Unsur Nadir Bumi Ajaib: Terbium

Terbiumtergolong dalam kategori nadir bumi berat, dengan kelimpahan rendah dalam kerak bumi pada hanya 1.1 ppm.Terbium oksidamenyumbang kurang daripada 0.01% daripada jumlah nadir bumi. Walaupun dalam bijih nadir bumi berat jenis ion yttrium tinggi dengan kandungan terbium tertinggi, kandungan terbium hanya menyumbang 1.1-1.2% daripada jumlah keseluruhan.nadir bumi, menunjukkan bahawa ia tergolong dalam kategori "mulia" baginadir bumielemen. Selama lebih 100 tahun sejak penemuan terbium pada tahun 1843, kekurangan dan nilainya telah menghalang penggunaan praktikalnya untuk masa yang lama. Ia hanya dalam tempoh 30 tahun yang laluterbiumtelah menunjukkan bakatnya yang unik.

Menemui Sejarah

Ahli kimia Sweden Carl Gustaf Mosander menemui terbium pada tahun 1843. Dia menemui bendasingnya dalamyttrium oksidadanY2O3. Yttriumdinamakan sempena perkampungan Itby di Sweden. Sebelum kemunculan teknologi pertukaran ion, terbium tidak diasingkan dalam bentuk tulennya.

Mossander mula-mula dibahagikanyttrium oksidakepada tiga bahagian, semuanya dinamakan sempena bijih:yttrium oksida, erbium oksida, danterbium oksida. Terbium oksidapada asalnya terdiri daripada bahagian merah jambu, disebabkan oleh unsur yang kini dikenali sebagaierbium. Erbium oksida(termasuk apa yang kini kita panggil terbium) pada asalnya merupakan bahagian tidak berwarna dalam larutan. Oksida tidak larut unsur ini dianggap coklat.

Pekerja kemudiannya mendapati sukar untuk memerhatikan benda kecil yang tidak berwarna "erbium oksida“, tetapi bahagian merah jambu larut tidak boleh diabaikan. Perdebatan mengenai kewujudanerbium oksidatelah berulang kali muncul. Dalam keadaan huru-hara, nama asal telah diterbalikkan dan pertukaran nama tersekat, jadi bahagian merah jambu akhirnya disebut sebagai larutan yang mengandungi erbium (dalam larutan, ia berwarna merah jambu). Kini dipercayai bahawa pekerja yang menggunakan natrium disulfida atau kalium sulfat untuk mengeluarkan serium dioksida daripadayttrium oksidaberpaling secara tidak sengajaterbiumke dalam cerium yang mengandungi mendakan. Kini dikenali sebagai'terbium', hanya kira-kira 1% daripada yang asalyttrium oksidaterdapat, tetapi ini mencukupi untuk menghantar warna kuning muda kepadayttrium oksida. Oleh itu,terbiumialah komponen sekunder yang pada mulanya mengandunginya, dan ia dikawal oleh jiran terdekatnya,gadoliniumdandisprosium.

Selepas itu, bila-bila masa yang lainnadir bumiunsur-unsur telah diasingkan daripada campuran ini, tanpa mengira perkadaran oksida, nama terbium dikekalkan sehingga akhirnya, oksida perangterbiumdiperolehi dalam bentuk tulen. Penyelidik pada abad ke-19 tidak menggunakan teknologi pendarfluor ultraviolet untuk memerhati nodul kuning atau hijau terang (III), menjadikannya lebih mudah untuk terbium untuk dikenali dalam campuran atau larutan pepejal.

Konfigurasi elektron

Susun atur elektronik:

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

Susunan elektronik bagiterbiumialah [Xe] 6s24f9. Biasanya, hanya tiga elektron boleh dikeluarkan sebelum cas nuklear menjadi terlalu besar untuk diionkan lagi. Walau bagaimanapun, dalam kesterbium, separuh berisiterbiummembolehkan pengionan selanjutnya bagi elektron keempat dengan kehadiran oksidan yang sangat kuat seperti gas fluorin.

logam

Terbiumialah logam nadir bumi berwarna putih perak dengan kemuluran, keliatan dan kelembutan yang boleh dipotong dengan pisau. Takat lebur 1360 ℃, takat didih 3123 ℃, ketumpatan 8229 4kg/m3. Berbanding dengan unsur lantanida awal, ia agak stabil di udara. Unsur kesembilan unsur lantanida, terbium, ialah logam bercas tinggi yang bertindak balas dengan air untuk membentuk gas hidrogen.

