Elementi magjik i tokës së rrallë: Terbium

Terbiumi përket kategorisë së tokave të rralla të rënda, me një bollëk të ulët në koren e Tokës në vetëm 1.1 ppm.Oksidi i terbiumitpërbën më pak se 0.01% të totalit të tokave të rralla. Edhe në mineralin e rëndë të tokës së rrallë të tipit të jonit të lartë të itrit me përmbajtjen më të lartë të terbiumit, përmbajtja e terbiumit përbën vetëm 1,1-1,2% të totalit.tokë e rrallë, duke treguar se i përket kategorisë “fisnike” tëtokë e rrallëelementet. Për më shumë se 100 vjet që nga zbulimi i terbiumit në 1843, pamjaftueshmëria dhe vlera e tij kanë penguar zbatimin e tij praktik për një kohë të gjatë. Kjo është vetëm në 30 vitet e funditterbiumka treguar talentin e saj unik.

Zbulimi i Historisë

Kimisti suedez Carl Gustaf Mosander zbuloi terbiumin në 1843. Ai zbuloi papastërtitë e tij nëoksid ittriumidheY2O3. Itriummban emrin e fshatit Itby në Suedi. Para shfaqjes së teknologjisë së shkëmbimit të joneve, terbiumi nuk ishte i izoluar në formën e tij të pastër.

Mossander u nda fillimishtoksid ittriuminë tre pjesë, të gjitha të emërtuara sipas xeherorëve:oksid ittriumi, oksidi i erbiumit, dheoksid terbiumi. Oksidi i terbiumitfillimisht ishte i përbërë nga një pjesë rozë, për shkak të elementit të njohur tani sierbium. Oksidi i erbiumit(përfshirë atë që ne tani e quajmë terbium) fillimisht ishte një pjesë pa ngjyrë në tretësirë. Oksidi i pazgjidhshëm i këtij elementi konsiderohet kafe.

Punëtorët e mëvonshëm e patën të vështirë të vëzhgonin ato të vogla pa ngjyrë "oksidi i erbiumit“, por pjesa rozë e tretshme nuk mund të injorohet. Debati mbi ekzistencën eoksidi i erbiumitështë shfaqur në mënyrë të përsëritur. Në kaos, emri origjinal u përmbys dhe shkëmbimi i emrave u mbërthye, kështu që pjesa rozë u përmend përfundimisht si një tretësirë ​​që përmban erbium (në tretësirë ​​ishte rozë). Tani besohet se punëtorët që përdorin disulfid natriumi ose sulfat kaliumi për të hequr dioksidin e ceriumit ngaoksid ittriumikthehet pa dashjeterbiumnë precipitate që përmbajnë cerium. Aktualisht i njohur si 'terbium', vetëm rreth 1% e origjinalitoksid ittriumiështë e pranishme, por kjo është e mjaftueshme për të transmetuar një ngjyrë të verdhë të lehtëoksid ittriumi. Prandaj,terbiumështë një komponent dytësor që e përmbante fillimisht dhe kontrollohet nga fqinjët e tij të afërt,gadoliniumdhedysprosium.

Më pas, sa herë tjetërtokë e rrallëElementet u ndanë nga kjo përzierje, pavarësisht nga proporcioni i oksidit, emri i terbiumit u ruajt deri sa më në fund u shfaq oksidi kafe iterbiumështë marrë në formë të pastër. Studiuesit në shekullin e 19-të nuk përdorën teknologjinë e fluoreshencës ultravjollcë për të vëzhguar nyjet e verdha ose jeshile të ndezura (III), duke e bërë më të lehtë njohjen e terbiumit në përzierjet ose tretësirat e ngurta.

Konfigurimi i elektroneve

Paraqitja elektronike:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

Rregullimi elektronik iterbiumështë [Xe] 6s24f9. Normalisht, vetëm tre elektrone mund të hiqen përpara se ngarkesa bërthamore të bëhet shumë e madhe për t'u jonizuar më tej. Megjithatë, në rastin eterbium, gjysmë i mbushurterbiumlejon jonizimin e mëtejshëm të elektronit të katërt në prani të një oksiduesi shumë të fortë siç është gazi fluor.

