אלמנט אדמה נדיר קסום: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריית אדמות נדירות כבדות, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב 1.1 עמודים לדקה בלבד.תחמוצת טרביוםמהווה פחות מ- 0.01% מכלל האדמות הנדירות. אפילו בעפרות אדמה נדירות מסוג yttrium yttrium כבד עם התוכן הגבוה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מהסך הכלכדור הארץ הנדיר, מציין שזה שייך לקטגוריה "אצילית" שלכדור הארץ הנדיראלמנטים. במשך למעלה ממאה שנה מאז גילוי טרביום בשנת 1843, המחסור והערכה שלו מנעו את היישום המעשי שלה במשך זמן רב. רק בשלושים השנים האחרונות זהטרביוםהראתה את הכישרון הייחודי שלה.

לגלות היסטוריה

הכימאי השבדי קרל גוסטף מוסנדר גילה את טרביום בשנת 1843. הוא גילה את זיהומיו בתחמוצת yttriumוכןY2O3. Yttriumנקרא על שם הכפר איטבי בשבדיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילופי יונים, טרביום לא היה מבודד בצורתו הטהורה.

מוסנדר מחולק לראשונהתחמוצת yttriumלשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות:תחמוצת yttrium, תחמוצת ארביום, ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביוםבמקור היה מורכב מחלק ורוד, בגלל האלמנט המכונה כיוםארביום. תחמוצת ארביום(כולל מה שאנחנו מכנים כיום טרביום) היה במקור חלק חסר צבע בפתרון. תחמוצת הבלתי מסיס של אלמנט זה נחשבת לחומה.

עובדים מאוחרים יותר התקשו להתבונן בצבע זעיר "חסר צבע"תחמוצת ארביום", אבל אי אפשר להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. הוויכוח על קיומו שלתחמוצת ארביוםהתגלה 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 דיסולפיד או באשלגן סולפט כדי להסיר את דו חמצני של Ceriumתחמוצת yttriumלא בכוונהטרביוםלתוך סריום המכיל משקעים. ידוע כיום בשם 'טרביום', רק בערך 1% מהמקורתחמוצת yttriumקיים, אך זה מספיק כדי להעביר צבע צהוב בהיר לתחמוצת yttriumו לָכֵן,טרביוםהוא מרכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכנותיו הקרובות,גאדוליניוםוכןדיספרוזיון.

אחר כך, בכל פעם אחרכדור הארץ הנדיראלמנטים הופרדו מתערובת זו, ללא קשר לשיעור תחמוצת, שמו של טרביום נשמר עד לבסוף, תחמוצת החום שלטרביוםהושג 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

פריסה אלקטרונית:

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

הסידור האלקטרוני שלטרביוםIS [XE] 6S24F9. בדרך כלל, ניתן להסיר רק שלושה אלקטרונים לפני שהמטען הגרעיני יהפוך גדול מכדי להיות מיוננים עוד יותר. עם זאת, במקרה שלטרביום, החצי מלאטרביוםמאפשר יינון נוסף של האלקטרון הרביעי בנוכחות חמצון חזק מאוד כמו גז פלואור.

מַתֶכֶת

טרביוםהיא מתכת אדמה נדירה כסוף עם משיכות, קשיחות ורכות שניתן לחתוך בעזרת סכין. נקודת התכה 1360 ℃, נקודת הרתיחה 3123 ℃, צפיפות 8229 4 ק"ג/מ"ק. בהשוואה לאלמנטים מוקדמים של לנטניד, הוא יציב יחסית באוויר. היסוד התשיעי של אלמנטים של Lanthanide, Terbium, הוא מתכת טעונה מאוד המגיבה עם מים ליצירת גז מימן.

בטבע,טרביוםמעולם לא נמצא כי הוא אלמנט חופשי, שנמצא בכמויות קטנות בחול הזרחן של Cerium Thorium ו- Beryllium yttrium עפרות.טרביוםמתקיים יחד עם יסודות אדמה נדירים אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום של 0.03% בדרך כלל. מקורות אחרים כוללים פוספט yttrium וזהב אדמה נדיר, שתיהן תערובות של תחמוצות המכילות עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

היישום שלטרביוםכרוך בעיקר בשדות היי-טק, שהם פרויקטים חדישים אינטנסיביים וטכנולוגיים אינטנסיביים, 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. וכןטרביוםהוא מרכיב חיוני בהרבה אבקות פלורסנט ירוקות באיכות גבוהה.

