Terbíumtilheyrir flokki þungrasjaldgæfar jarðmálmar, með litla þéttni í jarðskorpunni, aðeins 1,1 ppm. Terbíumoxíð er minna en 0,01% af heildarmagni sjaldgæfra jarðefna. Jafnvel í þungum sjaldgæfum jarðmálmgrýti með háu yttríumjónainnihaldi og hæsta terbíuminnihaldi, er terbíuminnihaldið aðeins 1,1-1,2% af heildarmagni sjaldgæfra jarðefna, sem bendir til þess að það tilheyri flokki „göfugra“ jarðefna. Í meira en 100 ár, frá uppgötvun terbíums árið 1843, hafa sjaldgæfir og verðmæti þess lengi komið í veg fyrir hagnýta notkun þess. Það er ekki fyrr en á síðustu 30 árum sem terbíum hefur sýnt einstaka hæfileika sína.
Að uppgötva sögu
Sænski efnafræðingurinn Carl Gustaf Mosander uppgötvaði terbíum árið 1843. Hann fann óhreinindi þess íYttríum(III) oxíðogY2O3Yttríum er nefnt eftir þorpinu Ytterby í Svíþjóð. Áður en jónaskiptatækni kom til sögunnar var terbíum ekki einangrað í hreinu formi.
Mosant skipti fyrst yttríum(III) oxíði í þrjá hluta, alla nefnda eftir málmgrýti: yttríum(III) oxíð,Erbíum(III) oxíð, og terbíumoxíð. Terbíumoxíð var upphaflega samsett úr bleikum hluta, vegna frumefnisins sem nú er þekkt sem erbíum. „Erbíum(III)oxíð“ (þar á meðal það sem við nú köllum terbíum) var upphaflega nánast litlausi hlutinn í lausninni. Óleysanlegt oxíð þessa frumefnis er talið brúnt.
Síðari tíma gátu verkamenn varla greint hið litla litla litlausa „erbíum(III) oxíð“ en leysanlega bleika hlutann var ekki hægt að hunsa. Deilur um tilvist erbíum(III) oxíðs hafa komið upp ítrekað. Í ringulreiðinni var upprunalega nafninu snúið við og nafnaskiptin festust, þannig að bleiki hlutinn var að lokum nefndur sem lausn sem innihélt erbíum (í lausninni var hann bleikur). Nú er talið að verkamenn sem nota natríumbísúlfat eða kalíumsúlfat taki...Seríum(IV)oxíðúr yttríum(III) oxíði og breyta terbíum óviljandi í botnfall sem inniheldur seríum. Aðeins um 1% af upprunalega yttríum(III) oxíði, nú þekkt sem „terbíum“, er nóg til að gefa yttríum(III) oxíði gulleitan lit. Þess vegna er terbíum aukaefni sem upphaflega innihélt það og það er stjórnað af nágrannaefnum sínum, gadólíníum og dysprósíum.
Eftir það, alltaf þegar önnur sjaldgæf jarðefni voru aðskilin úr þessari blöndu, óháð hlutfalli oxíðsins, var nafninu terbíum haldið þar til brúnt oxíð terbíums fékkst að lokum í hreinu formi. Rannsakendur á 19. öld notuðu ekki útfjólubláa flúrljómunartækni til að sjá skærgula eða græna hnúta (III), sem gerði það auðveldara að greina terbíum í föstum blöndum eða lausnum.
Rafeindaskipan
Rafeindaskipan:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Rafeindaskipan terbíums er [Xe] 6s24f9. Venjulega er aðeins hægt að fjarlægja þrjár rafeindir áður en kjarnahleðslan verður of stór til að jóna hana frekar, en í tilviki terbíums gerir hálffyllt terbíum kleift að jóna fjórðu rafeindina frekar í návist mjög sterkra oxunarefna eins og flúorgas.
Terbíum er silfurhvítt sjaldgæft jarðmálmur með teygjanleika, seiglu og mýkt sem hægt er að skera með hníf. Bræðslumark 1360 ℃, suðumark 3123 ℃, eðlisþyngd 8229 4 kg/m3. Í samanburði við fyrri lantaníð er það tiltölulega stöðugt í loftinu. Sem níunda frumefni lantaníðs er terbíum málmur með sterka rafmagn. Það hvarfast við vatn og myndar vetni.
