Тэрбійналежыць да катэгорыі цяжкіхрэдказямельныя элементы, з нізкай распаўсюджанасцю ў зямной кары — усяго 1,1 праміле. Аксід тэрбія складае менш за 0,01% ад агульнай колькасці рэдказямельных элементаў. Нават у цяжкіх рэдказямельных рудах з высокім утрыманнем ітрыю і найбольшым утрыманнем тэрбія ўтрыманне тэрбія складае толькі 1,1-1,2% ад агульнай колькасці рэдказямельных элементаў, што сведчыць аб тым, што ён належыць да катэгорыі «высакародных» рэдказямельных элементаў. На працягу больш чым 100 гадоў з моманту адкрыцця тэрбія ў 1843 годзе яго дэфіцыт і каштоўнасць доўгі час перашкаджалі яго практычнаму прымяненню. Толькі ў апошнія 30 гадоў тэрбій прадэманстраваў свой унікальны талент.
Адкрыццё гісторыі
Шведскі хімік Карл Густаў Мосандэр адкрыў тэрбій у 1843 годзе. Ён знайшоў яго прымешкі ўАксід ітрыя(III)іY2O3Ітрый названы ў гонар вёскі Ітэрбю ў Швецыі. Да з'яўлення тэхналогіі іённага абмену тэрбій не вылучалі ў чыстым выглядзе.
Мосант першым падзяліў аксід ітрыю(III) на тры часткі, названыя ў гонар руд: аксід ітрыю(III),Аксід эрбія(III), і аксід тэрбію. Аксід тэрбію першапачаткова складаўся з ружовай часткі, з-за элемента, які цяпер вядомы як эрбій. «Аксід эрбію (III)» (у тым ліку тое, што мы цяпер называем тэрбіем) першапачаткова быў практычна бясколернай часткай раствора. Нерастваральны аксід гэтага элемента лічыцца карычневым.
Пазнейшыя рабочыя ледзь маглі назіраць малюсенькі бясколерны «аксід эрбія(III)», але растваральную ружовую частку нельга было ігнараваць. Спрэчкі аб існаванні аксіду эрбія(III) узнікалі неаднаразова. У хаосе першапачатковая назва была адменена, і абмен назвамі затрымаўся, таму ружовая частка ў рэшце рэшт згадвалася як раствор, які змяшчае эрбій (у растворы яна была ружовай). Цяпер лічыцца, што рабочыя, якія выкарыстоўваюць бісульфат натрыю або сульфат калію, прымаюцьАксід цэрыя(IV)з аксіду ітрыю(III) і міжволі ператвараць тэрбій у асадак, які змяшчае цэрый. Толькі каля 1% зыходнага аксіду ітрыю(III), цяпер вядомага як «тэрбій», дастаткова, каб аксід ітрыю(III) набыў жаўтлявы колер. Такім чынам, тэрбій з'яўляецца другасным кампанентам, які першапачаткова ўтрымліваў яго, і ён кантралюецца сваімі непасрэднымі суседзямі, гадалініем і дыспразіем.
Пасля, калі з гэтай сумесі аддзялялі іншыя рэдказямельныя элементы, незалежна ад долі аксіду, назва тэрбій захоўвалася, пакуль, нарэшце, карычневы аксід тэрбія не быў атрыманы ў чыстым выглядзе. Даследчыкі ў XIX стагоддзі не выкарыстоўвалі тэхналогію ультрафіялетавай флуарэсцэнцыі для назірання ярка-жоўтых або зялёных вузельчыкаў (III), што спрашчала распазнаванне тэрбія ў цвёрдых сумесях або растворах.
Электронная канфігурацыя
Электронная канфігурацыя:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Электронная канфігурацыя тэрбія — [Xe] 6s24f9. Звычайна можна выдаліць толькі тры электроны, перш чым зарад ядра стане занадта вялікім для далейшай іянізацыяй, але ў выпадку тэрбія напаўзапоўнены тэрбій дазваляе далейшай іянізацыі чацвёртага электрона ў прысутнасці вельмі моцных акісляльнікаў, такіх як газападобны фтор.
