Térbiopertence à categoria de pesadoterras raras, com baixa abundância na crosta terrestre, apenas 1,1 ppm. O óxido de térbio representa menos de 0,01% do total de terras raras. Mesmo no minério de terras raras pesadas do tipo alto íon de ítrio com o maior teor de térbio, o conteúdo de térbio representa apenas 1,1-1,2% do total de terras raras, indicando que pertence à categoria “nobre” de elementos de terras raras. Durante mais de 100 anos, desde a descoberta do térbio em 1843, a sua escassez e valor impediram durante muito tempo a sua aplicação prática. Foi somente nos últimos 30 anos que o térbio mostrou seu talento único.
Descobrindo a História
O químico sueco Carl Gustaf Mosander descobriu o térbio em 1843. Ele encontrou suas impurezas emÓxido de ítrio (III)eY2O3. O ítrio deve o seu nome à aldeia de Ytterby, na Suécia. Antes do surgimento da tecnologia de troca iônica, o térbio não era isolado em sua forma pura.
Mosant primeiro dividiu o óxido de ítrio(III) em três partes, todas com nomes de minérios: óxido de ítrio(III),Óxido de érbio (III)e óxido de térbio. O óxido de térbio era originalmente composto por uma parte rosa, devido ao elemento hoje conhecido como érbio. O “óxido de érbio (III)” (incluindo o que hoje chamamos de térbio) era originalmente a parte essencialmente incolor da solução. O óxido insolúvel deste elemento é considerado marrom.
Trabalhadores posteriores dificilmente puderam observar o minúsculo “óxido de érbio (III) incolor”, mas a parte rosa solúvel não pôde ser ignorada. Debates sobre a existência do óxido de érbio (III) surgiram repetidamente. No caos, o nome original foi invertido e a troca de nomes ficou travada, então a parte rosa acabou sendo citada como uma solução contendo érbio (na solução era rosa). Acredita-se agora que os trabalhadores que usam bissulfato de sódio ou sulfato de potássio tomamÓxido de cério (IV)do óxido de ítrio (III) e involuntariamente transforma o térbio em um sedimento contendo cério. Apenas cerca de 1% do óxido de ítrio (III) original, agora conhecido como “térbio”, é suficiente para passar uma cor amarelada ao óxido de ítrio (III). Portanto, o térbio é um componente secundário que o continha inicialmente e é controlado pelos seus vizinhos imediatos, o gadolínio e o disprósio.
Depois, sempre que outros elementos de terras raras eram separados dessa mistura, independentemente da proporção do óxido, o nome de térbio era mantido até que finalmente se obtinha o óxido marrom de térbio na forma pura. Os pesquisadores do século 19 não usaram a tecnologia de fluorescência ultravioleta para observar nódulos amarelos ou verdes brilhantes (III), tornando mais fácil o reconhecimento do térbio em misturas ou soluções sólidas.
Configuração eletrônica
Configuração eletrônica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
A configuração eletrônica do térbio é [Xe] 6s24f9. Normalmente, apenas três elétrons podem ser removidos antes que a carga nuclear se torne muito grande para ser ainda mais ionizada, mas no caso do térbio, o térbio semipreenchido permite que o quarto elétron seja ainda mais ionizado na presença de oxidantes muito fortes, como o gás flúor.
O térbio é um metal de terras raras branco prateado com ductilidade, tenacidade e maciez que pode ser cortado com uma faca. Ponto de fusão 1360 ℃, ponto de ebulição 3123 ℃, densidade 8229 4kg/m3. Comparado com o primeiro Lantanídeo, é relativamente estável no ar. Como o nono elemento do Lantanídeo, o térbio é um metal com forte eletricidade. Ele reage com a água para formar hidrogênio.
