Terbipertany a la categoria de pesatsterres rares, amb una baixa abundància a l'escorça terrestre de només 1,1 ppm. L'òxid de terbi representa menys del 0,01% del total de terres rares. Fins i tot en el mineral de terres rares pesades de tipus alt en ions d'itri amb el contingut més alt de terbi, el contingut de terbi només representa l'1,1-1,2% del total de terres rares, cosa que indica que pertany a la categoria "noble" d'elements de terres rares. Durant més de 100 anys des del descobriment del terbi el 1843, la seva escassetat i valor han impedit la seva aplicació pràctica durant molt de temps. Només en els darrers 30 anys el terbi ha demostrat el seu talent únic.
Descobrint la història
El químic suec Carl Gustaf Mosander va descobrir el terbi el 1843. Va trobar les seves impureses enÒxid d'itri(III)iY2O3L'itri rep el nom del poble d'Ytterby a Suècia. Abans de l'aparició de la tecnologia d'intercanvi iònic, el terbi no s'aïllava en la seva forma pura.
Mosant va dividir primer l'òxid d'itri(III) en tres parts, totes anomenades segons minerals: òxid d'itri(III),Òxid d'erbi(III)i òxid de terbi. L'òxid de terbi estava compost originalment d'una part rosa, a causa de l'element que ara es coneix com a erbi. L'"òxid d'erbi(III)" (inclòs el que ara anomenem terbi) era originalment la part essencialment incolora de la solució. L'òxid insoluble d'aquest element es considera marró.
Posteriorment, els treballadors amb prou feines van poder observar el petit i incolor "òxid d'erbi(III)", però la part rosa soluble no es va poder ignorar. Els debats sobre l'existència de l'òxid d'erbi(III) han sorgit repetidament. Enmig del caos, el nom original es va invertir i l'intercanvi de noms es va bloquejar, de manera que la part rosa finalment es va esmentar com una solució que contenia erbi (a la solució, era rosa). Ara es creu que els treballadors que utilitzen bisulfat de sodi o sulfat de potassi prenenÒxid de ceri(IV)a partir d'òxid d'itri(III) i convertir involuntàriament el terbi en un sediment que conté ceri. Només aproximadament l'1% de l'òxid d'itri(III) original, ara conegut com a "terbi", és suficient per passar un color groguenc a l'òxid d'itri(III). Per tant, el terbi és un component secundari que inicialment el contenia, i està controlat pels seus veïns immediats, el gadolini i el disprosi.
Després, sempre que es separaven altres elements de terres rares d'aquesta mescla, independentment de la proporció de l'òxid, es conservava el nom de terbi fins que finalment es va obtenir l'òxid marró de terbi en forma pura. Els investigadors del segle XIX no utilitzaven la tecnologia de fluorescència ultraviolada per observar nòduls (III) de color groc o verd brillant, cosa que facilitava el reconeixement del terbi en mescles o solucions sòlides.
configuració electrònica
Configuració electrònica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La configuració electrònica del terbi és [Xe] 6s24f9. Normalment, només es poden eliminar tres electrons abans que la càrrega nuclear esdevingui massa gran per ser ionitzada encara més, però en el cas del terbi, el terbi semiomplert permet que el quart electró s'ionitzi encara més en presència d'oxidants molt forts com el gas fluor.
El terbi és un metall de terres rares de color blanc platejat amb ductilitat, tenacitat i suavitat que es pot tallar amb un ganivet. Punt de fusió 1360 ℃, punt d'ebullició 3123 ℃, densitat 8229 4 kg/m3. En comparació amb el lantànid primitiu, és relativament estable a l'aire. Com a novè element dels lantànids, el terbi és un metall amb una forta electricitat. Reacciona amb l'aigua per formar hidrogen.
A la natura, el terbi mai s'ha trobat com a element lliure, i n'hi ha una petita quantitat a la sorra de fosfoceri, tori i gadolinita. El terbi coexisteix amb altres elements de terres rares a la sorra de monazita, amb un contingut de terbi generalment del 0,03%. Altres fonts són la xenotima i els minerals d'or negre rar, tots dos són mescles d'òxids i contenen fins a un 1% de terbi.