Тэрбій — гэта серабрыста-белы рэдказямельны метал, які валодае пластычнасцю, трываласцю і мяккасцю, і яго можна рэзаць нажом. Тэмпература плаўлення 1360 ℃, тэмпература кіпення 3123 ℃, шчыльнасць 8229,4 кг/м3. У параўнанні з раннімі лантанідамі ён адносна ўстойлівы на паветры. Як дзевяты элемент лантанідаў, тэрбій — гэта метал з моцнай электрычнасцю. Ён рэагуе з вадой з утварэннем вадароду.
У прыродзе тэрбій ніколі не сустракаўся ў выглядзе свабоднага элемента, невялікая колькасць якога прысутнічае ў фосфацэрыевым торыевым пяску і гадалініце. Тэрбій суіснуе з іншымі рэдказямельнымі элементамі ў манацытавым пяску, звычайна з утрыманнем тэрбія 0,03%. Іншымі крыніцамі з'яўляюцца ксенатым і чорныя рэдказямельныя руды, якія ўяўляюць сабой сумесь аксідаў і ўтрымліваюць да 1% тэрбія.
Прыкладанне
Ужыванне тэрбію ў асноўным тычыцца высокатэхналагічных галін, якія з'яўляюцца тэхналагічнымі і навукаёмістымі перадавымі праектамі, а таксама праектамі са значнымі эканамічнымі выгадамі і прывабнымі перспектывамі развіцця.
Асноўныя сферы прымянення ўключаюць:
(1) Выкарыстоўваецца ў выглядзе змешаных рэдказямельных элементаў. Напрыклад, выкарыстоўваецца ў якасці складанага ўгнаення і кармавой дабаўкі на аснове рэдказямельных элементаў для сельскай гаспадаркі.
(2) Актыватар для зялёнага парашка ў трох асноўных флуарэсцэнтных парашках. Сучасныя оптаэлектронныя матэрыялы патрабуюць выкарыстання трох асноўных колераў люмінафораў, а менавіта чырвонага, зялёнага і сіняга, якія можна выкарыстоўваць для сінтэзу розных колераў. А тэрбій з'яўляецца незаменным кампанентам многіх высакаякасных зялёных флуарэсцэнтных парашкоў.
(3) Выкарыстоўваецца ў якасці магнітааптычнага назапашвальнага матэрыялу. Тонкія плёнкі аморфнага металу і пераходнага металу тэрбій выкарыстоўваюцца для вырабу высокапрадукцыйных магнітааптычных дыскаў.
(4) Вытворчасць магнітааптычнага шкла. Фарадэеўскае круцільнае шкло, якое змяшчае тэрбій, з'яўляецца ключавым матэрыялам для вырабу круцільнікаў, ізалятараў і цыркулятараў у лазерных тэхналогіях.
(5) Распрацоўка і ўкараненне ферамагнетастрыкцыйнага сплаву тэрбію дыспразію (TerFenol) адкрыла новыя магчымасці прымянення тэрбію.
Для сельскай гаспадаркі і жывёлагадоўлі
Рэдказямельны тэрбій можа палепшыць якасць сельскагаспадарчых культур і павялічыць хуткасць фотасінтэзу ў пэўным дыяпазоне канцэнтрацый. Комплексы тэрбію валодаюць высокай біялагічнай актыўнасцю. Трайныя комплексы тэрбію, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, валодаюць добрым антыбактэрыйным і бактэрыцыдным дзеяннем на залацісты стафілакок, субтылісную бацылу і кішачную палачку. Яны маюць шырокі антыбактэрыйны спектр. Вывучэнне такіх комплексаў адкрывае новы кірунак даследаванняў для сучасных бактэрыцыдных прэпаратаў.
Выкарыстоўваецца ў галіне люмінесцэнцыі
Сучасныя оптаэлектронныя матэрыялы патрабуюць выкарыстання трох асноўных колераў люмінафораў, а менавіта чырвонага, зялёнага і сіняга, якія можна выкарыстоўваць для сінтэзу розных колераў. А тэрбій з'яўляецца незаменным кампанентам многіх высакаякасных зялёных люмінесцэнтных парашкоў. Калі з'яўленне чырвонага люмінесцэнтнага парашка для каляровых тэлевізараў стымулявала попыт на ітрый і еўропій, то прымяненне і развіццё тэрбія былі спрыяльныя дзякуючы трох асноўным колерам рэдказямельнага зялёнага люмінесцэнтнага парашка для лямпаў. У пачатку 1980-х гадоў кампанія Philips вынайшла першую ў свеце кампактную энергазберагальную люмінесцэнтную лямпу і хутка папулярызавала яе ва ўсім свеце. Іоны Tb3+ могуць выпраменьваць зялёнае святло з даўжынёй хвалі 545 нм, і амаль усе зялёныя люмінафоры выкарыстоўваюць тэрбій у якасці актыватара.