Na natureza, nunca se descobriu que o térbio fosse um elemento livre, uma pequena quantidade do qual existe na areia de fosfocério e tório e na gadolinita. O térbio coexiste com outros elementos de terras raras na areia monazita, com um teor geralmente de 0,03% de térbio. Outras fontes são Xenotime e minérios de ouro negro raro, ambos misturas de óxidos e contendo até 1% de térbio.
Aplicativo
A aplicação do térbio envolve principalmente campos de alta tecnologia, que são projetos de ponta com uso intensivo de tecnologia e conhecimento, bem como projetos com benefícios econômicos significativos, com perspectivas de desenvolvimento atraentes.
As principais áreas de aplicação incluem:
(1) Utilizado na forma de terras raras mistas. Por exemplo, é usado como fertilizante composto de terras raras e aditivo alimentar para a agricultura.
(2) Ativador para pó verde em três pós fluorescentes primários. Os materiais optoeletrônicos modernos requerem o uso de três cores básicas de fósforos, ou seja, vermelho, verde e azul, que podem ser usadas para sintetizar várias cores. E o térbio é um componente indispensável em muitos pós fluorescentes verdes de alta qualidade.
(3) Usado como material de armazenamento magneto-óptico. Filmes finos de liga de metal de transição de térbio de metal amorfo têm sido usados para fabricar discos magneto-ópticos de alto desempenho.
(4) Fabricação de vidro magneto-óptico. O vidro rotativo Faraday contendo térbio é um material chave para a fabricação de rotadores, isoladores e circuladores em tecnologia laser.
(5) O desenvolvimento e desenvolvimento da liga ferromagnetostritiva de térbio disprósio (TerFenol) abriu novas aplicações para o térbio.
Para agricultura e pecuária
O térbio de terras raras pode melhorar a qualidade das colheitas e aumentar a taxa de fotossíntese dentro de uma certa faixa de concentração. Os complexos de térbio possuem alta atividade biológica. Complexos ternários de térbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O, têm bons efeitos antibacterianos e bactericidas sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli. Eles têm amplo espectro antibacteriano. O estudo de tais complexos fornece uma nova direção de pesquisa para medicamentos bactericidas modernos.
Usado no campo da luminescência
Os materiais optoeletrônicos modernos requerem o uso de três cores básicas de fósforos, ou seja, vermelho, verde e azul, que podem ser usadas para sintetizar várias cores. E o térbio é um componente indispensável em muitos pós fluorescentes verdes de alta qualidade. Se o nascimento do pó fluorescente vermelho para TV em cores de terras raras estimulou a demanda por ítrio e európio, então a aplicação e o desenvolvimento do térbio foram promovidos pelo pó fluorescente verde de três cores primárias de terras raras para lâmpadas. No início da década de 1980, a Philips inventou a primeira lâmpada fluorescente compacta e economizadora de energia do mundo e rapidamente a promoveu globalmente. Os íons Tb3+ podem emitir luz verde com um comprimento de onda de 545 nm, e quase todos os fósforos verdes de terras raras usam o térbio como ativador.
O fósforo verde para tubo de raios catódicos de TV em cores (CRT) sempre foi baseado em sulfeto de zinco, que é barato e eficiente, mas o pó de térbio sempre foi usado como fósforo verde para projeção de TV em cores, incluindo Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 ( Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+e LaOBr ∶ Tb3+. Com o desenvolvimento da televisão de alta definição de tela grande (HDTV), também estão sendo desenvolvidos pós fluorescentes verdes de alto desempenho para CRTs. Por exemplo, um pó fluorescente verde híbrido foi desenvolvido no exterior, composto por Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que apresentam excelente eficiência de luminescência em alta densidade de corrente.