Í náttúrunni hefur terbíum aldrei fundist sem frjálst frumefni, en lítið magn af því er að finna í fosfóseríumþóríumsandi og gadólíníti. Terbíum finnst samhliða öðrum sjaldgæfum jarðefnum í mónasítsandi, með almennt 0,03% terbíuminnihaldi. Aðrar uppsprettur eru xenotím og svart gullmálmgrýti, sem bæði eru blöndur af oxíðum og innihalda allt að 1% terbíum.
Umsókn
Notkun terbíums nær aðallega til hátæknigeiranna, sem eru tækni- og þekkingarfrek verkefni sem krefjast framsækinna framkvæmda, sem og verkefna sem hafa verulegan efnahagslegan ávinning og aðlaðandi þróunarmöguleika.
Helstu notkunarsviðin eru meðal annars:
(1) Notað í formi blandaðra sjaldgæfra jarðefna. Til dæmis er það notað sem áburður og fóðuraukefni fyrir landbúnað.
(2) Virkjari fyrir grænt duft í þremur aðal flúrljómandi duftum. Nútíma ljósfræðileg efni krefjast notkunar þriggja grunnlita fosfórs, þ.e. rauðs, græns og blás, sem hægt er að nota til að mynda ýmsa liti. Og terbíum er ómissandi þáttur í mörgum hágæða grænum flúrljómandi duftum.
(3) Notað sem segul-sjóngeymsluefni. Þunnfilmur úr ókristalla terbíum-umskiptamálmblöndu hafa verið notaðar til að framleiða afkastamikla segul-sjóndiska.
(4) Framleiðsla á segulgleri. Faraday snúningsgler sem inniheldur terbíum er lykilefni til framleiðslu á snúningsgleri, einangrunargleri og hringrásargleri í leysigeislatækni.
(5) Þróun og framþróun terbíumdýsprósíum járnsegulþrengjandi málmblöndu (TerFenol) hefur opnað nýjar notkunarmöguleika fyrir terbíum.
Fyrir landbúnað og búfénað
Sjaldgæft jarðmálmefni terbíum getur bætt gæði uppskeru og aukið ljóstillífun innan ákveðins styrkbils. Terbíumfléttur hafa mikla líffræðilega virkni. Þríþættar fléttur af terbíum, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, hafa góð bakteríudrepandi og bakteríudrepandi áhrif á Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis og Escherichia coli. Þau hafa breitt bakteríudrepandi svið. Rannsóknir á slíkum fléttum veita nýja rannsóknarstefnu fyrir nútíma bakteríudrepandi lyf.
Notað á sviði ljómunar
Nútíma ljósfræðileg efni krefjast notkunar þriggja grunnlita fosfórs, þ.e. rauðs, græns og blás, sem hægt er að nota til að mynda ýmsa liti. Og terbíum er ómissandi þáttur í mörgum hágæða grænum flúrljómandi duftum. Ef tilkoma rauðs flúrljómandi dufts fyrir sjaldgæfa jarðmálma í litasjónvörpum hefur örvað eftirspurn eftir yttríum og evrópíum, þá hefur notkun og þróun terbíums verið efld með þremur grunnlitum græns flúrljómandi dufts fyrir lampa. Í byrjun níunda áratugarins fann Philips upp fyrstu orkusparandi flúrperuna í heimi og kynnti hana fljótt um allan heim. Tb3+ jónir geta gefið frá sér grænt ljós með bylgjulengd 545 nm, og næstum allir sjaldgæfir jarðmálma grænir fosfór nota terbíum sem virkjara.
Græni fosfórinn fyrir litsjónvarpsljós (CRT) hefur alltaf verið byggður á sinksúlfíði, sem er ódýrt og skilvirkt, en terbíumduft hefur alltaf verið notað sem grænn fosfór fyrir litsjónvörp, þar á meðal Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ og LaOBr ∶ Tb3+. Með þróun stórskjásjónvarpa með háskerpu (HDTV) er einnig verið að þróa öflugt grænt flúrljómandi duft fyrir CRT-skjái. Til dæmis hefur verið þróað erlendis blendingur af grænu flúrljómandi dufti, sem samanstendur af Y3 (Al, Ga) 5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ og Y2SiO5:Tb3+, sem hafa framúrskarandi ljómnýtni við mikla straumþéttleika.
