Terbiumpatří do kategorie těžkýchvzácné zeminy, s nízkým výskytem v zemské kůře, pouze 1,1 ppm. Oxid terbia tvoří méně než 0,01 % celkového množství vzácných zemin. Dokonce i v těžkých rudách vzácných zemin s vysokým obsahem yttria a nejvyšším obsahem terbia tvoří obsah terbia pouze 1,1–1,2 % celkového množství vzácných zemin, což naznačuje, že patří do kategorie „ušlechtilých“ prvků vzácných zemin. Po více než 100 let od objevení terbia v roce 1843 jeho vzácnost a hodnota dlouho bránily jeho praktickému využití. Teprve v posledních 30 letech terbium ukázalo svůj jedinečný talent.
Objevování historie
Švédský chemik Carl Gustaf Mosander objevil terbium v roce 1843. Jeho nečistoty nalezl vOxid yttritý (III)aY2O3Yttrium je pojmenováno po vesnici Ytterby ve Švédsku. Před vznikem technologie iontové výměny nebylo terbium izolováno v čisté formě.
Mosant nejprve rozdělil oxid yttritý na tři části, všechny pojmenované po rudách: oxid yttritý,Oxid erbia(III), a oxid terbia. Oxid terbia se původně skládal z růžové části, což bylo způsobeno prvkem dnes známým jako erbium. „Oxid erbia (III)“ (včetně toho, co dnes nazýváme terbiem) byl původně v podstatě bezbarvou částí roztoku. Nerozpustný oxid tohoto prvku je považován za hnědý.
Pozdější pracovníci sotva pozorovali drobný bezbarvý „oxid erbia(III)“, ale rozpustnou růžovou část nebylo možné ignorovat. Debaty o existenci oxidu erbia(III) se opakovaně objevovaly. V chaosu byl původní název obrácen a záměna názvů uvízla, takže růžová část byla nakonec zmíněna jako roztok obsahující erbium (v roztoku byla růžová). Nyní se předpokládá, že pracovníci, kteří používají hydrogensíran sodný nebo síran draselný, užívají...Oxid ceričitýz oxidu yttria(III) a neúmyslně přeměnit terbium na sediment obsahující cer. Pouze asi 1 % původního oxidu yttria(III), nyní známého jako „terbium“, stačí k tomu, aby oxid yttria(III) změnil barvu nažloutlou. Terbium je tedy sekundární složkou, která jej původně obsahovala, a je řízeno svými bezprostředními sousedy, gadoliniem a dysprosiem.
Poté, kdykoli byly z této směsi odděleny další prvky vzácných zemin, bez ohledu na podíl oxidu, byl název terbium zachován, dokud nebyl nakonec získán hnědý oxid terbia v čisté formě. Vědci v 19. století nepoužívali technologii ultrafialové fluorescence k pozorování jasně žlutých nebo zelených uzlíků (III), což usnadňovalo rozpoznání terbia v pevných směsích nebo roztocích.
Elektronová konfigurace
Elektronová konfigurace:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
Elektronová konfigurace terbia je [Xe] 6s24f9. Normálně lze odstranit pouze tři elektrony, než se jaderný náboj stane příliš velkým na to, aby byl dále ionizován, ale v případě terbia umožňuje částečně naplněné terbium další ionizaci čtvrtého elektronu v přítomnosti velmi silných oxidačních činidel, jako je plynný fluor.
Terbium je stříbrnobílý kov vzácných zemin s tažností, houževnatostí a měkkostí, který lze řezat nožem. Teplota tání 1360 °C, bod varu 3123 °C, hustota 8229,4 kg/m3. Ve srovnání s ranými lanthanoidy je na vzduchu relativně stabilní. Jako devátý prvek lanthanoidů je terbium kov se silným elektrickým proudem. Reaguje s vodou za vzniku vodíku.
V přírodě se terbium nikdy nenacházelo jako volný prvek, jehož malé množství se nachází v fosfoceriovém, thoriovém písku a gadolinitu. Terbium koexistuje s dalšími prvky vzácných zemin v monazitovém písku, s obecně 0,03% obsahem terbia. Dalšími zdroji jsou xenotim a černé rudy vzácného zlata, které jsou směsí oxidů a obsahují až 1 % terbia.