O pó fluorescente de raios X tradicional é o tungstato de cálcio. Nas décadas de 1970 e 1980, foram desenvolvidos fósforos de terras raras para telas intensificadoras, como enxofre ativado por térbio, óxido de lantânio, bromo ativado por térbio, óxido de lantânio (para telas verdes), enxofre ativado por térbio, óxido de ítrio (III), etc. pó fluorescente de terras raras pode reduzir o tempo de irradiação de raios X para pacientes em 80%, melhorar a resolução de filmes de raios X, estender o vida útil dos tubos de raios X e reduzir o consumo de energia. O térbio também é usado como ativador de pó fluorescente para telas médicas de aprimoramento de raios X, o que pode melhorar muito a sensibilidade da conversão de raios X em imagens ópticas, melhorar a clareza dos filmes de raios X e reduzir bastante a dose de exposição de raios X. raios para o corpo humano (em mais de 50%).
O térbio também é usado como ativador no fósforo LED branco excitado pela luz azul para nova iluminação semicondutora. Ele pode ser usado para produzir fósforos de cristal magneto-ótico de alumínio e térbio, usando diodos emissores de luz azul como fontes de luz de excitação, e a fluorescência gerada é misturada com a luz de excitação para produzir luz branca pura.
Os materiais eletroluminescentes feitos de térbio incluem principalmente fósforo verde de sulfeto de zinco com térbio como ativador. Sob irradiação ultravioleta, os complexos orgânicos de térbio podem emitir forte fluorescência verde e podem ser usados como materiais eletroluminescentes de filme fino. Embora um progresso significativo tenha sido feito no estudo de filmes finos eletroluminescentes de complexos orgânicos de terras raras, ainda há uma certa lacuna em relação à praticidade, e a pesquisa sobre filmes finos e dispositivos eletroluminescentes de complexos orgânicos de terras raras ainda é aprofundada.
As características de fluorescência do térbio também são usadas como sondas de fluorescência. Por exemplo, a sonda de fluorescência Ofloxacina térbio (Tb3+) foi usada para estudar a interação entre o complexo Ofloxacina térbio (Tb3+) e DNA (DNA) por espectro de fluorescência e espectro de absorção, indicando que a sonda Ofloxacina Tb3+ pode formar uma ligação de sulco com moléculas de DNA, e o DNA pode aumentar significativamente a fluorescência do sistema Ofloxacina Tb3+. Com base nesta mudança, o DNA pode ser determinado.
Para materiais magneto-ópticos
Materiais com efeito Faraday, também conhecidos como materiais magneto-ópticos, são amplamente utilizados em lasers e outros dispositivos ópticos. Existem dois tipos comuns de materiais magneto-ópticos: cristais magneto-ópticos e vidro magneto-óptico. Entre eles, os cristais magneto-ópticos (como granada de ítrio-ferro e granada de térbio-gálio) têm as vantagens de frequência operacional ajustável e alta estabilidade térmica, mas são caros e difíceis de fabricar. Além disso, muitos cristais magneto-ópticos com alto ângulo de rotação de Faraday apresentam alta absorção na faixa de ondas curtas, o que limita seu uso. Comparado com os cristais magneto-ópticos, o vidro magneto-óptico tem a vantagem de alta transmitância e é fácil de ser transformado em grandes blocos ou fibras. Atualmente, os vidros magneto-ópticos com alto efeito Faraday são principalmente vidros dopados com íons de terras raras.
Usado para materiais de armazenamento magneto-ópticos
Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da multimídia e da automação de escritório, a demanda por novos discos magnéticos de alta capacidade tem aumentado. Filmes de liga de metal de transição de térbio de metal amorfo têm sido usados para fabricar discos magneto-ópticos de alto desempenho. Dentre eles, o filme fino da liga TbFeCo apresenta o melhor desempenho. Materiais magneto-ópticos à base de térbio foram produzidos em larga escala, e discos magneto-ópticos feitos a partir deles são usados como componentes de armazenamento de computador, com capacidade de armazenamento aumentada em 10-15 vezes. Eles têm as vantagens de grande capacidade e velocidade de acesso rápida e podem ser limpos e revestidos dezenas de milhares de vezes quando usados em discos ópticos de alta densidade. Eles são materiais importantes na tecnologia de armazenamento eletrônico de informações. O material magneto-óptico mais comumente usado nas bandas do visível e do infravermelho próximo é o cristal único de granada de térbio e gálio (TGG), que é o melhor material magneto-óptico para fazer rotadores e isoladores Faraday.
