אלמנט אדמה נדיר קסום: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריה של כבדיםכדורי אדמה נדירים, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב-1.1 ppm בלבד. תחמוצת טרביום מהווה פחות מ-0.01% מסך כדורי הארץ הנדירים. אפילו בעפרת אדמה נדירה כבדה מסוג איטריום גבוהה עם התכולה הגבוהה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מכלל כדור הארץ הנדיר, מה שמעיד על כך שהוא שייך לקטגוריית ה"אצילים" של יסודות אדמה נדירים. במשך למעלה מ-100 שנים מאז גילוי הטרביום ב-1843, מחסורו וערכו מנעו את יישומו המעשי במשך זמן רב. רק ב-30 השנים האחרונות הוכיח טרביום את כישרונו הייחודי.

גילוי היסטוריה

הכימאי השבדי קרל גוסטף מוסנדר גילה את הטרביום בשנת 1843. הוא מצא את זיהומיו בתחמוצת איטריום(III).וY2O3. איטריום נקרא על שם הכפר איטרבי בשוודיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילופי יונים, טרביום לא היה מבודד בצורתו הטהורה.

מוסאנט חילק לראשונה את תחמוצת איטריום(III) לשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות: תחמוצת איטריום(III),תחמוצת ארביום (III)., ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביום הייתה מורכבת במקור מחלק ורוד, בשל היסוד הידוע כיום בשם ארביום. "תחמוצת ארביום (III)" (כולל מה שאנו מכנים כיום טרביום) היה במקור החלק חסר הצבע בתמיסה. התחמוצת הבלתי מסיס של יסוד זה נחשבת חומה.

עובדים מאוחרים יותר בקושי יכלו לראות את "תחמוצת ארביום (III)" הקטנה חסרת הצבע, אבל אי אפשר היה להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. ויכוחים על קיומה של תחמוצת ארביום (III) התעוררו שוב ושוב. בתוך הכאוס השם המקורי התהפך וחילופי השמות נתקעו, כך שהחלק הוורוד הוזכר בסופו של דבר כתמיסה המכילה ארביום (בתמיסה זה היה ורוד). כיום מאמינים שעובדים המשתמשים בנתרן ביסולפט או אשלגן גופרתי לוקחיםתחמוצת סריום (IV).מתוך תחמוצת איטריום(III) ולהפוך טרביום ללא כוונה למשקע המכיל סריום. רק כ-1% מתחמוצת האיטריום(III) המקורית, הידועה כיום בשם "טרביום", מספיקה כדי להעביר צבע צהבהב לתחמוצת האיטריום(III). לכן, טרביום הוא מרכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכניו המיידיים, גדוליניום ודיספרוסיום.

לאחר מכן, בכל פעם שהופרדו מתערובת זו יסודות אדמה נדירים אחרים, ללא קשר לשיעור התחמוצת, נשמר שמו של טרביום עד שלבסוף התקבלה התחמוצת החומה של טרביום בצורה טהורה. חוקרים במאה ה-19 לא השתמשו בטכנולוגיית פלואורסצנטי אולטרה סגול כדי לצפות בגושים צהובים או ירוקים בהירים (III), מה שמקל על זיהוי טרביום בתערובות או תמיסות מוצקות.
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 הופך להיות גדול מכדי להיות מיונן נוסף, אך במקרה של טרביום, טרביום מלא למחצה מאפשר ליינון נוסף של האלקטרון הרביעי בנוכחות חומרים חמצוניים חזקים מאוד כגון גז פלואור.

מתכת טרביום

טרביום היא מתכת אדמה נדירה כסופה לבן עם משיכות, קשיחות ורכות שניתן לחתוך בסכין. נקודת התכה 1360 ℃, נקודת רתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229 4 ק"ג/מ"ק. בהשוואה ל-Lanthanide המוקדם, הוא יציב יחסית באוויר. כיסוד התשיעי של לנתניד, טרביום היא מתכת בעלת חשמל חזק. הוא מגיב עם מים ויוצר מימן.

בטבע, טרביום מעולם לא נמצא כיסוד חופשי, שכמות קטנה ממנו קיימת בחול פוספוסריום תוריום ובגדוליניט. טרביום מתקיים יחד עם יסודות אדמה נדירים אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום בדרך כלל של 0.03%. מקורות נוספים הם Xenotime ועפרות זהב נדיר שחור, שניהם תערובות של תחמוצות ומכילים עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

היישום של טרביום כרוך בעיקר בתחומי היי-טק, שהם פרויקטים חדישים עתירי טכנולוגיה וידע, וכן פרויקטים בעלי יתרונות כלכליים משמעותיים, עם סיכויי פיתוח אטרקטיביים.