Aplikace
Aplikace terbia se většinou týká high-tech oblastí, což jsou technologicky a znalostně náročné špičkové projekty, ale i projekty s významnými ekonomickými přínosy a atraktivními rozvojovými vyhlídkami.
Mezi hlavní oblasti použití patří:
(1) Používá se ve formě směsi vzácných zemin. Používá se například jako komplexní hnojivo na bázi vzácných zemin a krmná přísada pro zemědělství.
(2) Aktivátor pro zelený prášek ve třech primárních fluorescenčních prášcích. Moderní optoelektronické materiály vyžadují použití tří základních barev fosforů, a to červené, zelené a modré, které lze použít k syntéze různých barev. Terbium je nepostradatelnou součástí mnoha vysoce kvalitních zelených fluorescenčních prášků.
(3) Používá se jako magnetooptický paměťový materiál. Tenké filmy amorfní slitiny terbia a přechodného kovu se používají k výrobě vysoce výkonných magnetooptických disků.
(4) Výroba magnetooptického skla. Faradayovo rotační sklo obsahující terbium je klíčovým materiálem pro výrobu rotátorů, izolátorů a cirkulátorů v laserové technologii.
(5) Vývoj a uplatňování feromagnetostrikční slitiny terbium-dysprosium (TerFenol) otevřelo terbiu nové možnosti využití.
Pro zemědělství a chov zvířat
Terbium vzácných zemin může zlepšit kvalitu plodin a zvýšit rychlost fotosyntézy v určitém koncentračním rozmezí. Terbiové komplexy mají vysokou biologickou aktivitu. Ternární komplexy terbia, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3·3H2O, mají dobré antibakteriální a baktericidní účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli. Mají široké antibakteriální spektrum. Studium těchto komplexů poskytuje nový směr výzkumu moderních baktericidních léčiv.
Používá se v oblasti luminiscence
Moderní optoelektronické materiály vyžadují použití tří základních barev fosforů, a to červené, zelené a modré, které lze použít k syntéze různých barev. Terbium je nepostradatelnou součástí mnoha vysoce kvalitních zelených fluorescenčních prášků. Pokud zrod červeného fluorescenčního prášku pro barevné televizory vzácných zemin stimuloval poptávku po yttriu a europiu, pak aplikaci a vývoj terbia podpořil třízářivkový zelený fluorescenční prášek pro lampy. Na začátku 80. let 20. století společnost Philips vynalezla první kompaktní energeticky úspornou zářivku na světě a rychle ji propagovala po celém světě. Ionty Tb3+ mohou emitovat zelené světlo s vlnovou délkou 545 nm a téměř všechny zelené fosfory vzácných zemin používají terbium jako aktivátor.
Zelený fosfor pro barevné televizory s katodovou trubicí (CRT) byl vždy založen na sulfidu zinečnatém, který je levný a účinný, ale prášek terbia se vždy používal jako zelený fosfor pro projekční barevné televizory, včetně Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ a LaOBr ∶ Tb3+. S rozvojem velkoplošných televizorů s vysokým rozlišením (HDTV) se vyvíjejí i vysoce výkonné zelené fluorescenční prášky pro CRT. Například v zahraničí byl vyvinut hybridní zelený fluorescenční prášek sestávající z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ a Y2SiO5: Tb3+, které mají vynikající luminiscenční účinnost při vysoké proudové hustotě.