Secara semula jadi,terbiumtidak pernah didapati sebagai unsur bebas, terdapat dalam jumlah kecil dalam pasir thorium serium fosforus dan bijih silikon berilium yttrium.Terbiumwujud bersama unsur nadir bumi lain dalam pasir monazit, dengan kandungan terbium secara amnya 0.03%. Sumber lain termasuk yttrium fosfat dan emas nadir bumi, kedua-duanya adalah campuran oksida yang mengandungi sehingga 1% terbium.

Permohonan

Aplikasi daripadaterbiumkebanyakannya melibatkan bidang berteknologi tinggi, iaitu projek berintensif teknologi dan berintensif pengetahuan, serta projek dengan faedah ekonomi yang ketara, dengan prospek pembangunan yang menarik.

Bidang aplikasi utama termasuk:

(1) Digunakan dalam bentuk nadir bumi campuran. Sebagai contoh, ia digunakan sebagai baja sebatian nadir bumi dan bahan tambahan makanan untuk pertanian.

(2) Pengaktif untuk serbuk hijau dalam tiga serbuk pendarfluor utama. Bahan optoelektronik moden memerlukan penggunaan tiga warna asas fosfor iaitu merah, hijau dan biru yang boleh digunakan untuk mensintesis pelbagai warna. Danterbiumadalah komponen yang sangat diperlukan dalam banyak serbuk pendarfluor hijau berkualiti tinggi.

(3) Digunakan sebagai bahan simpanan optik magneto. Filem nipis aloi logam peralihan terbium logam amorfus telah digunakan untuk mengeluarkan cakera optik magneto berprestasi tinggi.

(4) Pembuatan kaca optik magneto. Kaca berputar Faraday yang mengandungi terbium ialah bahan utama untuk pembuatan pemutar, pengasing dan pengedar dalam teknologi laser.

(5) Pembangunan dan pembangunan aloi terbium dysprosium ferromagnetostrictive (TerFenol) telah membuka aplikasi baharu untuk terbium.

Untuk pertanian dan penternakan

Nadir bumiterbiumboleh meningkatkan kualiti tanaman dan meningkatkan kadar fotosintesis dalam julat kepekatan tertentu. Kompleks terbium mempunyai aktiviti biologi yang tinggi, dan kompleks terner daripadaterbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, mempunyai kesan antibakteria dan bakteria yang baik pada Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, dan Escherichia coli, dengan sifat antibakteria spektrum luas. Kajian kompleks ini menyediakan hala tuju penyelidikan baharu untuk ubat bakteria moden.

Digunakan dalam bidang luminescence

Bahan optoelektronik moden memerlukan penggunaan tiga warna asas fosfor iaitu merah, hijau dan biru yang boleh digunakan untuk mensintesis pelbagai warna. Dan terbium adalah komponen yang sangat diperlukan dalam banyak serbuk pendarfluor hijau berkualiti tinggi. Jika kelahiran nadir bumi warna TV serbuk pendarfluor merah telah merangsang permintaan untukyttriumdaneuropium, maka aplikasi dan pembangunan terbium telah digalakkan oleh nadir bumi tiga warna utama serbuk pendarfluor hijau untuk lampu. Pada awal 1980-an, Philips mencipta lampu pendarfluor penjimatan tenaga padat pertama di dunia dan mempromosikannya dengan pantas di seluruh dunia. Ion Tb3+ boleh memancarkan cahaya hijau dengan panjang gelombang 545nm, dan hampir semua serbuk pendarfluor hijau nadir bumi menggunakanterbium, sebagai pengaktif.

Serbuk pendarfluor hijau yang digunakan untuk tiub sinar katod TV berwarna (CRT) sentiasa berasaskan zink sulfida yang murah dan cekap, tetapi serbuk terbium sentiasa digunakan sebagai serbuk hijau TV warna unjuran, seperti Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, dan LaOBr: Tb3+. Dengan pembangunan televisyen definisi tinggi (HDTV) skrin besar, serbuk pendarfluor hijau berprestasi tinggi untuk CRT juga sedang dibangunkan. Sebagai contoh, serbuk pendarfluor hijau hibrid telah dibangunkan di luar negara, yang terdiri daripada Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+, dan Y2SiO5: Tb3+, yang mempunyai kecekapan luminescence yang sangat baik pada ketumpatan arus tinggi.