Metal

Terbiumështë një metal i rrallë i bardhë argjendi me duktilitet, qëndrueshmëri dhe butësi që mund të pritet me thikë. Pika e shkrirjes 1360 ℃, pika e vlimit 3123 ℃, dendësia 8229 4 kg/m3. Krahasuar me elementët e hershëm të lantanidit, ai është relativisht i qëndrueshëm në ajër. Elementi i nëntë i elementeve të lantanidit, terbium, është një metal shumë i ngarkuar që reagon me ujin për të formuar gaz hidrogjeni.

Në natyrë,terbiumnuk është gjetur kurrë të jetë një element i lirë, i pranishëm në sasi të vogla në rërën e toriumit të ceriumit me fosfor dhe mineralin e ittriumit të beriliumit të silikonit.Terbiumbashkëjeton me elementë të tjerë të tokës të rrallë në rërën monazite, me një përmbajtje përgjithësisht 0,03% terbium. Burime të tjera përfshijnë fosfatin e ittriumit dhe arin e tokës së rrallë, që të dyja janë përzierje oksidesh që përmbajnë deri në 1% terbium.

Aplikimi

Aplikimi iterbiumpërfshin kryesisht fusha të teknologjisë së lartë, të cilat janë projekte të avancuara intensive teknologjike dhe intensive me njohuri, si dhe projekte me përfitime të konsiderueshme ekonomike, me perspektiva tërheqëse zhvillimi.

Fushat kryesore të aplikimit përfshijnë:

(1) Përdoret në formën e tokave të rralla të përziera. Për shembull, përdoret si pleh i përbërë nga toka të rralla dhe shtues ushqimor për bujqësi.

(2) Aktivizues për pluhur jeshil në tre pluhura fluoreshente primare. Materialet optoelektronike moderne kërkojnë përdorimin e tre ngjyrave bazë të fosforit, domethënë të kuqe, jeshile dhe blu, të cilat mund të përdoren për të sintetizuar ngjyra të ndryshme. Dheterbiumështë një komponent i domosdoshëm në shumë pluhura fluoreshente jeshile me cilësi të lartë.

(3) Përdoret si një material ruajtës magneto optik. Për prodhimin e disqeve magneto optike me performancë të lartë, janë përdorur filma të hollë aliazh metalik të tranzicionit terbium metalik amorf.

(4) Prodhimi i xhamit magneto optik. Xhami rrotullues Faraday që përmban terbium është një material kyç për prodhimin e rrotulluesve, izolatorëve dhe qarkulluesve në teknologjinë lazer.

(5) Zhvillimi dhe zhvillimi i aliazhit ferromagnetostriktive terbium dysprosium (TerFenol) ka hapur aplikime të reja për terbiumin.

Për bujqësi dhe blegtori

Tokë e rrallëterbiummund të përmirësojë cilësinë e të korrave dhe të rrisë shkallën e fotosintezës brenda një diapazoni të caktuar përqendrimi. Komplekset e terbiumit kanë aktivitet të lartë biologjik, dhe komplekset treshe tëterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, kanë efekte të mira antibakteriale dhe baktericid ndaj Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis dhe Escherichia coli, me veti antibakteriale me spektër të gjerë. Studimi i këtyre komplekseve ofron një drejtim të ri kërkimor për barnat moderne baktericid.