Tradičním rentgenovým fluorescenčním práškem je wolframan vápenatý. V 70. a 80. letech 20. století byly vyvinuty fosfory vzácných zemin pro zesilovací clony, jako je terbiem aktivovaný oxid síry lanthanitý, terbiem aktivovaný oxid lanthanitý brom (pro zelené clony), terbiem aktivovaný oxid yttritý atd. Ve srovnání s wolframanem vápenatým může fluorescenční prášek vzácných zemin zkrátit dobu rentgenového ozáření pacientů o 80 %, zlepšit rozlišení rentgenových filmů, prodloužit životnost rentgenových trubic a snížit spotřebu energie. Terbium se také používá jako aktivátor fluorescenčního prášku pro lékařské rentgenové zesilovací clony, což může výrazně zlepšit citlivost převodu rentgenového záření na optické obrazy, zlepšit jasnost rentgenových filmů a výrazně snížit expoziční dávku rentgenového záření pro lidské tělo (o více než 50 %).
Terbium se také používá jako aktivátor v bílém LED fosforu buzeném modrým světlem pro nové polovodičové osvětlení. Lze ho použít k výrobě terbiovo-hliníkových magnetooptických krystalových fosforů s použitím modrých světelných diod jako zdrojů excitačního světla a generovaná fluorescence se smíchá s excitačním světlem za vzniku čistě bílého světla.
Elektroluminiscenční materiály vyrobené z terbia zahrnují především zelený fosfor na bázi sulfidu zinečnatého s terbiem jako aktivátorem. Organické komplexy terbia mohou při ultrafialovém záření emitovat silnou zelenou fluorescenci a lze je použít jako tenkovrstvé elektroluminiscenční materiály. Přestože ve studiu elektroluminiscenčních tenkých vrstev na bázi komplexů vzácných zemin bylo dosaženo významného pokroku, stále existuje určitá mezera v praxi a výzkum elektroluminiscenčních tenkých vrstev a zařízení na bázi komplexů vzácných zemin je stále v plném proudu.
Fluorescenční charakteristiky terbia se také používají jako fluorescenční sondy. Například fluorescenční sonda ofloxacinu terbia (Tb3+) byla použita ke studiu interakce mezi komplexem ofloxacinu terbia (Tb3+) a DNA (DNA) pomocí fluorescenčního a absorpčního spektra, což naznačuje, že sonda ofloxacinu Tb3+ může tvořit vazebnou drážku s molekulami DNA a DNA může významně zesílit fluorescenci systému ofloxacinu Tb3+. Na základě této změny lze stanovit DNA.
Pro magnetooptické materiály
Materiály s Faradayovým jevem, známé také jako magnetooptické materiály, se široce používají v laserech a dalších optických zařízeních. Existují dva běžné typy magnetooptických materiálů: magnetooptické krystaly a magnetooptické sklo. Mezi nimi mají magnetooptické krystaly (jako je ytriový železný granát a terbiovo-galliový granát) výhody nastavitelné provozní frekvence a vysoké tepelné stability, ale jsou drahé a obtížně se vyrábějí. Kromě toho má mnoho magnetooptických krystalů s vysokým Faradayovým úhlem rotace vysokou absorpci v rozsahu krátkých vln, což omezuje jejich použití. Ve srovnání s magnetooptickými krystaly má magnetooptické sklo výhodu vysoké propustnosti a snadno se z něj vyrábějí velké bloky nebo vlákna. V současné době jsou magnetooptická skla s vysokým Faradayovým jevem převážně skla dopovaná ionty vzácných zemin.
Používá se pro magnetooptické paměťové materiály
V posledních letech, s rychlým rozvojem multimédií a kancelářské automatizace, roste poptávka po nových magnetických discích s vysokou kapacitou. Amorfní filmy ze slitin kovů a terbia s přechodnými kovy se používají k výrobě vysoce výkonných magnetooptických disků. Mezi nimi má nejlepší výkon tenký film ze slitiny TbFeCo. Magnetooptické materiály na bázi terbia se vyrábějí ve velkém měřítku a magnetooptické disky z nich vyrobené se používají jako součásti počítačových úložišť, přičemž úložná kapacita se zvyšuje 10–15krát. Mají výhody velké kapacity a rychlé přístupové rychlosti a při použití pro optické disky s vysokou hustotou je lze otírat a potahovat desetitisícekrát. Jsou důležitými materiály v technologii elektronického ukládání informací. Nejčastěji používaným magnetooptickým materiálem ve viditelném a blízkém infračerveném pásmu je monokrystal terbium-gallium-granát (TGG), který je nejlepším magnetooptickým materiálem pro výrobu Faradayových rotátorů a izolátorů.
