Térbiopertence à categoria de pesadosterras raras, com baixa abundância na crosta terrestre, de 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 com alto teor de íons de ítrio, com o maior teor de térbio, o teor de térbio representa apenas 1,1-1,2% do total de terras raras, indicando que pertence à categoria "nobre" de elementos de terras raras. Por mais de 100 anos, desde a descoberta do térbio em 1843, sua escassez e valor impediram sua aplicação prática por muito tempo. Foi somente nos últimos 30 anos que o térbio demonstrou 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 nome ítrio vem da vila 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 nomeadas em homenagem aos 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 desse elemento é considerado marrom.
Trabalhadores posteriores dificilmente conseguiam observar o minúsculo "óxido de érbio(III)" incolor, mas a parte rosa solúvel não podia 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 foi travada, de modo que a parte rosa acabou sendo mencionada 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 conferir uma cor amarelada ao óxido de ítrio(III). Portanto, o térbio é um componente secundário que inicialmente o continha, e é controlado por seus vizinhos imediatos, gadolínio e disprósio.
Posteriormente, sempre que outros elementos de terras raras eram separados dessa mistura, independentemente da proporção do óxido, o nome térbio era mantido até que, finalmente, o óxido marrom de térbio fosse obtido em sua forma pura. Pesquisadores do século XIX não utilizavam a tecnologia de fluorescência ultravioleta para observar nódulos amarelos ou verdes brilhantes (III), facilitando 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 grande demais para ser ionizada posteriormente, mas, no caso do térbio, o térbio semi-preenchido permite que o quarto elétron seja ionizado posteriormente 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. Seu ponto de fusão é 1360 °C, seu ponto de ebulição é 3123 °C e sua densidade é 8229,4 kg/m³. Comparado aos lantanídeos primitivos, é relativamente estável no ar. Sendo o nono elemento dos lantanídeos, o térbio é um metal com forte capacidade elétrica. Reage com a água para formar hidrogênio.
Na natureza, o térbio nunca foi encontrado como um elemento livre, existindo uma pequena quantidade dele na areia de fosfocério e tório e na gadolinita. O térbio coexiste com outros elementos de terras raras na areia de monazita, com um teor de térbio geralmente de 0,03%. Outras fontes são o xenotimo e os 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 misturadas. 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 fósforo, vermelho, verde e azul, que podem ser usadas para sintetizar diversas cores. E o térbio é um componente indispensável em muitos pós fluorescentes verdes de alta qualidade.
(3) Utilizado como material de armazenamento magneto-óptico. Filmes finos de liga de metal de transição de térbio amorfo têm sido utilizados na fabricação de discos magneto-ópticos de alto desempenho.
(4) Fabricação de vidro magneto-óptico. O vidro rotatório de Faraday contendo térbio é um material essencial para a fabricação de rotadores, isoladores e circuladores na 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 determinada faixa de concentração. Os complexos de térbio apresentam alta atividade biológica. Os complexos ternários de térbio, Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3 · 3H2O, apresentam bons efeitos antibacterianos e bactericidas contra Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli. Possuem amplo espectro antibacteriano. O estudo desses complexos proporciona 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, 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 surgimento do pó fluorescente vermelho de terras raras para TVs coloridas estimulou a demanda por ítrio e európio, a aplicação e o desenvolvimento do térbio foram impulsionados 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 econômica 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 tubos de raios catódicos (CRT) de TV colorida 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 colorida, incluindo Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3(Al,Ga)5O12 ∶ Tb3+ e LaOBr ∶ Tb3+. Com o desenvolvimento de televisores de alta definição (HDTV) de tela grande, pós fluorescentes verdes de alto desempenho para CRTs também estão sendo desenvolvidos. Por exemplo, um pó fluorescente verde híbrido foi desenvolvido no exterior, consistindo de 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, fósforos de terras raras para intensificação de telas foram desenvolvidos, como óxido de lantânio com enxofre ativado por térbio, óxido de lantânio com bromo ativado por térbio (para telas verdes), óxido de ítrio(III) com enxofre ativado por térbio, etc. Comparado ao tungstato de cálcio, o pó fluorescente de terras raras pode reduzir o tempo de irradiação de raios X para pacientes em 80%, melhorar a resolução dos filmes de raios X, prolongar a 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 de aprimoramento de raios X médicas, o que pode melhorar significativamente a sensibilidade da conversão de raios X em imagens ópticas, melhorar a clareza dos filmes de raios X e reduzir significativamente a dose de exposição de raios X ao corpo humano (em mais de 50%).
O térbio também é usado como ativador no fósforo de LED branco excitado por luz azul para a nova iluminação de semicondutores. Ele pode ser usado para produzir fósforos de cristal magneto-óptico de térbio e alumínio, utilizando 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, complexos orgânicos de térbio podem emitir forte fluorescência verde e podem ser usados como materiais eletroluminescentes de filmes finos. Embora tenha havido progresso significativo 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 eletroluminescentes de complexos orgânicos de terras raras e dispositivos ainda está em aprofundamento.
