אלמנט אדמה נדיר קסום: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריית הכבדאדמות נדירות, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב 1.1 עמודים לדקה בלבד. תחמוצת טרביום מהווה פחות מ- 0.01% מכלל האדמות הנדירות. אפילו בעפרות אדמה נדירות מסוג yttrium יון כבד עם התוכן הגבוה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכלל האדמה הנדירה, מה שמצביע על כך שהוא שייך לקטגוריה "האצילית" של יסודות אדמה נדירים. במשך למעלה ממאה שנה מאז גילוי טרביום בשנת 1843, המחסור והערכה שלו מנעו את היישום המעשי שלה במשך זמן רב. רק בשלושים השנים האחרונות הראה טרביום כישרונו הייחודי。

לגלות היסטוריה

הכימאי השבדי קרל גוסטף מוסנדר גילה את טרביום בשנת 1843. הוא מצא את זיהומיו בתחמוצת yttrium (iii)וכןY2O3ו Yttrium נקרא על שם הכפר ytterby בשבדיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילופי יונים, טרביום לא היה מבודד בצורתו הטהורה.

תחמוצת yttrium (iii) מחולקת לראשונה לשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות: תחמוצת yttrium (iii),תחמוצת ארביום (iii)ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביום הורכבה במקור מחלק ורוד, בגלל היסוד המכונה כיום ארביום. "תחמוצת ארביום (III)" (כולל מה שאנו מכנים כיום טרביום) היה במקור החלק חסר הצבע בפיתרון. תחמוצת הבלתי מסיס של אלמנט זה נחשבת לחומה.

עובדים מאוחרים יותר בקושי יכלו להתבונן בתחמוצת "ארביום (III)" חסר הצבע, אך לא ניתן היה להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. הוויכוחים על קיומו של תחמוצת ארביום (III) נבעו שוב ושוב. בכאוס, השם המקורי התהפך והחלפת השמות הייתה תקועה, כך שהחלק הוורוד הוזכר בסופו של דבר כפתרון המכיל ארביום (בתמיסה הוא היה ורוד). כעת מאמינים כי עובדים המשתמשים בנתרן ביסולפט או באשלגן גופרת לוקחיםתחמוצת Cerium (iv)מחוץ לתחמוצת yttrium (iii) והופכים באופן לא מכוון את טרביום למשקעים המכילים cerium. די בכ -1% מהתחמוצת המקורית של yttrium (iii), המכונה כיום "טרביום", בכדי להעביר צבע צהבהב לתחמוצת yttrium (iii). לפיכך, טרביום הוא מרכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכנותיו הקרובות, גאדוליניום ודיספרוזיון.

לאחר מכן, בכל פעם שהופרדו יסודות אדמה נדירים אחרים מתערובת זו, ללא קשר לשיעור תחמוצת, נשמר שמו של טרביום עד שלבסוף, הושג התחמוצת החומה של טרביום בצורה טהורה. החוקרים במאה ה -19 לא השתמשו בטכנולוגיית הקרינה האולטרה סגולה כדי לצפות בנודולים צהובים או ירוקים בהירים (III), מה שמקל על זיהוי הטרביום בתערובות או פתרונות מוצקים.
תצורת אלקטרונים

תצורת אלקטרונים:

1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P6 5S2 4D10 5P6 6S2 4F9

תצורת האלקטרונים של טרביום היא [XE] 6S24F9. בדרך כלל, ניתן להסיר רק שלושה אלקטרונים לפני שהמטען הגרעיני יהפוך גדול מכדי להיות מיוננים עוד יותר, אך במקרה של טרביום, טרביום מלא למחצה מאפשר למינון האלקטרון הרביעי בנוכחות חמצון חזק מאוד כמו גז פלואור.

טרביום מתכת

טרביום הוא מתכת אדמה נדירה לבנה מכסף עם משיכות, קשיחות ורכות שניתן לחתוך בעזרת סכין. נקודת התכה 1360 ℃, נקודת הרתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229 4 ק"ג/מ"ק. בהשוואה ללנטניד המוקדם, הוא יציב יחסית באוויר. כאלמנט התשיעי של לנטניד, טרביום הוא מתכת עם חשמל חזק. זה מגיב עם מים ליצירת מימן.

