אלמנט אדמה נדיר קסום: טרביום

טרביוםשייך לקטגוריה של כדורי אדמה נדירים כבדים, עם שפע נמוך בקרום כדור הארץ ב-1.1 ppm בלבד.תחמוצת טרביוםמהווה פחות מ-0.01% מכלל כדורי הארץ הנדירים. אפילו בעפרות אדמה נדירות כבדות מסוג איטריום גבוהות עם התכולה הגבוהה ביותר של טרביום, תכולת הטרביום מהווה רק 1.1-1.2% מהכללאדמה נדירה, המצביע על כך שהוא שייך לקטגוריית "אצילים" שלאדמה נדירהאלמנטים. במשך למעלה מ-100 שנים מאז גילוי הטרביום ב-1843, מחסורו וערכו מנעו את יישומו המעשי במשך זמן רב. זה רק ב-30 השנים האחרונותטרביוםהראתה את הכישרון הייחודי שלה.

גילוי היסטוריה

הכימאי השבדי קרל גוסטף מוסנדר גילה את הטרביום בשנת 1843. הוא גילה את זיהומיו בתחמוצת איטריוםוY2O3. איטריוםנקרא על שם הכפר איטבי בשוודיה. לפני הופעתה של טכנולוגיית חילופי יונים, טרביום לא היה מבודד בצורתו הטהורה.

מוסנדר חילק תחילהתחמוצת איטריוםלשלושה חלקים, כולם נקראים על שם עפרות:תחמוצת איטריום, תחמוצת ארביום, ותחמוצת טרביום. תחמוצת טרביוםבמקור היה מורכב מחלק ורוד, בשל האלמנט הידוע כיום בשםארביום. תחמוצת ארביום(כולל מה שאנו מכנים כיום טרביום) היה במקור חלק חסר צבע בתמיסה. התחמוצת הבלתי מסיס של יסוד זה נחשבת חומה.

עובדים מאוחר יותר התקשו לראות חסרי צבע זעירים"תחמוצת ארביום", אבל אי אפשר להתעלם מהחלק הוורוד המסיס. הוויכוח על קיומו שלתחמוצת ארביוםהופיע 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 דיסולפיד או אשלגן גופרתי כדי להסיר צריום דו חמצני מתחמוצת איטריוםלהסתובב בלי כוונהטרביוםלתוך צריום המכיל משקעים. ידוע כרגע בשם'טרביום', רק כ-1% מהמקורתחמוצת איטריוםקיים, אבל זה מספיק כדי להעביר צבע צהוב בהירתחמוצת איטריום. לָכֵן,טרביוםהוא רכיב משני שהכיל אותו בתחילה, והוא נשלט על ידי שכניו המיידיים,גדוליניוםודיספרוזיום.

אחר כך, בכל פעם אחרתאדמה נדירהיסודות הופרדו מתערובת זו, ללא קשר לשיעור התחמוצת, השם של טרביום נשמר עד שלבסוף, התחמוצת החומה שלטרביוםהושג 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

פריסה אלקטרונית:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9

הסידור האלקטרוני שלטרביוםהוא [Xe] 6s24f9. בדרך כלל, ניתן להסיר רק שלושה אלקטרונים לפני שהמטען הגרעיני הופך להיות גדול מכדי להיות מיונן נוסף. עם זאת, במקרה שלטרביום, המלא למחצהטרביוםמאפשר יינון נוסף של האלקטרון הרביעי בנוכחות חומר חמצון חזק מאוד כמו גז פלואור.

מַתֶכֶת

טרביוםהיא 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 ליסודות לנתניד מוקדמים, הוא יציב יחסית באוויר. היסוד התשיעי של יסודות לנתניד, טרביום, הוא מתכת טעינה מאוד המגיבה עם מים ליצירת גז מימן.

בטבע,טרביוםמעולם לא התגלה כיסוד חופשי, הקיים בכמויות קטנות בחול צריום תוריום זרחני ובעפרות סיליקון בריליום איטריום.טרביוםמתקיים יחד עם יסודות אדמה נדירים אחרים בחול מונזיט, עם תכולת טרביום בדרך כלל של 0.03%. מקורות נוספים כוללים איטריום פוספט וזהב עפר נדיר, שניהם תערובות של תחמוצות המכילות עד 1% טרביום.

בַּקָשָׁה

היישום שלטרביוםעוסקת 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. וטרביוםהוא מרכיב הכרחי בהרבה אבקות פלורסנט 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

אדמה נדירהטרביוםיכול לשפר את איכות היבולים ולהגביר את קצב הפוטוסינתזה בטווח ריכוז מסוים. לקומפלקסים של טרביום פעילות ביולוגית גבוהה, ולקומפלקסים השלישיים שלטרביוםל-Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, יש השפעות אנטיבקטריאליות וקוטלות חיידקים טובות על Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ו-Escherichia coli, עם תכונות אנטיבקטריאליות רחבות טווח. חקר המתחמים הללו 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 טלוויזיה צבעונית אדמה נדירה אבקת פלורסנט אדומה עוררה את הביקושאיטריוםואירופיום, אז היישום והפיתוח של טרביום קודמו על ידי אבקת פלורסנט ירוקה של אדמה נדירה בשלושה צבעים ראשוניים 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 אבקות פלורסנט ירוקות של אדמה נדירה משתמשותטרביום, כמפעיל.