Hefðbundið flúrljómandi duft fyrir röntgengeislun er kalsíumwolframat. Á áttunda og níunda áratugnum voru þróaðar sjaldgæfar jarðmálmafosfórefni fyrir styrkingarskjái, svo sem terbíumvirkjað brennisteinslantanoxíð, terbíumvirkjað brómlantanoxíð (fyrir græna skjái), terbíumvirkjað brennisteins-ytríum(III)oxíð o.s.frv. Í samanburði við kalsíumwolframat getur sjaldgæft jarðmálmaflúrljómandi duft stytt geislunartíma sjúklinga um 80%, bætt upplausn röntgenmynda, lengt líftíma röntgenröra og dregið úr orkunotkun. Terbíum er einnig notað sem flúrljómandi duftvirkjari fyrir læknisfræðilegar röntgengeislunarskjái, sem getur bætt næmi röntgengeislunar í ljósfræðilegar myndir til muna, bætt skýrleika röntgenmynda og dregið verulega úr útsetningarskammti röntgengeisla fyrir mannslíkamann (um meira en 50%).
Terbíum er einnig notað sem virkjari í hvítum LED-fosfórperum sem örvaðar eru af bláu ljósi fyrir nýja hálfleiðaralýsingu. Það er hægt að nota til að framleiða terbíum ál segulkristallfosfórperur, með því að nota blá ljósdíóður sem örvunarljósgjafa, og flúrljómunin sem myndast er blönduð við örvunarljósið til að framleiða hreint hvítt ljós.
Rafljómandi efni úr terbíum innihalda aðallega sinksúlfíðgrænan fosfór með terbíum sem virkjara. Undir útfjólubláum geislum geta lífræn terbíumfléttur gefið frá sér sterka græna flúrljómun og er hægt að nota þau sem þunnfilmu rafljómandi efni. Þó að verulegar framfarir hafi orðið í rannsóknum á rafljómandi þunnfilmum úr sjaldgæfum jarðmálmum, er enn ákveðið bil frá hagnýtingu, og rannsóknir á rafljómandi þunnfilmum og tækjum úr sjaldgæfum jarðmálmum eru enn ítarlegar.
Flúrljómunareiginleikar terbíums eru einnig notaðir sem flúrljómunarprófar. Til dæmis var Ofloxacin terbíum (Tb3+) flúrljómunarpróf notað til að rannsaka víxlverkun Ofloxacin terbíum (Tb3+) fléttunnar og DNA (DNA) með flúrljómunarrófi og frásogsrófi, sem bendir til þess að Ofloxacin Tb3+ prófið geti myndað grópbindingu við DNA sameindir og DNA getur aukið flúrljómun Ofloxacin Tb3+ kerfisins verulega. Byggt á þessari breytingu er hægt að ákvarða DNA.
Fyrir segul-sjónræn efni
Efni með Faraday-áhrifum, einnig þekkt sem segul-sjónræn efni, eru mikið notuð í leysigeislum og öðrum sjóntækjum. Tvær algengar gerðir af segul-sjónrænum efnum eru segul-sjónrænir kristallar og segul-sjónrænt gler. Meðal þeirra eru segul-sjónrænir kristallar (eins og yttríum járngranat og terbíum gallíumgranat) með þá kosti að vera stillanlegur rekstrartíðni og hafa mikla hitastöðugleika, en þeir eru dýrir og erfiðir í framleiðslu. Að auki hafa margir segul-sjónrænir kristallar með hátt Faraday-snúningshorn mikla frásog á stuttbylgjusviðinu, sem takmarkar notkun þeirra. Í samanburði við segul-sjónræna kristalla hefur segul-sjónrænt gler þann kost að vera með mikla gegndræpi og auðvelt er að búa það til stóra blokkir eða trefjar. Sem stendur eru segul-sjónræn gler með hátt Faraday-áhrif aðallega gler með sjaldgæfum jarðmálmum sem eru jónuð.
Notað fyrir segulmagnað ljósfræðilegt geymsluefni
Á undanförnum árum, með hraðri þróun margmiðlunar og skrifstofusjálfvirkni, hefur eftirspurn eftir nýjum seguldiskum með mikilli afkastagetu aukist. Ókristallaðir terbíum umskiptamálmblöndufilmur hafa verið notaðar til að framleiða afkastamikla segul-ljósdiska. Meðal þeirra er TbFeCo álblönduþunnfilman með bestu afköstunum. Segul-ljósdiskaefni sem byggja á terbíum hafa verið framleidd í stórum stíl og segul-ljósdiskar úr þeim eru notaðir sem geymsluíhlutir í tölvum, þar sem geymslurýmið eykst um 10-15 falt. Þau hafa þá kosti að vera stór og aðgengilegur hratt og hægt er að þurrka og húða þau tugþúsund sinnum þegar þau eru notuð fyrir ljósdiska með mikilli þéttleika. Þau eru mikilvæg efni í rafrænni upplýsingageymslutækni. Algengasta segul-ljósdiskaefnið í sýnilegu og nær-innrauða sviðinu er terbíum gallíum granat (TGG) einkristall, sem er besta segul-ljósdiskaefnið til að búa til Faraday snúnings- og einangrunartæki.