בטבע, טרביום מעולם לא נמצא כי הוא מרכיב חופשי, שכמות קטנה ממנו קיימת בחול פוספוקריום תוריום וגאדוליניט. טרביום מתקיים יחד עם יסודות אדמה נדירים אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום של 0.03% בדרך כלל. מקורות אחרים הם עפרות זהב נדירות של קסנוטיקס ושחור, שתיהן תערובות של תחמוצות ומכילות עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

היישום של טרביום כרוך בעיקר בתחומי היי-טק, שהם פרויקטים חדישים אינטנסיביים וטכנולוגיים, כמו גם פרויקטים עם יתרונות כלכליים משמעותיים, עם סיכויי פיתוח אטרקטיביים.

אזורי היישום העיקריים כוללים:

(1) נעשה שימוש בצורת אדמות נדירות מעורבות. לדוגמה, הוא משמש כדשן נדיר של תרכובת אדמה ותוסף הזנה לחקלאות.

(2) מפעיל לאבקה ירוקה בשלוש אבקות פלורסנט ראשוניות. חומרים אופטו -אלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחן, כלומר אדום, ירוק וכחול, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. ו- Terbium הוא מרכיב חיוני באבקות פלורסנט ירוקות באיכות גבוהה.

(3) משמש כחומר אחסון אופטי מגנטו. סרטי דק סגסוגת מתכת מתכתית אמורפית טרביום משמשת לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים.

(4) ייצור זכוכית אופטית מגנטו. זכוכית סיבובית של פאראדיי המכילה טרביום היא חומר מפתח עבור ייצור מסובבים, מבודדים ומחזור טכנולוגיית לייזר.

(5) התפתחות והתפתחות של סגסוגת טרביום דיספרוזיון פרומגונטוסטריקטיבית (טרפנול) פתחה יישומים חדשים לטרביום.

לחקלאות ולגידול בעלי חיים

טרביום אדמה נדיר יכול לשפר את איכות הגידולים ולהגדיל את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. למתחמי טרביום פעילות ביולוגית גבוהה. קומפלקסים טרנריים של טרביום, שחפת (ALA) 3benim (CLO4) 3 · 3H2O, הם בעלי השפעות אנטיבקטריאליות וחיידקיות טובות על Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ו- Escherichia coli. יש להם ספקטרום אנטיבקטריאלי רחב. המחקר על מתחמים כאלה מספק כיוון מחקר חדש לתרופות חיידקיות מודרניות.

משמש בתחום הזוהר

חומרים אופטו -אלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחן, כלומר אדום, ירוק וכחול, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. ו- Terbium הוא מרכיב חיוני באבקות פלורסנט ירוקות באיכות גבוהה. אם לידתו של אבקת פלואורסצנט אדום בצבע אדמה נדירה עוררה את הביקוש ל- yttrium ולאירופה, הרי היישום וההתפתחות של טרביום קידמו על ידי אדמה נדירה שלוש אבקת פלואורסצנט ירוק בצבע ראשוני למנורות. בתחילת שנות השמונים המציא פיליפס את המנורת הפלואורסצנטית הראשונה לחיסכון באנרגיה הקומפקטית וקידמה אותה במהירות ברחבי העולם. יוני TB3+יכולים לפלוט אור ירוק באורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל הזרחנים הירוקים האדמה הנדירים משתמשים בטרביום כמפעיל.

הזרחן הירוק לצינור קרן הקתודה הטלוויזיונית הצבעונית (CRT) תמיד התבסס על אבץ גופרתי, שהוא זול ויעיל, אך אבקת הטרביום שימשה מאז ומתמיד כזרחן הירוק לטלוויזיה בצבע הקרנה, כולל Y2SiO5 ∶ TB3+, Y3 (AL, GA) 5O12 ∶ TB3+ו- LAOBR ∶ TB3+. עם פיתוח טלוויזיה גדולה בהבחנה גבוהה (HDTV), מפותחים גם אבקות פלורסנט ירוקות בעלות ביצועים גבוהים עבור CRTs. לדוגמה, אבקת פלורסנט ירוקה היברידית פותחה בחו"ל, המורכבת מ- Y3 (Al, GA) 5O12: TB3+, LAOCL: TB3+, ו- Y2SIO5: TB3+, שיש להם יעילות זוהרת מעולה בצפיפות זרם גבוהה.