Serbuk pendarfluor sinar-X tradisional ialah kalsium tungstat. Pada tahun 1970-an dan 1980-an, serbuk pendarfluor nadir bumi untuk skrin pemekaan telah dibangunkan, sepertiterbium, lanthanum sulfida oksida diaktifkan, terbium diaktifkan lanthanum bromide oksida (untuk skrin hijau), dan terbium diaktifkan yttrium sulfida oksida. Berbanding dengan kalsium tungstate, serbuk pendarfluor nadir bumi boleh mengurangkan masa penyinaran sinar-X untuk pesakit sebanyak 80%, meningkatkan resolusi filem sinar-X, memanjangkan jangka hayat tiub sinar-X, dan mengurangkan penggunaan tenaga. Terbium juga digunakan sebagai pengaktif serbuk pendarfluor untuk skrin peningkatan sinar-X perubatan, yang boleh meningkatkan sensitiviti penukaran sinar-X kepada imej optik, meningkatkan kejelasan filem sinar-X, dan mengurangkan dos pendedahan X- dengan banyak. sinaran kepada tubuh manusia (lebih daripada 50%).

Terbiumjuga digunakan sebagai pengaktif dalam fosfor LED putih yang teruja oleh cahaya biru untuk pencahayaan semikonduktor baharu. Ia boleh digunakan untuk menghasilkan fosfor kristal optik magneto aluminium terbium, menggunakan diod pemancar cahaya biru sebagai sumber cahaya pengujaan, dan pendarfluor yang dihasilkan dicampur dengan cahaya pengujaan untuk menghasilkan cahaya putih tulen

Bahan electroluminescent diperbuat daripada terbium terutamanya termasuk serbuk pendarfluor hijau zink sulfida denganterbiumsebagai pengaktif. Di bawah penyinaran ultraungu, kompleks organik terbium boleh mengeluarkan pendarfluor hijau yang kuat dan boleh digunakan sebagai bahan elektroluminescent filem nipis. Walaupun kemajuan yang ketara telah dicapai dalam kajian tentangnadir bumifilem nipis electroluminescent kompleks organik, masih terdapat jurang tertentu dari kepraktisan, dan penyelidikan mengenai filem dan peranti nipis electroluminescent kompleks organik nadir bumi masih mendalam.

Ciri-ciri pendarfluor terbium juga digunakan sebagai probe pendarfluor. Interaksi antara kompleks ofloxacin terbium (Tb3+) dan asid deoksiribonukleik (DNA) dikaji menggunakan spektrum pendarfluor dan penyerapan, seperti probe pendarfluor ofloxacin terbium (Tb3+). Keputusan menunjukkan bahawa probe ofloxacin Tb3+ boleh membentuk alur yang mengikat dengan molekul DNA, dan asid deoksiribonukleik boleh meningkatkan pendarfluor sistem ofloxacin Tb3+ dengan ketara. Berdasarkan perubahan ini, asid deoksiribonukleik boleh ditentukan.

Untuk bahan optik magneto

Bahan dengan kesan Faraday, juga dikenali sebagai bahan magneto-optik, digunakan secara meluas dalam laser dan peranti optik lain. Terdapat dua jenis bahan optik magneto yang biasa: kristal optik magneto dan kaca optik magneto. Antaranya, kristal magneto-optik (seperti garnet besi yttrium dan garnet terbium gallium) mempunyai kelebihan frekuensi operasi boleh laras dan kestabilan haba yang tinggi, tetapi ia mahal dan sukar untuk dihasilkan. Di samping itu, banyak kristal magneto-optik dengan sudut putaran Faraday yang tinggi mempunyai penyerapan yang tinggi dalam julat gelombang pendek, yang mengehadkan penggunaannya. Berbanding dengan kristal optik magneto, kaca optik magneto mempunyai kelebihan ketransmisian yang tinggi dan mudah dibuat menjadi blok atau gentian yang besar. Pada masa ini, cermin mata magneto-optik dengan kesan Faraday yang tinggi adalah terutamanya cermin mata terdop ion nadir bumi.

Digunakan untuk bahan simpanan optik magneto

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan pesat multimedia dan automasi pejabat, permintaan untuk cakera magnetik berkapasiti tinggi baharu telah meningkat. Filem nipis aloi logam peralihan terbium logam amorfus telah digunakan untuk mengeluarkan cakera optik magneto berprestasi tinggi. Antaranya, filem nipis aloi TbFeCo mempunyai prestasi terbaik. Bahan magneto-optik berasaskan Terbium telah dihasilkan secara besar-besaran, dan cakera magneto-optik yang diperbuat daripadanya digunakan sebagai komponen storan komputer, dengan kapasiti storan meningkat sebanyak 10-15 kali ganda. Mereka mempunyai kelebihan kapasiti besar dan kelajuan capaian pantas, dan boleh disapu dan disalut puluhan ribu kali apabila digunakan untuk cakera optik berketumpatan tinggi. Ia adalah bahan penting dalam teknologi penyimpanan maklumat elektronik. Bahan magneto-optik yang paling biasa digunakan dalam jalur nampak dan inframerah dekat ialah kristal tunggal Terbium Gallium Garnet (TGG), yang merupakan bahan magneto-optik terbaik untuk membuat pemutar dan pengasing Faraday.