Aplicació
L'aplicació del terbi implica principalment camps d'alta tecnologia, que són projectes d'avantguarda intensius en tecnologia i coneixement, així com projectes amb beneficis econòmics significatius, amb perspectives de desenvolupament atractives.
Les principals àrees d'aplicació inclouen:
(1) Utilitzat en forma de terres rares barrejades. Per exemple, s'utilitza com a fertilitzant compost de terres rares i additiu per a pinsos per a l'agricultura.
(2) Activador de pols verda en tres pols fluorescents primàries. Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfor, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. I el terbi és un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat.
(3) S'utilitza com a material d'emmagatzematge magnetoòptic. S'han utilitzat pel·lícules primes d'aliatge metàl·lic de transició de terbi i metall amorf per fabricar discs magnetoòptics d'alt rendiment.
(4) Fabricació de vidre magnetoòptic. El vidre rotatori de Faraday que conté terbi és un material clau per a la fabricació de rotadors, aïllants i circuladors en tecnologia làser.
(5) El desenvolupament i la capacitació de l'aliatge ferromagnetoestrictiu de terbi-disprosi (TerFenol) ha obert noves aplicacions per al terbi.
Per a l'agricultura i la ramaderia
El terbi de terres rares pot millorar la qualitat dels cultius i augmentar la taxa de fotosíntesi dins d'un cert rang de concentració. Els complexos de terbi tenen una alta activitat biològica. Els complexos ternaris de terbi, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, tenen bons efectes antibacterians i bactericides sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli. Tenen un ampli espectre antibacterià. L'estudi d'aquests complexos proporciona una nova direcció de recerca per als fàrmacs bactericides moderns.
S'utilitza en el camp de la luminescència
Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfors, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. I el terbi és un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat. Si el naixement de la pols fluorescent vermella de terres rares per a televisió en color ha estimulat la demanda d'itri i europi, l'aplicació i el desenvolupament del terbi s'han promogut mitjançant la pols fluorescent verda de tres colors primaris de terres rares per a làmpades. A principis dels anys vuitanta, Philips va inventar la primera làmpada fluorescent compacta d'estalvi d'energia del món i la va promoure ràpidament a nivell mundial. Els ions Tb3+ poden emetre llum verda amb una longitud d'ona de 545 nm, i gairebé tots els fòsfors verds de terres rares utilitzen terbi com a activador.
El fòsfor verd per a tubs de raigs catòdics (CRT) de televisió en color sempre s'ha basat en sulfur de zinc, que és barat i eficient, però la pols de terbi sempre s'ha utilitzat com a fòsfor verd per a la televisió en color de projecció, incloent-hi Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ i LaOBr ∶ Tb3+. Amb el desenvolupament de la televisió d'alta definició de pantalla gran (HDTV), també s'estan desenvolupant pols fluorescents verdes d'alt rendiment per a CRT. Per exemple, s'ha desenvolupat una pols fluorescent verda híbrida a l'estranger, que consisteix en Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, que tenen una excel·lent eficiència de luminescència a alta densitat de corrent.
La pols fluorescent de raigs X tradicional és el tungstat de calci. A les dècades de 1970 i 1980, es van desenvolupar fòsfors de terres rares per a pantalles intensificadores, com ara sofre activat per terbi, òxid de lantà, brom activat per terbi, òxid de lantà (per a pantalles verdes), òxid d'itri(III) amb sofre activat per terbi, etc. En comparació amb el tungstat de calci, la pols fluorescent de terres rares pot reduir el temps d'irradiació de raigs X per als pacients en un 80%, millorar la resolució de les pel·lícules de raigs X, allargar la vida útil dels tubs de raigs X i reduir el consum d'energia. El terbi també s'utilitza com a activador de pols fluorescent per a pantalles de millora de raigs X mèdiques, cosa que pot millorar considerablement la sensibilitat de la conversió de raigs X en imatges òptiques, millorar la claredat de les pel·lícules de raigs X i reduir considerablement la dosi d'exposició als raigs X al cos humà (en més d'un 50%).