תחומי היישום העיקריים כוללים:

(1) מנוצל בצורה של אדמה נדירה מעורבת. לדוגמה, הוא משמש כדשן מורכב של אדמה נדירה ותוסף מזון לחקלאות.

(2) מפעיל לאבקה ירוקה בשלוש אבקות ניאון ראשוניות. חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחנים, כלומר אדום, ירוק וכחול, שניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב הכרחי בהרבה אבקות ניאון ירוקות ואיכותיות.

(3) משמש כחומר אחסון אופטי מגנטו. סרטים דקים מסגסוגת מתכת אמורפית טרביום שימשו לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים.

(4) ייצור זכוכית מגנטו אופטית. זכוכית סיבובית של פאראדיי המכילה טרביום היא חומר מפתח לייצור מסובבים, מבודדים ומחזורים בטכנולוגיית לייזר.

(5) הפיתוח והפיתוח של סגסוגת ferromagnetostrictive terbium dysprosium (TerFenol) פתחו יישומים חדשים עבור טרביום.

לחקלאות וגידול בעלי חיים

טרביום מאדמה נדירה יכול לשפר את איכות הגידולים ולהגביר את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. למתחמי טרביום פעילות ביולוגית גבוהה. קומפלקסים טריריים של טרביום, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, הם בעלי השפעות אנטיבקטריאליות וקוטלות חיידקים טובות על Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ו-Escherichia coli. יש להם ספקטרום אנטיבקטריאלי רחב. המחקר של מתחמים כאלה מספק כיוון מחקר חדש לתרופות קוטל חיידקים מודרניות.

משמש בתחום הזוהר

חומרים אופטואלקטרוניים מודרניים דורשים שימוש בשלושה צבעים בסיסיים של זרחנים, כלומר אדום, ירוק וכחול, שניתן להשתמש בהם כדי לסנתז צבעים שונים. וטרביום הוא מרכיב הכרחי בהרבה אבקות ניאון ירוקות ואיכותיות. אם לידתה של אבקת פלורסנט אדומה לטלוויזיה אדמה נדירה עוררה את הביקוש לאיטריום ואירופיום, אזי היישום והפיתוח של טרביום קודמו על ידי אבקת פלורסנט ירוקה בשלושה צבעים ראשוניים של אדמה נדירה עבור מנורות. בתחילת שנות ה-80, פיליפס המציאה את מנורת הפלורסנט הקומפקטית החסכונית הראשונה בעולם וקידמה אותה במהירות ברחבי העולם. יוני Tb3+ יכולים לפלוט אור ירוק עם אורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל הזרחנים הירוקים הנדירים של כדור הארץ משתמשים בטרביום כמפעיל.

הזרחן הירוק עבור שפופרת קרניים קתודיות של טלוויזיה צבעונית (CRT) תמיד היה מבוסס על אבץ גופרתי, שהוא זול ויעיל, אבל אבקת הטרביום שימשה תמיד כזרחן הירוק להקרנה של טלוויזיה צבעונית, כולל Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ו-LaOBr ∶ Tb3+. עם הפיתוח של טלוויזיה בהבחנה גבוהה עם מסך גדול (HDTV), מפותחות גם אבקות פלורסנט ירוקות בעלות ביצועים גבוהים עבור CRT. לדוגמה, אבקת פלורסנט ירוקה היברידית פותחה בחו"ל, המורכבת מ-Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+, ו-Y2SiO5: Tb3+, בעלי יעילות הארה מצוינת בצפיפות זרם גבוהה.

אבקת הפלורסנט המסורתית של קרני רנטגן היא סידן טונגסטאט. בשנות ה-70 וה-80 פותחו זרחנים נדירים של אדמה נדירה להעצמת רשתות, כמו תחמוצת גופרית פעילה בטרביום, תחמוצת לנתנום פעילה בטרביום (למסכים ירוקים), תחמוצת גופרית פעילה בטרביום Yttrium(III) ועוד. בהשוואה לסידן טונגסטאט. אבקת פלורסנט אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן צילום הרנטגן הקרנה למטופלים ב-80%, שיפור הרזולוציה של סרטי רנטגן, הארכת תוחלת החיים של צינורות רנטגן והפחתת צריכת האנרגיה. טרביום משמש גם כמפעיל אבקת ניאון עבור מסכי שיפור בקרני רנטגן רפואיים, שיכול לשפר מאוד את הרגישות של המרת רנטגן לתמונות אופטיות, לשפר את הבהירות של סרטי רנטגן ולהפחית במידה ניכרת את מינון החשיפה של רנטגן. קרניים לגוף האדם (במעלה מ-50%).