Untuk kaca optik magneto

Kaca optik magneto Faraday mempunyai ketelusan dan isotropi yang baik di kawasan yang boleh dilihat dan inframerah, dan boleh membentuk pelbagai bentuk kompleks. Ia mudah untuk menghasilkan produk bersaiz besar dan boleh ditarik ke dalam gentian optik. Oleh itu, ia mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam peranti optik magneto seperti pengasing optik magneto, modulator optik magneto, dan penderia arus gentian optik. Disebabkan oleh momen magnet yang besar dan pekali penyerapan yang kecil dalam julat yang boleh dilihat dan inframerah, ion Tb3+ telah menjadi ion nadir bumi yang biasa digunakan dalam cermin mata optik magneto.

Terbium dysprosium ferromagnetostrictive aloi

Pada penghujung abad ke-20, dengan pendalaman berterusan revolusi teknologi dunia, bahan aplikasi nadir bumi baharu telah muncul dengan pantas. Pada tahun 1984, Iowa State University, Makmal Ames Jabatan Tenaga AS, dan Pusat Penyelidikan Senjata Permukaan Tentera Laut AS (dari mana kakitangan utama Perbadanan Teknologi Edge (ET REMA) yang ditubuhkan kemudiannya datang) bekerjasama untuk membangunkan alat baru yang jarang ditemui. bahan pintar bumi, iaitu bahan magnetostriktif feromagnetik terbium dysprosium. Bahan pintar baharu ini mempunyai ciri-ciri cemerlang untuk menukar tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dengan cepat. Transduser bawah air dan elektro-akustik yang diperbuat daripada bahan magnetostriktif gergasi ini telah berjaya dikonfigurasikan dalam peralatan tentera laut, pembesar suara pengesan telaga minyak, sistem kawalan hingar dan getaran, serta penerokaan lautan dan sistem komunikasi bawah tanah. Oleh itu, sebaik sahaja bahan magnetostrictive gergasi besi terbium dysprosium dilahirkan, ia mendapat perhatian meluas daripada negara perindustrian di seluruh dunia. Edge Technologies di Amerika Syarikat mula mengeluarkan bahan magnetostriktif gergasi besi terbium dysprosium pada tahun 1989 dan menamakannya Terfenol D. Selepas itu, Sweden, Jepun, Rusia, United Kingdom, dan Australia juga membangunkan bahan magnetostriktif gergasi besi disprosium terbium.

Daripada sejarah pembangunan bahan ini di Amerika Syarikat, kedua-dua ciptaan bahan dan aplikasi monopoli awalnya berkaitan secara langsung dengan industri ketenteraan (seperti tentera laut). Walaupun jabatan tentera dan pertahanan China secara beransur-ansur mengukuhkan pemahaman mereka tentang bahan ini. Walau bagaimanapun, dengan peningkatan ketara kekuatan nasional China yang komprehensif, permintaan untuk mencapai strategi persaingan ketenteraan abad ke-21 dan meningkatkan tahap peralatan pasti akan menjadi sangat mendesak. Oleh itu, penggunaan meluas bahan magnetostrictive gergasi terbium dysprosium besi oleh jabatan tentera dan pertahanan negara akan menjadi keperluan sejarah.

Pendek kata, banyak sifat yang sangat baikterbiummenjadikannya ahli yang sangat diperlukan bagi banyak bahan berfungsi dan kedudukan yang tidak boleh diganti dalam beberapa bidang aplikasi. Namun, disebabkan harga terbium yang tinggi, orang ramai telah mengkaji cara untuk mengelak dan meminimumkan penggunaan terbium bagi mengurangkan kos pengeluaran. Sebagai contoh, bahan magneto-optik nadir bumi juga harus menggunakan kos rendahbesi disprosiumkobalt atau gadolinium terbium kobalt sebanyak mungkin; Cuba kurangkan kandungan terbium dalam serbuk pendarfluor hijau yang mesti digunakan. Harga telah menjadi faktor penting yang menyekat penggunaan meluasterbium. Tetapi banyak bahan berfungsi tidak dapat dilakukan tanpanya, jadi kita harus mematuhi prinsip "menggunakan keluli yang baik pada bilah" dan cuba menjimatkan penggunaanterbiumsebanyak mungkin.