אבקת הפלורסנט הירוקה המשמשת עבור צינורות קרניים קתודיות של טלוויזיה צבעונית (CRTs) תמיד התבססה בעיקר על אבץ גופרתי זול ויעיל, אבל אבקת טרביום שימשה תמיד כאבקת הקרנה ירוקה של טלוויזיה צבעונית, כגון 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 אבקות פלורסנט של אדמה נדירה למסכי רגישות, כגוןטרביוםתחמוצת לנתנום גופרתי פעילה, תחמוצת לנטנום ברומיד פעילה בטרביום (למסכים ירוקים), ותחמוצת איטריום גופרתי המופעלת בטרביום. בהשוואה לסידן טונגסטאט, אבקת פלורסנט של אדמה נדירה יכולה להפחית את זמן הקרנת רנטגן למטופלים ב-80%, לשפר את הרזולוציה של סרטי רנטגן, להאריך את תוחלת החיים של צינורות רנטגן ולהפחית את 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%).

טרביוםמשמש גם כמפעיל בזרחן LED הלבן הנרגש מאור כחול לתאורת מוליכים למחצה חדשה. זה יכול לשמש לייצור זרחנים גבישיים מגנטו אופטיים של אלומיניום 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 אבץ גופרתי אבקת פלורסנט ירוקה עםטרביוםבתור המפעיל. תחת קרינה אולטרה סגולה, קומפלקסים אורגניים של טרביום יכולים לפלוט פלואורסצנטי ירוק חזק וניתן להשתמש בהם כחומרים אלקטרו-אורגניים של סרט דק. למרות שנעשתה התקדמות משמעותית במחקר שלאדמה נדירהסרטים דקים אלקטרו-אורגניים מורכבים, עדיין יש פער מסוים מהמעשיות, והמחקר על סרטים ומכשירים דקים אלקטרו-אורגני מורכבים של אדמה נדירה עדיין מעמיק.

מאפייני הקרינה של טרביום משמשים גם כבדיקות פלואורסצנטיות. האינטראקציה בין קומפלקס אופלוקסצין טרביום (Tb3+) לחומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) נחקרה באמצעות ספקטרום פלואורסצנטי וספיגה, כגון בדיקת הקרינה של טרביום אופלוקסצין (Tb3+). התוצאות הראו ש-ofloxacin Tb3+probe יכול ליצור קשר חריץ עם מולקולות DNA, וחומצה deoxyribonucleic יכולה לשפר משמעותית את הקרינה של מערכת ofloxacin Tb3+. בהתבסס על שינוי זה, ניתן לקבוע חומצה deoxyribonucleic.

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 זוויות סיבוב גבוהות של פאראדיי 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. סרטים דקים מסגסוגת מתכת אמורפית טרביום 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 ההעמקה המתמשכת של המהפכה הטכנולוגית העולמית, צצו במהירות חומרי יישומי אדמה נדירים חדשים. בשנת 1984, אוניברסיטת איווה סטייט, מעבדת איימס של מחלקת האנרגיה של ארה"ב והמרכז לחקר נשק שטח של הצי האמריקני (שממנו הגיעו הצוות העיקרי של תאגיד הטכנולוגיה Edge Technology (ET REMA) שהוקם מאוחר יותר) כדי לפתח מכשיר נדיר חדש. חומר אינטליגנטי לכדור הארץ, כלומר חומר מגנטוסטריקטי פרומגנטי טרביום דיספרוזיום. לחומר אינטליגנטי חדש זה מאפיינים מצוינים 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, עם השיפור המשמעותי של החוזק הלאומי המקיף של סין, הדרישה להשגת אסטרטגיה תחרותית צבאית של המאה ה-21 ושיפור רמות הציוד בהחלט תהיה דחופה מאוד. לכן, השימוש הנרחב בחומרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים של ברזל טרביום דיספרוזיום על ידי מחלקות ההגנה הצבאיות והלאומיות יהיה הכרח היסטורי.

בקיצור, המאפיינים המצוינים הרבים שלטרביוםלהפוך אותו לחבר הכרחי של חומרים פונקציונליים רבים ומיקום 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 בעלות נמוכהברזל דיספרוזיוםקובלט 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 בעקרון "שימוש בפלדה טובה על הלהב" ולנסות לחסוך את השימוש בטרביוםכמה שאפשר.