El terbi també s'utilitza com a activador en el fòsfor LED blanc excitat per llum blava per a la nova il·luminació de semiconductors. Es pot utilitzar per produir fòsfors de cristall òptic magnetoelèctric d'alumini i terbi, utilitzant díodes emissors de llum blava com a fonts de llum d'excitació, i la fluorescència generada es barreja amb la llum d'excitació per produir llum blanca pura.
Els materials electroluminescents fets de terbi inclouen principalment fòsfor verd de sulfur de zinc amb terbi com a activador. Sota irradiació ultraviolada, els complexos orgànics de terbi poden emetre una forta fluorescència verda i es poden utilitzar com a materials electroluminescents de pel·lícula fina. Tot i que s'han fet progressos significatius en l'estudi de pel·lícules primes electroluminescents de complexos orgànics de terres rares, encara hi ha una certa bretxa respecte a la practicitat, i la investigació sobre pel·lícules primes electroluminescents de complexos orgànics de terres rares i dispositius encara està en profunditat.
Les característiques de fluorescència del terbi també s'utilitzen com a sondes de fluorescència. Per exemple, la sonda de fluorescència d'ofloxacina terbi (Tb3+) es va utilitzar per estudiar la interacció entre el complex d'ofloxacina terbi (Tb3+) i l'ADN (ADN) mitjançant l'espectre de fluorescència i l'espectre d'absorció, cosa que indica que la sonda d'ofloxacina Tb3+ pot formar un solc d'unió amb les molècules d'ADN, i l'ADN pot augmentar significativament la fluorescència del sistema d'ofloxacina Tb3+. A partir d'aquest canvi, es pot determinar l'ADN.
Per a materials magnetoòptics
Els materials amb efecte Faraday, també coneguts com a materials magnetoòptics, s'utilitzen àmpliament en làsers i altres dispositius òptics. Hi ha dos tipus comuns de materials magnetoòptics: cristalls magnetoòptics i vidre magnetoòptic. Entre ells, els cristalls magnetoòptics (com el granat de ferro i itri i el granat de gal·li i terbi) tenen els avantatges d'una freqüència de funcionament ajustable i una alta estabilitat tèrmica, però són cars i difícils de fabricar. A més, molts cristalls magnetoòptics amb un angle de rotació de Faraday elevat tenen una alta absorció en el rang d'ona curta, cosa que limita el seu ús. En comparació amb els cristalls magnetoòptics, el vidre magnetoòptic té l'avantatge d'una alta transmitància i és fàcil de convertir en blocs o fibres grans. Actualment, els vidres magnetoòptics amb un alt efecte Faraday són principalment vidres dopats amb ions de terres rares.
S'utilitza per a materials d'emmagatzematge magnetoòptic
En els darrers anys, amb el ràpid desenvolupament de la multimèdia i l'automatització d'oficina, la demanda de nous discs magnètics d'alta capacitat ha anat augmentant. S'han utilitzat pel·lícules d'aliatge metàl·lic de transició de terbi amorf per fabricar discs magnetoòptics d'alt rendiment. Entre elles, la pel·lícula fina d'aliatge TbFeCo té el millor rendiment. S'han produït materials magnetoòptics basats en terbi a gran escala, i els discs magnetoòptics fets amb ells s'utilitzen com a components d'emmagatzematge informàtic, amb una capacitat d'emmagatzematge que augmenta entre 10 i 15 vegades. Tenen els avantatges d'una gran capacitat i una velocitat d'accés ràpida, i es poden netejar i recobrir desenes de milers de vegades quan s'utilitzen per a discs òptics d'alta densitat. Són materials importants en la tecnologia d'emmagatzematge d'informació electrònica. El material magnetoòptic més utilitzat en les bandes visible i infraroja propera és el monocristall de granat de terbi i gal·li (TGG), que és el millor material magnetoòptic per fabricar rotadors i aïllants de Faraday.