טרביום משמש גם כמפעיל בזרחן LED הלבן הנרגש מאור כחול עבור תאורת מוליכים למחצה חדשה. זה יכול לשמש לייצור זרחנים גבישיים מגנטו אופטיים מאלומיניום טרביום, באמצעות דיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והפלורסצנטי שנוצר מעורבב עם אור העירור כדי לייצר אור לבן טהור.

החומרים האלקטרולומינסנטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר זרחן ירוק אבץ גופרתי עם טרביום כמפעיל. תחת קרינה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנטי ירוק חזק וניתן להשתמש בהם כחומרים אלקטרו-אורגניים של סרט דק. למרות שהושגה התקדמות משמעותית במחקר של סרטים דקים אלקטרו-אורגניים מורכבים של אדמה נדירה, עדיין קיים פער מסוים מהמעשיות, והמחקר על סרטים ומכשירים דקים אלקטרו-אורגני מורכבים של אדמה נדירה עדיין בעומק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדיקות פלואורסצנטיות. לדוגמה, בדיקת הקרינה של Ofloxacin Terbium (Tb3+) שימשה כדי לחקור את האינטראקציה בין קומפלקס Ofloxacin Terbium (Tb3+) ל-DNA (DNA) על ידי ספקטרום הקרינה וספקטרום הספיגה, מה שמעיד על כך ש-Ofloxacin Tb3+Probe יכול ליצור קשר חריץ, עם מולקולות DNA. ו-DNA יכול לשפר משמעותית את הקרינה של Ofloxacin מערכת Tb3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע DNA.

לחומרים אופטיים מגנטו

חומרים עם אפקט פאראדיי, הידועים גם כחומרים מגנטו-אופטיים, נמצאים בשימוש נרחב בלייזרים ובמכשירים אופטיים אחרים. ישנם שני סוגים נפוצים של חומרים מגנטו אופטיים: גבישים אופטיים מגנטו וזכוכית מגנטו אופטית. ביניהם, גבישים מגנטו-אופטיים (כגון נופך ברזל איטריום ונופך טרביום גליום) הם בעלי יתרונות של תדר פעולה מתכוונן ויציבות תרמית גבוהה, אך הם יקרים וקשים לייצור. בנוסף, גבישים מגנטו-אופטיים רבים בעלי זווית סיבוב גבוהה של Faraday הם בעלי ספיגה גבוהה בטווח הגלים הקצרים, מה שמגביל את השימוש בהם. בהשוואה לגבישים אופטיים מגנטו, לזכוכית אופטית מגנטו יש יתרון של שידור גבוה וקל להפוך אותה לגושים או סיבים גדולים. כיום, משקפיים מגנטו-אופטיים עם אפקט פאראדיי גבוה הם בעיקר משקפיים מסוממים עם יונים נדירים.

משמש לחומרי אחסון אופטיים מגנטו

בשנים האחרונות, עם ההתפתחות המהירה של מולטימדיה ואוטומציה משרדית, הביקוש לדיסקים מגנטיים חדשים בעלי קיבולת גבוהה גובר. סרטי סגסוגת מתכת טרביום מתכת אמורפית שימשו לייצור דיסקים מגנטו-אופטיים בעלי ביצועים גבוהים. ביניהם, הסרט הדק מסגסוגת TbFeCo הוא בעל הביצועים הטובים ביותר. חומרים מגנטו-אופטיים מבוססי טרביום יוצרו בקנה מידה גדול, ודיסקים מגנטו-אופטיים העשויים מהם משמשים כרכיבי אחסון מחשבים, כאשר קיבולת האחסון גדלה פי 10-15. יש להם את היתרונות של קיבולת גדולה ומהירות גישה מהירה, וניתן לנגב ולציפוי עשרות אלפי פעמים כאשר משתמשים בהם לדיסקים אופטיים בצפיפות גבוהה. הם חומרים חשובים בטכנולוגיית אחסון מידע אלקטרוני. החומר המגנטו-אופטי הנפוץ ביותר ברצועות הנראות והקרוב לאינפרא אדום הוא גביש יחיד מסוג Terbium Gallium Garnet (TGG), שהוא החומר המגנטו-אופטי הטוב ביותר לייצור מסובבים ומבודדים של Faraday.