Зялёны люмінафор для каляровых тэлевізараў з электронна-прамянёвай трубкай (ЭЛТ) заўсёды выкарыстоўваўся на аснове сульфіду цынку, які з'яўляецца танным і эфектыўным, але парашок тэрбію заўсёды выкарыстоўваўся ў якасці зялёнага люмінафора для праекцыйных каляровых тэлевізараў, у тым ліку Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ і LaOBr ∶ Tb3+. З развіццём шырокаэкранных тэлевізій высокай выразнасці (HDTV) таксама распрацоўваюцца высокаэфектыўныя зялёныя люмінафорныя парашкі для ЭЛТ. Напрыклад, за мяжой быў распрацаваны гібрыдны зялёны люмінафорны парашок, які складаецца з Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ і Y2SiO5: Tb3+, якія маюць выдатную эфектыўнасць люмінесцэнцыі пры высокай шчыльнасці току.
Традыцыйным рэнтгенафлуарэсцэнтным парашком з'яўляецца вальфрамат кальцыя. У 1970-х і 1980-х гадах былі распрацаваны рэдказямельныя люмінафоры для ўзмацняльных экранаў, такія як аксід лантана, актываваны тэрбіем, аксід лантана, актываваны тэрбіем (для зялёных экранаў), аксід ітрыя(III) з актываванай тэрбіем і г.д. У параўнанні з вальфраматам кальцыя, рэдказямельны флуарэсцэнтны парашок можа скараціць час рэнтгенаўскага апрамянення пацыентаў на 80%, палепшыць раздзяляльную здольнасць рэнтгенаўскіх плёнак, падоўжыць тэрмін службы рэнтгенаўскіх трубак і знізіць спажыванне энергіі. Тэрбій таксама выкарыстоўваецца ў якасці актыватара флуарэсцэнтнага парашка для медыцынскіх экранаў для ўзмацнення рэнтгенаўскага выпраменьвання, што можа значна палепшыць адчувальнасць пераўтварэння рэнтгенаўскіх выпраменьванняў у аптычныя выявы, палепшыць выразнасць рэнтгенаўскіх плёнак і значна знізіць дозу ўздзеяння рэнтгенаўскіх выпраменьванняў на арганізм чалавека (больш чым на 50%).
Тэрбій таксама выкарыстоўваецца ў якасці актыватара ў белым святлодыёдным люмінафоры, які ўзбуджаецца сінім святлом, для новых паўправадніковых асвятляльных прыбораў. Яго можна выкарыстоўваць для вытворчасці тэрбіевых алюмініевых магнетааптычных крыштальных люмінафораў, выкарыстоўваючы сінія святлодыёды ў якасці крыніц узбуджальнага святла, і генераваная флуарэсцэнцыя змешваецца з узбуджальным святлом для атрымання чыстага белага святла.
Электралюмінесцэнтныя матэрыялы з тэрбію ў асноўным уключаюць зялёны люмінафор цынку з тэрбіем у якасці актыватара. Пад уздзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання арганічныя комплексы тэрбію могуць выпраменьваць моцную зялёную флуарэсцэнцыю і могуць выкарыстоўвацца ў якасці тонкаплёнкавых электралюмінесцэнтных матэрыялаў. Нягледзячы на значны прагрэс у вывучэнні тонкіх электралюмінесцэнтных плёнак на аснове рэдказямельных арганічных комплексаў, усё яшчэ існуе пэўны разрыў з практычным прымяненнем, і даследаванні тонкіх электралюмінесцэнтных плёнак і прылад на аснове рэдказямельных арганічных комплексаў усё яшчэ глыбокія.