אבקת הניאון הרנטומית המסורתית היא סידן טונגסטאט. בשנות השבעים והשמונים של המאה העשרים פותחו זרחן אדמה נדיר להתעצמות מסכים, כמו תחמוצת Lanthanum גופרית שהופעלה על ידי טרביום, טרביום הפעיל תחמוצת ברום לנטנום (למסכים ירוקים), טרביום הפעיל את גופרית, על ידי חריגה של אבקתית, בהשוואה לטיפול באדמה, על ידי טופיה של אבקתית, רזולוציה של סרטי רנטגן, מאריכים את אורך החיים של צינורות רנטגן ומפחיתים את צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקה פלורסנטית למסכי שיפור רנטגן רפואי, שיכולים לשפר מאוד את הרגישות של המרת רנטגן לתמונות אופטיות, לשפר את בהירותם של סרטי רנטגן ולהפחית מאוד את מינון החשיפה של צילומי רנטגן לגוף האדם (ביותר מ- 50%).

Terbium משמש גם כמפעיל בזרחן LED הלבן הנרגש על ידי אור כחול לתאורה חדשה של מוליכים למחצה. זה יכול לשמש לייצור זרחן גביש אופטי מגנטו של טרביום אלומיניום, תוך שימוש בדיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והקרינה שנוצרה מעורבבת עם אור העירור לייצור אור לבן טהור.

החומרים האלקטרולומינצנטיים העשויים טרביום כוללים בעיקר זרחן ירוק אבץ גופרי עם טרביום כמפעיל. תחת הקרנה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנציה ירוקה חזקה ויכולים לשמש כחומרים אלקטרולומיננטיים של סרטים דקים. למרות שהתקדמה משמעותית במחקר של סרטי דק אלקטרולומינצנטיות מורכבות של כדור הארץ נדירות, עדיין יש פער מסוים מהמעשיות, ומחקר על סרטי דק ומכשירים אלקטרולומינצנטיים מורכבים אורגניים נדירים, עדיין עומק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדמי פלואורסצנט. לדוגמה, בדיקת פלואורסצנציה של Ofloxacin (TB3+) שימשה לחקר האינטראקציה בין קומפלקסית Terbium (TB3+) ו- DNA (DNA) על ידי ספקטרום פלואורסצין לבין ספקטרום ספיגה, מה שמעיד על שיפור DNA של DNA של DNA של DNA של DNA של DNA מערכת TB3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע DNA.

לחומרים אופטיים מגנטו

חומרים עם אפקט פאראדיי, המכונה גם חומרים מגנטו-אופטיים, נמצאים בשימוש נרחב בלייזרים ובמכשירים אופטיים אחרים. ישנם שני סוגים נפוצים של חומרים אופטיים מגנטו: גבישים אופטיים מגנטו וזכוכית אופטית מגנטו. ביניהם, גבישים מגנטו-אופטיים (כמו גרנט ברזל yttrium ו- terbium gallium) הם בעלי היתרונות של תדר הפעלה מתכוונן ויציבות תרמית גבוהה, אך הם יקרים וקשים לייצור. בנוסף, גבישים מגנטו-אופטיים רבים עם זווית סיבוב גבוהה של פאראדיי סובלים ספיגה גבוהה בטווח הגל הקצר, מה שמגביל את השימוש בהם. בהשוואה לגבישים אופטיים מגנטו, לזכוכית אופטית של מגנטו יש יתרון של העברה גבוהה וקל להפוך אותם לבלוקים או סיבים גדולים. נכון לעכשיו, משקפיים מגנטו-אופטיים עם אפקט פארדיי גבוה הם בעיקר משקפיים מסוממים של יון אדמה נדיר.

משמש לחומרי אחסון אופטיים מגנטו

בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של מולטימדיה ואוטומציה של משרדים, הביקוש לדיסקים מגנטיים חדשים בעלי קיבולת גבוהה גדל. סרטי סגסוגת מתכת מתכתית אמורפית טרביום שימשו לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, לסרט הדק של סגסוגת TBFECO יש את הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום הופקו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים המיוצרים מהם משמשים כרכיבי אחסון ממוחשבים, כאשר קיבולת האחסון גדלה פי 10-15. יש להם את היתרונות של קיבולת גדולה ומהירות גישה מהירה, וניתן למחוק אותם ולצפוי עשרות אלפי פעמים כאשר משתמשים בהם לדיסקים אופטיים בצפיפות גבוהה. הם חומרים חשובים בטכנולוגיית אחסון מידע אלקטרוני. החומר המגנטי-אופטי הנפוץ ביותר בלהקות הגלויות והכמעט אינפרא אדום הוא Terbium Gallium Garnet (TGG) Crystal Single, שהוא החומר המגנטי-אופטי הטוב ביותר לייצור מסובבים ומבודדים של Faraday.

