpašības padara to par neaizstājamu daudzu funkcionālu materiālu sastāvdaļu un neaizstājamu pozīciju dažās pielietojuma jomās. Tomēr terbija augstās cenas dēļ cilvēki ir pētījuši, kā izvairīties no terbija izmantošanas un samazināt to, lai samazinātu ražošanas izmaksas. Piemēram, retzemju magnetooptiskajos materiālos pēc iespējas vairāk jāizmanto arī lēts disprozija dzelzs kobalts vai gadolīnija terbija kobalts; jācenšas samazināt terbija saturu izmantojamajā zaļajā fluorescējošajā pulverī. Cena ir kļuvusi par svarīgu faktoru, kas ierobežo terbija plašu izmantošanu. Tomēr daudzi funkcionālie materiāli nevar iztikt bez tā, tāpēc mums jāievēro princips "izmantot labu tēraudu uz asmens" un jācenšas pēc iespējas vairāk ietaupīt terbija izmantošanu.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 5. jūlijs