Флуарэсцэнтныя характарыстыкі тэрбію таксама выкарыстоўваюцца ў якасці флуарэсцэнтных зондаў. Напрыклад, флуарэсцэнтны зонд афлаксацыну тэрбію (Tb3+) быў выкарыстаны для вывучэння ўзаемадзеяння паміж комплексам афлаксацыну тэрбію (Tb3+) і ДНК (ДНК) з дапамогай спектру флуарэсцэнцыі і спектру паглынання, што паказвае, што зонд афлаксацыну Tb3+ можа ўтвараць канаўку звязвання з малекуламі ДНК, і ДНК можа значна ўзмацняць флуарэсцэнцыю сістэмы афлаксацыну Tb3+. На падставе гэтага змянення можна вызначыць ДНК.
Для магнітааптычных матэрыялаў
Матэрыялы з эфектам Фарадэя, таксама вядомыя як магнітааптычныя матэрыялы, шырока выкарыстоўваюцца ў лазерах і іншых аптычных прыладах. Існуюць два распаўсюджаныя тыпы магнітааптычных матэрыялаў: магнітааптычныя крышталі і магнітааптычнае шкло. Сярод іх магнітааптычныя крышталі (напрыклад, ітрыевы жалезны гранат і тэрбіевы галіевы гранат) маюць перавагі рэгуляванай працоўнай частаты і высокай тэрмічнай стабільнасці, але яны дарагія і складаныя ў вытворчасці. Акрамя таго, многія магнітааптычныя крышталі з высокім вуглом павароту Фарадэя маюць высокае паглынанне ў дыяпазоне кароткіх хваль, што абмяжоўвае іх выкарыстанне. У параўнанні з магнітааптычнымі крышталямі, магнітааптычнае шкло мае перавагу высокай прапускальнасці і лёгка ператвараецца ў вялікія блокі або валокны. У цяперашні час магнітааптычныя шкла з высокім эфектам Фарадэя ў асноўным уяўляюць сабой шкло, легаванае іонамі рэдказямельных элементаў.
Выкарыстоўваецца для магнітааптычных назапашвальнікаў
У апошнія гады, з хуткім развіццём мультымедыя і офіснай аўтаматызацыі, попыт на новыя магнітныя дыскі высокай ёмістасці расце. Плёнкі з аморфных сплаваў пераходных металаў і тэрбію выкарыстоўваюцца для вырабу высокапрадукцыйных магнітааптычных дыскаў. Сярод іх тонкая плёнка са сплаву TbFeCo мае найлепшыя характарыстыкі. Магнітааптычныя матэрыялы на аснове тэрбію вырабляюцца ў вялікіх маштабах, і магнітааптычныя дыскі, вырабленыя з іх, выкарыстоўваюцца ў якасці кампанентаў камп'ютэрных назапашвальнікаў, прычым ёмістасць захоўвання павялічваецца ў 10-15 разоў. Яны маюць перавагі вялікай ёмістасці і хуткасці доступу, а таксама могуць быць праціраны і пакрытыя дзесяткі тысяч разоў пры выкарыстанні для аптычных дыскаў высокай шчыльнасці. Яны з'яўляюцца важнымі матэрыяламі ў тэхналогіі электроннай захоўвання інфармацыі. Найбольш распаўсюджаным магнітааптычным матэрыялам у бачным і блізкім інфрачырвоным дыяпазонах з'яўляецца монакрышталь тэрбіевага галіевага граната (TGG), які з'яўляецца найлепшым магнітааптычным матэрыялам для вырабу рататараў і ізалятараў Фарадэя.
Для магнітааптычнага шкла
Магнетааптычнае шкло Фарадэя мае добрую празрыстасць і ізатрапію ў бачным і інфрачырвоным дыяпазонах і можа набываць розныя складаныя формы. З яго лёгка вырабляць вырабы вялікіх памераў, і яго можна выцягваць у аптычныя валокны. Такім чынам, яно мае шырокія перспектывы прымянення ў магнітааптычных прыладах, такіх як магнітааптычныя ізалятары, магнітааптычныя мадулятары і валаконна-аптычныя датчыкі току. Дзякуючы вялікаму магнітнаму моманту і малому каэфіцыенту паглынання ў бачным і інфрачырвоным дыяпазонах, іёны Tb3+ сталі шырока выкарыстоўванымі рэдказямельнымі іёнамі ў магнітааптычным шкле.