Para vidro magneto-óptico
O vidro magneto-óptico Faraday possui boa transparência e isotropia nas regiões visível e infravermelha e pode formar vários formatos complexos. É fácil produzir produtos de grande porte e pode ser transformado em fibras ópticas. Portanto, tem amplas perspectivas de aplicação em dispositivos magneto-ópticos, como isoladores magneto-ópticos, moduladores magneto-ópticos e sensores de corrente de fibra óptica. Devido ao seu grande momento magnético e pequeno coeficiente de absorção na faixa visível e infravermelha, os íons Tb3+ tornaram-se íons de terras raras comumente usados em vidros magneto-ópticos.
Liga ferromagnetostritiva de térbio disprósio
No final do século XX, com o aprofundamento da revolução científica e tecnológica mundial, novos materiais aplicados de terras raras estão emergindo rapidamente. Em 1984, a Universidade Estadual de Iowa dos Estados Unidos, o Laboratório Ames do Departamento de Energia dos Estados Unidos e o Centro de Pesquisa de Armas de Superfície da Marinha dos EUA (o pessoal principal da mais tarde estabelecida American Edge Technology Company (ET REMA) veio de o centro) desenvolveu em conjunto um novo material inteligente de terras raras, nomeadamente material magnetostritivo gigante de ferro disprósio térbio. Este novo material Smart possui excelentes características de converter rapidamente energia elétrica em energia mecânica. Os transdutores subaquáticos e eletroacústicos feitos deste material magnetostritivo gigante foram configurados com sucesso em equipamentos navais, alto-falantes de detecção de poços de petróleo, sistemas de controle de ruído e vibração e sistemas de exploração oceânica e comunicação subterrânea. Portanto, assim que o material magnetostritivo gigante do ferro térbio disprósio nasceu, ele recebeu ampla atenção dos países industrializados ao redor do mundo. Edge Technologies nos Estados Unidos começou a produzir materiais magnetostritivos gigantes de ferro disprósio de térbio em 1989 e os nomeou Terfenol D. Posteriormente, Suécia, Japão, Rússia, Reino Unido e Austrália também desenvolveram materiais magnetostritivos gigantes de ferro disprósio de térbio.
Pela história do desenvolvimento deste material nos Estados Unidos, tanto a invenção do material como as suas primeiras aplicações monopolísticas estão diretamente relacionadas com a indústria militar (como a marinha). Embora os departamentos militar e de defesa da China estejam gradualmente a reforçar a sua compreensão deste material. No entanto, depois de o Poder Nacional Abrangente da China ter aumentado significativamente, os requisitos para concretizar a estratégia militar competitiva no século XXI e melhorar o nível de equipamento serão certamente muito urgentes. Portanto, o uso generalizado de materiais magnetostritivos gigantes de ferro térbio disprósio pelos departamentos militares e de defesa nacional será uma necessidade histórica.
Em suma, as excelentes propriedades do térbio tornam-no um membro indispensável de muitos materiais funcionais e uma posição insubstituível em alguns campos de aplicação. Porém, devido ao alto preço do térbio, as pessoas têm estudado como evitar e minimizar o uso do térbio para reduzir os custos de produção. Por exemplo, materiais magneto-ópticos de terras raras também devem usar cobalto disprósio-ferro de baixo custo ou cobalto gadolínio térbio, tanto quanto possível; Tente reduzir o teor de térbio no pó fluorescente verde que deve ser utilizado. O preço tornou-se um fator importante que restringe o uso generalizado do térbio. Mas muitos materiais funcionais não podem prescindir dele, por isso temos que aderir ao princípio de “usar aço de boa qualidade na lâmina” e tentar economizar ao máximo o uso de térbio.
Horário da postagem: 05/07/2023