Përdoret në fushën e lumineshencës

Materialet optoelektronike moderne kërkojnë përdorimin e tre ngjyrave bazë të fosforit, domethënë të kuqe, jeshile dhe blu, të cilat mund të përdoren për të sintetizuar ngjyra të ndryshme. Dhe terbiumi është një komponent i domosdoshëm në shumë pluhura fluoreshente jeshile me cilësi të lartë. Nëse lindja e pluhurit fluoreshent të kuq të TV me ngjyra të rralla tokësore ka stimuluar kërkesën përittriumdheeuropium, pastaj aplikimi dhe zhvillimi i terbiumit janë promovuar nga pluhuri fluoreshent i gjelbër me tre ngjyra primare për llambat e tokës së rrallë. Në fillim të viteve 1980, Philips shpiku llambën e parë kompakte fluoreshente të kursimit të energjisë në botë dhe e promovoi shpejt atë globalisht. Jonet Tb3+ mund të lëshojnë dritë jeshile me një gjatësi vale prej 545 nm dhe pothuajse të gjitha pluhurat fluoreshente jeshile të tokës së rrallë përdorinterbium, si një aktivizues.

Pluhuri fluoreshent i gjelbër i përdorur për tubat e rrezeve katodë të TV me ngjyra (CRT) ka qenë gjithmonë i bazuar kryesisht në sulfid zinku të lirë dhe efikas, por pluhuri i terbiumit është përdorur gjithmonë si pluhur jeshil i TV me ngjyra projektimi, si Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ dhe LaOBr: Tb3+. Me zhvillimin e televizionit me ekran të madh me definicion të lartë (HDTV), po zhvillohen gjithashtu pluhura fluoreshente jeshile me performancë të lartë për CRT. Për shembull, një pluhur hibrid fluoreshent jeshil është zhvilluar jashtë vendit, i përbërë nga Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ dhe Y2SiO5: Tb3+, të cilat kanë efikasitet të shkëlqyer lumineshence në densitet të lartë të rrymës.

Pluhuri tradicional fluoreshent me rreze X është tungstat i kalciumit. Në vitet 1970 dhe 1980, u zhvilluan pluhurat fluoreshente të tokës së rrallë për ekranet sensibilizuese, si p.sh.terbiumoksid sulfid i lantanumit i aktivizuar, oksid bromidi i lantanumit i aktivizuar me terbium (për ekranet e gjelbra) dhe oksid sulfid i ytrit i aktivizuar me terbium. Krahasuar me tungstatin e kalciumit, pluhuri fluoreshent i tokës së rrallë mund të zvogëlojë kohën e rrezatimit me rreze X për pacientët me 80%, të përmirësojë rezolucionin e filmave me rreze X, të zgjasë jetëgjatësinë e tubave me rreze X dhe të zvogëlojë konsumin e energjisë. Terbiumi përdoret gjithashtu si një aktivizues pluhuri fluoreshent për ekranet mjekësore të përmirësimit të rrezeve X, i cili mund të përmirësojë ndjeshëm ndjeshmërinë e shndërrimit të rrezeve X në imazhe optike, të përmirësojë qartësinë e filmave me rreze X dhe të zvogëlojë shumë dozën e ekspozimit të X- rrezet në trupin e njeriut (me më shumë se 50%).

Terbiumpërdoret gjithashtu si një aktivizues në fosforin e bardhë LED të ngacmuar nga drita blu për ndriçimin e ri gjysmëpërçues. Mund të përdoret për të prodhuar fosfore kristal optike magneto alumini terbium, duke përdorur dioda që lëshojnë dritë blu si burime drite ngacmuese, dhe fluoreshenca e krijuar përzihet me dritën e ngacmimit për të prodhuar dritë të bardhë të pastër.

Materialet elektrolumineshente të bëra nga terbiumi kryesisht përfshijnë sulfid zinku pluhur fluoreshent jeshil meterbiumsi aktivizues. Nën rrezatimin ultravjollcë, komplekset organike të terbiumit mund të lëshojnë fluoreshencë të fortë jeshile dhe mund të përdoren si materiale elektrolumineshente me film të hollë. Edhe pse është bërë përparim i dukshëm në studimin etokë e rrallëfilma të hollë elektroluminescent kompleks organik, ka ende një hendek të caktuar nga praktika, dhe kërkimi mbi filmat dhe pajisjet e hollë elektrolumineshente komplekse organike të tokës së rrallë është ende i thellë.