Ферамагнетастрыкцыйны сплаў тэрбія і дыспразію
У канцы 20-га стагоддзя, з паглыбленнем сусветнай навукова-тэхнічнай рэвалюцыі, хутка з'яўляюцца новыя прыкладныя матэрыялы на аснове рэдказямельных элементаў. У 1984 годзе Універсітэт штата Аёва, ЗША, Лабараторыя Эймса Міністэрства энергетыкі ЗША і Даследчы цэнтр надводнай зброі ВМС ЗША (асноўны персанал пазней створанай кампаніі American Edge Technology Company (ET REMA) паходзіў з цэнтра) сумесна распрацавалі новы разумны матэрыял на аснове рэдказямельных элементаў, а менавіта гіганцкі магнітастрыкцыйны матэрыял на аснове тэрбію дыспразію і жалеза. Гэты новы разумны матэрыял валодае выдатнымі характарыстыкамі хуткага пераўтварэння электрычнай энергіі ў механічную. Падводныя і электраакустычныя пераўтваральнікі, вырабленыя з гэтага гіганцкага магнітастрыкцыйнага матэрыялу, былі паспяхова сканфігураваны ў ваенна-марскім абсталяванні, дынаміках для выяўлення нафтавых свідравін, сістэмах кантролю шуму і вібрацыі, а таксама ў сістэмах даследавання акіяна і падземнай сувязі. Такім чынам, як толькі з'явіўся гіганцкі магнітастрыкцыйны матэрыял на аснове тэрбію дыспразію і жалеза, ён прыцягнуў шырокую ўвагу прамыслова развітых краін па ўсім свеце. Кампанія Edge Technologies у ЗША пачала вытворчасць гіганцкіх магнітастрыкцыйных матэрыялаў на аснове тэрбію і дыспразію ў 1989 годзе і назвала іх Terfenol D. Пасля гэтага Швецыя, Японія, Расія, Вялікабрытанія і Аўстралія таксама распрацавалі гіганцкія магнітастрыкцыйныя матэрыялы на аснове тэрбію і дыспразію.
З гісторыі распрацоўкі гэтага матэрыялу ў Злучаных Штатах відаць, што як вынаходніцтва гэтага матэрыялу, так і яго ранняе манапалістычнае прымяненне непасрэдна звязаны з ваеннай прамысловасцю (напрыклад, флотам). Нягледзячы на тое, што ваенныя і абаронныя ведамствы Кітая паступова ўмацоўваюць сваё разуменне гэтага матэрыялу. Аднак пасля значнага павелічэння ўсеагульнай нацыянальнай моцы Кітая патрабаванні да рэалізацыі ваеннай канкурэнтнай стратэгіі ў 21 стагоддзі і павышэння ўзроўню абсталявання, безумоўна, будуць вельмі актуальнымі. Такім чынам, шырокае выкарыстанне гіганцкіх магнітастрыкцыйных матэрыялаў на аснове тэрбію дыспразію і жалеза ваеннымі і нацыянальнымі абароннымі ведамствамі будзе гістарычнай неабходнасцю.
Карацей кажучы, шматлікія выдатныя ўласцівасці тэрбію робяць яго незаменным кампанентам многіх функцыянальных матэрыялаў і займаюць незаменнае месца ў некаторых галінах прымянення. Аднак з-за высокай цаны на тэрбій людзі вывучаюць, як пазбегнуць і мінімізаваць выкарыстанне тэрбію, каб знізіць вытворчыя выдаткі. Напрыклад, у рэдказямельных магнітааптычных матэрыялах таксама варта выкарыстоўваць як мага больш танны дыспразій-жалезны кобальт або гадаліній-тэрбій-кобальт; паспрабуйце знізіць утрыманне тэрбію ў зялёным флуарэсцэнтным парашку, які неабходна выкарыстоўваць. Кошт стаў важным фактарам, які абмяжоўвае шырокае выкарыстанне тэрбію. Але многія функцыянальныя матэрыялы не могуць абысціся без яго, таму мы павінны прытрымлівацца прынцыпу «выкарыстоўваць добрую сталь для ляза» і паспрабаваць максімальна зэканоміць выкарыстанне тэрбію.
Час публікацыі: 05 ліпеня 2023 г.