Pro magnetooptické sklo
Faradayovo magnetooptické sklo má dobrou průhlednost a izotropii ve viditelné a infračervené oblasti a může vytvářet různé složité tvary. Snadno se z něj vyrábějí velké produkty a lze jej táhnout do optických vláken. Proto má široké uplatnění v magnetooptických zařízeních, jako jsou magnetooptické izolátory, magnetooptické modulátory a senzory proudu z optických vláken. Díky velkému magnetickému momentu a malému absorpčnímu koeficientu ve viditelné a infračervené oblasti se ionty Tb3+ staly běžně používanými ionty vzácných zemin v magnetooptických sklech.
Ferromagnetostrikční slitina terbia a dysprosia
Na konci 20. století, s prohlubující se světovou vědeckotechnickou revolucí, se rychle objevují nové aplikované materiály vzácných zemin. V roce 1984 Iowská státní univerzita ve Spojených státech, Amesova laboratoř amerického ministerstva energetiky a Výzkumné centrum pro povrchové zbraně amerického námořnictva (hlavní personál později založené společnosti American Edge Technology Company (ET REMA) pocházel z tohoto centra) společně vyvinuly nový inteligentní materiál vzácných zemin, konkrétně obří magnetostrikční materiál na bázi terbia a dysprosia a železa. Tento nový inteligentní materiál má vynikající vlastnosti rychlé přeměny elektrické energie na mechanickou energii. Podvodní a elektroakustické měniče vyrobené z tohoto obřího magnetostrikčního materiálu byly úspěšně konfigurovány v námořním vybavení, reproduktorech pro detekci ropných vrtů, systémech pro regulaci hluku a vibrací a systémech pro průzkum oceánů a podzemní komunikaci. Proto se obří magnetostrikční materiál na bázi terbia a dysprosia a železa zrodil, a to hned po svém vzniku se mu dostalo široké pozornosti industrializovaných zemí po celém světě. Společnost Edge Technologies ve Spojených státech začala vyrábět obří magnetostrikční materiály na bázi terbia a dysprosia v roce 1989 a pojmenovala je Terfenol D. Následně tyto obří magnetostrikční materiály vyvinuly také Švédsko, Japonsko, Rusko, Spojené království a Austrálie.
Z historie vývoje tohoto materiálu ve Spojených státech vyplývá, že jak vynález tohoto materiálu, tak jeho rané monopolní aplikace přímo souvisí s vojenským průmyslem (například s námořnictvem). Ačkoli čínské vojenské a obranné složky postupně prohlubují své znalosti o tomto materiálu. Nicméně s výrazným nárůstem komplexní národní síly Číny budou požadavky na realizaci vojenské konkurenceschopné strategie v 21. století a zlepšení úrovně vybavení jistě velmi naléhavé. Proto bude rozšířené používání obřích magnetostrikčních materiálů na bázi terbia a dysprosia ze strany armády a obranných složek historickou nutností.
Stručně řečeno, terbium díky svým mnoha vynikajícím vlastnostem je nepostradatelným prvkem mnoha funkčních materiálů a v některých aplikačních oblastech má nezastupitelné místo. Vzhledem k vysoké ceně terbia se však lidé zabývají tím, jak se mu vyhnout a minimalizovat jeho používání, aby se snížily výrobní náklady. Například u magnetooptických materiálů ze vzácných zemin by se měl co nejvíce používat levný dysprosium-železo-kobalt nebo gadolinium-terbium-kobalt. Snažte se snížit obsah terbia v zeleném fluorescenčním prášku, který je nutné použít. Cena se stala důležitým faktorem omezujícím široké použití terbia. Mnoho funkčních materiálů se však bez něj neobejde, proto se musíme držet zásady „používejte dobrou ocel na čepeli“ a snažit se co nejvíce šetřit používání terbia.
Čas zveřejnění: 5. července 2023