Per a vidre magnetoòptic
El vidre magnetoòptic de Faraday té bona transparència i isotropia a les regions visible i infraroja, i pot formar diverses formes complexes. És fàcil de produir productes de grans dimensions i es pot estirar en fibres òptiques. Per tant, té àmplies perspectives d'aplicació en dispositius magnetoòptics com ara aïllants magnetoòptics, moduladors magnetoòptics i sensors de corrent de fibra òptica. A causa del seu gran moment magnètic i petit coeficient d'absorció en el rang visible i infraroig, els ions Tb3+ s'han convertit en ions de terres rares d'ús comú en vidres magnetoòptics.
Aliatge ferromagnetostrictiu de terbi i disprosi
A finals del segle XX, amb l'aprofundiment de la revolució científica i tecnològica mundial, nous materials aplicats de terres rares estan sorgint ràpidament. El 1984, la Universitat Estatal d'Iowa dels Estats Units, el Laboratori Ames del Departament d'Energia dels Estats Units i el Centre de Recerca d'Armes de Superfície de la Marina dels Estats Units (el personal principal de la posteriorment establerta American Edge Technology Company (ET REMA) provenia del centre) van desenvolupar conjuntament un nou material intel·ligent de terres rares, concretament un material magnetostrictiu gegant de terbi disprosi ferro. Aquest nou material intel·ligent té les excel·lents característiques de convertir ràpidament l'energia elèctrica en energia mecànica. Els transductors subaquàtics i electroacústics fets d'aquest material magnetostrictiu gegant s'han configurat amb èxit en equips navals, altaveus de detecció de pous de petroli, sistemes de control de soroll i vibracions, i sistemes d'exploració oceànica i comunicació subterrània. Per tant, tan bon punt va néixer el material magnetostrictiu gegant de terbi disprosi ferro, va rebre una àmplia atenció dels països industrialitzats de tot el món. Edge Technologies als Estats Units va començar a produir materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro el 1989 i els va anomenar Terfenol D. Posteriorment, Suècia, Japó, Rússia, el Regne Unit i Austràlia també van desenvolupar materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro.
Des de la història del desenvolupament d'aquest material als Estats Units, tant la invenció del material com les seves primeres aplicacions monopolístiques estan directament relacionades amb la indústria militar (com ara la marina). Tot i que els departaments militars i de defensa de la Xina estan enfortint gradualment la seva comprensió d'aquest material. Tanmateix, després que el Poder Nacional Integral de la Xina hagi augmentat significativament, els requisits per a la realització de l'estratègia competitiva militar al segle XXI i la millora del nivell d'equipament seran sens dubte molt urgents. Per tant, l'ús generalitzat de materials magnetostrictius gegants de terbi disprosi ferro per part dels departaments militars i de defensa nacional serà una necessitat històrica.
En resum, les nombroses i excel·lents propietats del terbi el converteixen en un membre indispensable de molts materials funcionals i en una posició irreemplaçable en alguns camps d'aplicació. Tanmateix, a causa de l'alt preu del terbi, s'ha estat estudiant com evitar i minimitzar l'ús del terbi per tal de reduir els costos de producció. Per exemple, els materials magnetoòptics de terres rares també haurien d'utilitzar tant com sigui possible disprosi ferro cobalt o gadolini terbi cobalt de baix cost; Intenteu reduir el contingut de terbi a la pols fluorescent verda que s'ha d'utilitzar. El preu s'ha convertit en un factor important que restringeix l'ús generalitzat del terbi. Però molts materials funcionals no poden prescindir-ne, per la qual cosa hem de complir el principi d'"utilitzar bon acer a la fulla" i intentar estalviar l'ús del terbi tant com sigui possible.
Data de publicació: 05 de juliol de 2023