Karakteristikat e fluoreshencës së terbiumit përdoren gjithashtu si sonda fluoreshence. Ndërveprimi midis kompleksit ofloxacin terbium (Tb3+) dhe acidit deoksiribonukleik (ADN) u studiua duke përdorur spektrat e fluoreshencës dhe absorbimit, siç është sonda e fluoreshencës së ofloxacin terbium (Tb3+). Rezultatet treguan se sonda ofloxacin Tb3+ mund të formojë një brazdë lidhëse me molekulat e ADN-së dhe acidi deoksiribonukleik mund të rrisë ndjeshëm fluoreshencën e sistemit ofloxacin Tb3+. Bazuar në këtë ndryshim, mund të përcaktohet acidi deoksiribonukleik.

Për materialet magneto optike

Materialet me efekt Faraday, të njohura edhe si materiale magneto-optike, përdoren gjerësisht në lazer dhe pajisje të tjera optike. Ekzistojnë dy lloje të zakonshme të materialeve magneto optike: kristalet magneto optike dhe xhami magneto optik. Midis tyre, kristalet magneto-optike (të tilla si granati i hekurit ittrium dhe granati galium terbium) kanë avantazhet e frekuencës së rregullueshme të funksionimit dhe stabilitetit të lartë termik, por ato janë të shtrenjta dhe të vështira për t'u prodhuar. Përveç kësaj, shumë kristale magneto-optike me kënde të larta rrotullimi Faraday kanë thithje të lartë në intervalin e valëve të shkurtra, gjë që kufizon përdorimin e tyre. Krahasuar me kristalet magneto optike, xhami magneto optik ka avantazhin e transmetimit të lartë dhe është i lehtë për t'u bërë blloqe ose fibra të mëdha. Aktualisht, syzet magneto-optike me efekt të lartë Faraday janë kryesisht gota të ndotura me jon të tokës së rrallë.

Përdoret për magazinimin e materialeve magneto optike

Vitet e fundit, me zhvillimin e shpejtë të multimedias dhe automatizimit të zyrave, kërkesa për disqe të rinj magnetikë me kapacitet të lartë është rritur. Për prodhimin e disqeve magneto optike me performancë të lartë, janë përdorur filma të hollë aliazh metalik të tranzicionit terbium metalik amorf. Midis tyre, filmi i hollë i aliazhit TbFeCo ka performancën më të mirë. Materialet magneto-optike me bazë terbiumi janë prodhuar në një shkallë të madhe, dhe disqet magneto-optike të prodhuara prej tyre përdoren si komponentë të ruajtjes së kompjuterit, me kapacitet ruajtjeje të rritur me 10-15 herë. Ata kanë avantazhet e kapacitetit të madh dhe shpejtësisë së shpejtë të aksesit, dhe mund të fshihen dhe të lyhen dhjetëra mijëra herë kur përdoren për disqe optike me densitet të lartë. Ato janë materiale të rëndësishme në teknologjinë e ruajtjes së informacionit elektronik. Materiali magneto-optik më i përdorur në brezat e dukshëm dhe afër infra të kuqe është një kristal Terbium Gallium Garnet (TGG), i cili është materiali magneto-optik më i mirë për të bërë rrotullues dhe izolues Faraday.

Për xhamin magneto optik

Xhami magneto optik Faraday ka transparencë dhe izotropi të mirë në rajonet e dukshme dhe infra të kuqe, dhe mund të formojë forma të ndryshme komplekse. Është e lehtë të prodhohen produkte me përmasa të mëdha dhe mund të tërhiqen në fibra optike. Prandaj, ai ka perspektiva të gjera aplikimi në pajisjet magneto optike siç janë izoluesit magneto optikë, modulatorët magneto optikë dhe sensorët e rrymës me fibra optike. Për shkak të momentit të madh magnetik dhe koeficientit të vogël të absorbimit në rrezen e dukshme dhe infra të kuqe, jonet Tb3+ janë bërë jonet e tokës të rralla të përdorura zakonisht në gotat magneto optike.