לזכוכית אופטית מגנטו

לזכוכית אופטית של פארדיי מגנטו יש שקיפות טובה ואיזוטרופיה באזורים הגלויים והאינפרא אדום, ויכולים ליצור צורות מורכבות שונות. קל לייצר מוצרים גדולים וניתן למשוך אותם לסיבים אופטיים. לפיכך, יש לו סיכויי יישום רחבים במכשירים אופטיים מגנטו כמו מבודדים אופטיים מגנטו, מודולטורים אופטיים מגנטו וחיישני זרם סיבים אופטיים. בשל הרגע המגנטי הגדול שלו ומקדם הספיגה הקטן שלו בטווח הגלוי והאינפרא אדום, יוני TB3+הפכו לרוב ליוני אדמה נדירים בכוסות אופטיות מגנטו.

סגסוגת טרביום דיספרוזיון סגסוגת

בסוף המאה העשרים, עם העמקת המהפכה המדעית והטכנולוגית העולמית, חומרים יישומי אדמה נדירים חדשים צצים במהירות. בשנת 1984, אוניברסיטת מדינת איווה בארצות הברית, מעבדת איימס של משרד האנרגיה של ארצות הברית של ארצות הברית והמרכז לחקר נשק חיל הים האמריקני (אנשי הצוות העיקרי של חברת הטכנולוגיה האמריקאית לקצה האמריקאית (ET REMA) הגיע מהמרכז) פיתח במשותף חומר חכם אדמה נדיר, כלומר טרביום דיספרוזיון ענק מגנטוסטריקטריטיבית ענקית. לחומר חכם חדש זה יש את המאפיינים המצוינים של המרת אנרגיה חשמלית במהירות לאנרגיה מכנית. המתמרים התת-מימיים והאלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטוסטרקטיבי ענק זה הוגדרו בהצלחה בציוד ימי, רמקולי זיהוי באר שמן, מערכות בקרת רעש ורטט ומערכות חקר אוקיינוס ​​ותקשורת תת-קרקעית. לפיכך, ברגע שנולד חומר מגנטו -קריקטטיבי של ענקית הברזל של טרביום, הוא זכה לתשומת לב נרחבת ממדינות מתועשות ברחבי העולם. טכנולוגיות Edge בארצות הברית החלו לייצר חומרים מגנטוסטרקטיביים ענקיים של טרביום דיספרוזיון בברזל בשנת 1989 וקראו להם טרפנול D. לאחר מכן, שוודיה, יפן, רוסיה, בריטניה, ואוסטרליה פיתחו גם חומרים מגנטוסטריקטטיביים ענקיים ברזל טרביום.

מההיסטוריה של התפתחות חומר זה בארצות הברית, גם המצאת החומר וגם היישומים המונופוליסטיים המוקדמים שלו קשורים ישירות לתעשייה הצבאית (כמו חיל הים). אם כי מחלקות הצבא וההגנה של סין מחזקות בהדרגה את הבנתן בחומר זה. עם זאת, לאחר שהעוצמה הלאומית המקיפה של סין עלתה משמעותית, הדרישות למימוש האסטרטגיה התחרותית הצבאית במאה ה -21 ושיפור רמת הציוד בהחלט יהיו דחופות מאוד. לפיכך, השימוש הנרחב בחומרים מגנטו -גנטוריקטיביים של ענקית ברזל טרביום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה צורך היסטורי.

בקיצור, התכונות הרבות המצוינות של טרביום הופכות אותו לחבר חיוני בחומרים פונקציונליים רבים ולמיקום בלתי ניתן להחלפה בשדות יישומים מסוימים. עם זאת, בגלל המחיר הגבוה של טרביום, אנשים לומדים כיצד להימנע ולמזער את השימוש בטרביום על מנת להפחית את עלויות הייצור. לדוגמה, חומרים מגנטו-אופטיים אדמה נדירים צריכים להשתמש גם בקובלט ברזל דיספרוזיון בעלות נמוכה או בקובלט גאדוליניום טרביום ככל האפשר; נסה להפחית את תוכן הטרביום באבקת הניאון הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביום. אך חומרים פונקציונליים רבים אינם יכולים להסתדר בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעקרון של "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לשמור את השימוש בטרביום ככל האפשר.