Fyrir segulgler
Faraday segulgler hefur góða gegnsæi og jafngildi í sýnilegu og innrauðu sviði og getur myndað ýmsar flóknar form. Það er auðvelt að framleiða stórar vörur og hægt er að draga það í ljósleiðara. Þess vegna hefur það víðtæka notkunarmöguleika í segulljóstækjum eins og segul-einangrurum, segul-ljósstýrum og ljósleiðarastraumskynjurum. Vegna mikils segulmoments og lítils frásogsstuðuls í sýnilegu og innrauðu sviði hafa Tb3+ jónir orðið algengar sjaldgæfar jarðmálmjónir í segul-ljósglerjum.
Terbíum dysprósíum ferromagnetostrempandi álfelgur
Í lok 20. aldar, með vaxandi vísinda- og tæknibyltingu heimsins, komu ný sjaldgæf jarðefni ört fram. Árið 1984 þróuðu Iowa State University í Bandaríkjunum, Ames Laboratory í bandaríska orkumálaráðuneytinu og US Navy Surface Weapons Research Center (aðalstarfsmenn síðar stofnaða American Edge Technology Company (ET REMA) komu frá miðstöðinni) sameiginlega nýtt sjaldgæft jarðefni, þ.e. terbíum dysprósíum járn risastórt segulmagnað efni. Þetta nýja snjalla efni hefur þá framúrskarandi eiginleika að umbreyta raforku hratt í vélræna orku. Neðansjávar- og rafhljóðnemar úr þessu risastóru segulmagnaða efni hafa verið settir upp með góðum árangri í sjóherbúnaði, olíubrunnsgreiningarhátalara, hávaða- og titringsstýrikerfum og hafkönnunar- og neðanjarðarsamskiptakerfum. Þess vegna, um leið og terbíum dysprósíum járn risastórt segulmagnað efni varð til, vakti það mikla athygli frá iðnríkjum um allan heim. Edge Technologies í Bandaríkjunum hóf framleiðslu á segulsamdráttarefnum úr terbíumdýprósíum járni árið 1989 og nefndi þau Terfenol D. Í kjölfarið þróuðu Svíþjóð, Japan, Rússland, Bretland og Ástralía einnig segulsamdráttarefni úr terbíumdýprósíum járni.
Frá sögu þróunar þessa efnis í Bandaríkjunum eru bæði uppfinning efnisins og fyrstu einokunarnotkun þess tengd beint hernaðariðnaðinum (eins og sjóhernum). Þó að kínverska her- og varnarmálaráðuneytið sé smám saman að styrkja skilning sinn á þessu efni. Hins vegar, eftir að alhliða þjóðarmáttur Kína hefur aukist verulega, verða kröfur um að hrinda í framkvæmd samkeppnisstefnu hersins á 21. öldinni og bæta búnaðarstig vissulega mjög brýnar. Þess vegna verður útbreidd notkun terbíumdýsprósíum járnrisa segulmagnaðra efna af her- og varnarmálaráðuneytinu söguleg nauðsyn.
Í stuttu máli gera margir framúrskarandi eiginleikar terbíums það að ómissandi efni í mörgum hagnýtum efnum og ómissandi stöðu á sumum sviðum notkunar. Hins vegar, vegna hás verðs á terbíum, hafa menn verið að rannsaka hvernig hægt er að forðast og lágmarka notkun terbíums til að lækka framleiðslukostnað. Til dæmis ættu sjaldgæf jarðmálm segul-ljósfræðileg efni einnig að nota ódýrt dysprósíum járn kóbalt eða gadólíníum terbíum kóbalt eins mikið og mögulegt er; reynt er að draga úr innihaldi terbíums í græna flúrljómandi duftinu sem verður að nota. Verð hefur orðið mikilvægur þáttur sem takmarkar útbreidda notkun terbíums. En mörg hagnýt efni geta ekki verið án þess, þannig að við verðum að fylgja meginreglunni um að „nota gott stál á blaðinu“ og reyna að spara notkun terbíums eins mikið og mögulegt er.
Birtingartími: 5. júlí 2023