Lidhje feromagnetostriktive terbium dysprosium

Në fund të shekullit të 20-të, me thellimin e vazhdueshëm të revolucionit teknologjik botëror, materialet e reja të aplikimit për tokë të rralla po shfaqeshin me shpejtësi. Në vitin 1984, Universiteti Shtetëror i Iowa-s, Laboratori Ames i Departamentit të Energjisë së SHBA-së dhe Qendra e Kërkimit të Armëve Sipërfaqesore të Marinës së SHBA-së (nga e cila erdhi personeli kryesor i Korporatës së Teknologjisë Edge (ET REMA) të themeluar më vonë) bashkëpunuan për të zhvilluar një të re të rrallë. material inteligjent i tokës, përkatësisht terbium dysprosium material magnetostrictive ferromagnetik. Ky material i ri inteligjent ka karakteristika të shkëlqyera të konvertimit të shpejtë të energjisë elektrike në energji mekanike. Transformuesit nënujorë dhe elektro-akustikë të bërë nga ky material gjigant magnetostrictive janë konfiguruar me sukses në pajisjet detare, altoparlantët e zbulimit të puseve të naftës, sistemet e kontrollit të zhurmës dhe dridhjeve, si dhe në sistemet e komunikimit të eksplorimit të oqeanit dhe nëntokës. Prandaj, sapo lindi materiali magnetostriktiv gjigant i hekurit terbium dysprosium, ai mori një vëmendje të gjerë nga vendet e industrializuara në mbarë botën. Edge Technologies në Shtetet e Bashkuara filloi prodhimin e materialeve magnetostrictive gjigante të hekurit terbium dysprosium në vitin 1989 dhe i quajti Terfenol D. Më pas, Suedia, Japonia, Rusia, Mbretëria e Bashkuar dhe Australia zhvilluan gjithashtu materiale magnetostrictive gjigante hekuri terbium dysprosium.

Nga historia e zhvillimit të këtij materiali në Shtetet e Bashkuara, si shpikja e materialit ashtu edhe aplikimet e tij të hershme monopolistike lidhen drejtpërdrejt me industrinë ushtarake (si p.sh. marina). Megjithëse departamentet ushtarake dhe të mbrojtjes së Kinës po forcojnë gradualisht të kuptuarit e tyre për këtë material. Megjithatë, me rritjen e ndjeshme të forcës gjithëpërfshirëse kombëtare të Kinës, kërkesa për arritjen e një strategjie konkurruese ushtarake të shekullit të 21-të dhe përmirësimin e niveleve të pajisjeve do të jetë patjetër shumë urgjente. Prandaj, përdorimi i gjerë i materialeve magnetostriktive gjigante të hekurit terbium dysprosium nga departamentet ushtarake dhe kombëtare të mbrojtjes do të jetë një domosdoshmëri historike.

Me pak fjalë, vetitë e shumta të shkëlqyera tëterbiume bëjnë atë një pjesë të pazëvendësueshme të shumë materialeve funksionale dhe një pozicion të pazëvendësueshëm në disa fusha aplikimi. Megjithatë, për shkak të çmimit të lartë të terbiumit, njerëzit kanë studiuar se si të shmangin dhe minimizojnë përdorimin e terbiumit në mënyrë që të reduktojnë kostot e prodhimit. Për shembull, materialet magneto-optike të tokës së rrallë duhet të përdorin gjithashtu kosto të ulëthekuri dysprosiumkobalt ose gadolinium terbium kobalt sa më shumë që të jetë e mundur; Mundohuni të zvogëloni përmbajtjen e terbiumit në pluhurin fluoreshent të gjelbër që duhet përdorur. Çmimi është bërë një faktor i rëndësishëm që kufizon përdorimin e gjerë tëterbium. Por shumë materiale funksionale nuk mund të bëjnë pa të, kështu që ne duhet t'i përmbahemi parimit të "përdorimit të çelikut të mirë në teh" dhe të përpiqemi të kursejmë përdorimin eterbiumsa më shumë që të jetë e mundur.