לזכוכית מגנטו אופטית

זכוכית מגנטו אופטית של Faraday היא בעלת שקיפות ואיזוטרופיה טובה באזורים הנראים והאינפרא אדום, ויכולה ליצור צורות מורכבות שונות. קל לייצר מוצרים בגודל גדול וניתן למשוך אותו לתוך סיבים אופטיים. לכן, יש לו סיכויי יישום רחבים בהתקנים מגנטו אופטיים כגון מבודדים אופטיים מגנטו, מאפננים מגנטו אופטיים וחיישני זרם סיבים אופטיים. בשל המומנט המגנטי הגדול שלו ומקדם הספיגה הקטן שלו בטווח הנראה והאינפרא אדום, יוני Tb3+ הפכו לנפוץ בשימוש ביוני אדמה נדירים במשקפיים מגנטו אופטיות.

Terbium dysprosium סגסוגת ferromagnetostrictive

בסוף המאה ה-20, עם העמקת המהפכה המדעית והטכנולוגית העולמית, צצים במהירות חומרי יישומי אדמה נדירים חדשים. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה סטייט של ארצות הברית, מעבדת איימס של מחלקת האנרגיה של ארצות הברית של ארצות הברית והמרכז לחקר נשק שטח של הצי האמריקני (הצוות העיקרי של חברת טכנולוגיית הטכנולוגיה האמריקאית (ET REMA) שהוקמה מאוחר יותר. המרכז) פיתחו במשותף חומר חכם חדש של אדמה נדירה, כלומר חומר מגנטוסטריקטי ענק ברזל טרביום דיספרוזיום. לחומר החכם החדש הזה יש את המאפיינים המצוינים של המרת אנרגיה חשמלית במהירות לאנרגיה מכנית. המתמרים התת-מימיים והאלקטרו-אקוסטיים העשויים מחומר מגנטו-סטריקטי ענק זה הוגדרו בהצלחה בציוד ימי, ברמקולים לזיהוי בארות נפט, מערכות בקרת רעשים ורעידות, ומערכות חקירת אוקיינוס ​​ותקשורת תת-קרקעית. לכן, ברגע שנולד החומר המגנטוסטריקטי הענק ברזל טרביום דיספרוזיום, הוא זכה לתשומת לב נרחבת ממדינות מתועשות ברחבי העולם. אדג' טכנולוגיות בארצות הברית החלה לייצר חומרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום בשנת 1989 וקראה להם Terfenol D. לאחר מכן, שוודיה, יפן, רוסיה, בריטניה ואוסטרליה פיתחו חומרים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום.

מההיסטוריה של הפיתוח של חומר זה בארצות הברית, הן המצאת החומר והן היישומים המונופוליסטיים המוקדמים שלו קשורים ישירות לתעשייה הצבאית (כגון חיל הים). למרות שמחלקות הצבא וההגנה של סין מחזקים בהדרגה את הבנתם בחומר זה. עם זאת, לאחר שהכוח הלאומי המקיף של סין גדל משמעותית, הדרישות למימוש האסטרטגיה התחרותית הצבאית במאה ה-21 ושיפור רמת הציוד בהחלט יהיו מאוד דחופות. לכן, השימוש הנרחב בחומרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה הכרח היסטורי.

בקיצור, התכונות המצוינות הרבות של טרביום הופכות אותו לחבר הכרחי בחומרים פונקציונליים רבים ולמיקום שאין לו תחליף בכמה תחומי יישום. עם זאת, בשל המחיר הגבוה של טרביום, אנשים לומדים כיצד להימנע ולמזער את השימוש בטרביום על מנת להפחית את עלויות הייצור. לדוגמה, חומרים מגנטו-אופטיים של אדמה נדירה צריכים להשתמש גם בקובלט ברזל דיספרוזיום בעלות נמוכה או גדוליניום טרביום קובלט ככל האפשר; נסו להפחית את תכולת הטרביום באבקת הפלורסנט הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בטרביום. אבל חומרים פונקציונליים רבים אינם יכולים להסתדר בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעיקרון של "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לחסוך ככל האפשר את השימוש בטרביום.