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

כדור הארץ הנדירטרביוםיכול לשפר את איכות הגידולים ולהגדיל את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. למתחמי טרביום פעילות ביולוגית גבוהה, והמתחמים הטרנריים שלטרביום, TB (ALA) 3benim (CLO4) 3-3H2O, יש השפעות אנטיבקטריאליות וחיידקיות טובות על Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ו- Escherichia coli, עם תכונות אנטיביקטריאליות רחבות-ספקטרום. המחקר על מתחמים אלה 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 לידת אבקת פלואורסצנט אדום בצבע אדמה נדירה עוררה את הביקושyttriumוכןאירופהאז יישום ופיתוחו של טרביום קידמו על ידי כדור הארץ הנדיר שלוש אבקת פלורסנט ירוקה 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 עם אורך גל של 545 ננומטר, וכמעט כל אבקות פלורסנט ירוק אדמה נדירות משתמשותטרביום, כמפעיל.

אבקת הניאון הירוקה המשמשת לצינורות קרני טלוויזיה בצבע טלוויזיה (CRTs) תמיד התבססה בעיקר על אבץ זול ויעיל אבץ גופרי, אך אבקת טרביום שימשה תמיד כאבקה ירוקה בצבע הטלוויזיה, כמו 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 פותחו אבקות פלואורסצנט נדירות למסכי רגישות, כמוטרביוםתחמוצת Lanthanum גופרית מופעלת, תחמוצת Lanthanum bromide שהופעלה על ידי טרביום (למסכים ירוקים), ותחמוצת yttrium sulfide yttrium. בהשוואה לסידן טונגסטט, אבקת פלואורסצנט אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן ההקרנה לרנטגן עבור חולים ב- 80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להרחיב את אורך החיים של צינורות רנטגן ולהפחית 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%).

טרביוםמשמש גם כמפעיל בזרחן ה- LED הלבן הנרגש על ידי אור כחול לתאורה חדשה של מוליכים למחצה. זה יכול לשמש לייצור זרחן גביש אופטי של Terbium Aluminum Magneto, תוך שימוש בדיודות פולטות אור כחול כמקורות אור עירור, והקרינה הנוצרת מעורבבת עם אור העירור לייצור אור לבן טהור

החומרים האלקטרולומינצנטיים העשויים מטרביום כוללים בעיקר אבקה פלואורסצנט ירוק אבץ עם אבץ עם אבץטרביוםכמפעיל. תחת הקרנה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנציה ירוקה חזקה ויכולים לשמש כחומרים אלקטרולומיננטיים של סרטים דקים. אם כי התקדמה משמעותית בחקרכדור הארץ הנדירסרטי דק אלקטרולומינצנטיים מורכבים אורגניים, עדיין יש פער מסוים מהמעשיות, ומחקר על סרטים ומכשירים דקים אלקטרולומיננטיים מורכבים אורגניים נדירים, עדיין עומק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדמי פלואורסצנט. האינטראקציה בין קומפלקס של Ofloxacin Terbium (TB3+) וחומצה deoxyribonucleic (DNA) נחקרה באמצעות ספקטרום פלואורסצנטי וספיגה, כמו בדיקת הקרינה של Ofloxacin terbium (TB3+). התוצאות הראו כי בדיקת TB3+Ofloxacin יכולה ליצור קשירת חריץ עם מולקולות DNA, וחומצה deoxyribonucleic יכולה לשפר משמעותית את הקרינה של מערכת TB3+Ofloxacin. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע חומצה deoxyribonucleic.

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 זוויות סיבוב גבוהות של פארדיי יש ספיגה גבוהה בטווח הגלים 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 דק סגסוגת מתכת מתכתית אמורפית טרביום משמשת לייצור דיסקים אופטיים מגנטו 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 העמקה מתמדת של המהפכה הטכנולוגית העולמית, חומרי יישום אדמה נדירים חדשים צצו במהירות. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה, מעבדת איימס של משרד האנרגיה האמריקני, והמרכז לחקר נשק חיל הים האמריקני (ממנו הגיע אנשי הצוות העיקרי של חברת Technology Technology Technology Corporation (ET REMA)) כדי לפתח חומר אינטליגנטי אדמה נדיר, כלומר טרביום דיספרוזיון פרומגנטטימנטריטיבית. לחומר אינטליגנטי חדש זה מאפיינים מצוינים 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, עם השיפור המשמעותי של חוזקה הלאומי המקיף של סין, הביקוש להשגת אסטרטגיה תחרותית צבאית של המאה ה -21 ושיפור רמות הציוד בהחלט יהיה דחוף מאוד. לפיכך, השימוש הנרחב בחומרים מגנטו -גנטוריקטיביים של ענקית ברזל טרביום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה צורך היסטורי.

בקיצור, התכונות המצוינות הרבות שלטרביוםהפוך 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 בעלות נמוכהברזל דיספרוזיוןקובלט או גאדוליניום טרביום קובלט ככל האפשר; נסה להפחית את תוכן הטרביום באבקת הניאון הירוקה שיש להשתמש בה. המחיר הפך לגורם חשוב המגביל את השימוש הנרחב בוטרביוםו אך חומרים פונקציונליים רבים אינם יכולים להסתדר בלעדיו, ולכן עלינו לדבוק בעקרון של "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לשמור את השימוש בוטרביוםככל האפשר.