As características de fluorescência do térbio também são utilizadas como sondas de fluorescência. Por exemplo, a sonda de fluorescência de Ofloxacino Tb3+ foi utilizada para estudar a interação entre o complexo de Ofloxacino Tb3+ e o DNA (DNA) por espectro de fluorescência e espectro de absorção, indicando que a sonda de Ofloxacino Tb3+ pode formar um sulco de ligação com moléculas de DNA, e o DNA pode aumentar significativamente a fluorescência do sistema de Ofloxacino Tb3+. Com base nessa alteração, 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 vidros magneto-ópticos. Entre eles, os cristais magneto-ópticos (como a granada de ítrio e ferro e a granada de térbio e gálio) têm as vantagens de frequência de operação 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 têm alta absorção na faixa de ondas curtas, o que limita seu uso. Comparado aos 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-óptico
Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da multimídia e da automação de escritórios, a demanda por novos discos magnéticos de alta capacidade tem aumentado. Filmes de liga de metal de transição de térbio amorfo têm sido usados para fabricar discos magneto-ópticos de alto desempenho. Entre eles, o filme fino de liga TbFeCo apresenta o melhor desempenho. Materiais magneto-ópticos à base de térbio têm sido produzidos em larga escala, e discos magneto-ópticos feitos a partir deles são usados como componentes de armazenamento de computadores, com capacidade de armazenamento aumentada em 10 a 15 vezes. Eles têm as vantagens de grande capacidade e alta velocidade de acesso, e podem ser limpos e revestidos dezenas de milhares de vezes quando usados em discos ópticos de alta densidade. São materiais importantes na tecnologia de armazenamento eletrônico de informações. O material magneto-óptico mais comumente usado nas faixas do visível e do infravermelho próximo é o monocristal de granada de térbio e gálio (TGG), que é o melhor material magneto-óptico para a fabricação de rotadores e isoladores de Faraday.
Para vidro magneto-óptico
O vidro magneto-óptico de Faraday apresenta boa transparência e isotropia nas regiões visível e infravermelha, podendo formar diversas formas complexas. É fácil de produzir produtos de grande porte e pode ser trefilado em fibras ópticas. Portanto, possui 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 baixo coeficiente de absorção nas faixas visível e infravermelha, os íons Tb3+ tornaram-se íons de terras raras comumente utilizados 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 surgiram rapidamente. Em 1984, a Universidade Estadual de Iowa, nos 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 (a principal equipe da posteriormente estabelecida American Edge Technology Company (ET REMA) veio do centro) desenvolveram em conjunto um novo material inteligente de terras raras, o material magnetostritivo gigante de ferro térbio disprósio. Este novo material inteligente possui as 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 de ferro térbio disprósio nasceu, ele recebeu ampla atenção de países industrializados ao redor do mundo. A Edge Technologies nos Estados Unidos começou a produzir materiais magnetostritivos gigantes de ferro de térbio disprósio em 1989 e os chamou de Terfenol D. Posteriormente, Suécia, Japão, Rússia, Reino Unido e Austrália também desenvolveram materiais magnetostritivos gigantes de ferro de térbio disprósio.
Da história do desenvolvimento deste material nos Estados Unidos, tanto a invenção do material quanto suas primeiras aplicações monopolísticas estão diretamente relacionadas à indústria militar (como a Marinha). Embora os departamentos militares e de defesa da China estejam gradualmente fortalecendo sua compreensão deste material, após o aumento significativo do Poder Nacional Abrangente da China, os requisitos para a implementação da estratégia competitiva militar no século XXI e a melhoria do nível de equipamentos certamente serão muito urgentes. Portanto, o uso generalizado de materiais magnetostritivos gigantes de ferro de térbio disprósio pelos departamentos militares e de defesa nacional será uma necessidade histórica.
Em suma, as muitas propriedades excelentes do térbio o tornam um membro indispensável de muitos materiais funcionais e uma posição insubstituível em alguns campos de aplicação. No entanto, devido ao alto preço do térbio, as pessoas têm estudado como evitar e minimizar o uso de térbio a fim de reduzir os custos de produção. Por exemplo, materiais magneto-ópticos de terras raras também devem usar disprósio ferro-cobalto ou gadolínio térbio-cobalto de baixo custo o máximo possível; tente reduzir o conteúdo de térbio no pó fluorescente verde que deve ser usado. O preço tornou-se um fator importante que restringe o uso generalizado de térbio. Mas muitos materiais funcionais não podem prescindir dele, então temos que aderir ao princípio de "usar bom aço na lâmina" e tentar economizar o uso de térbio o máximo possível.
Horário da publicação: 05/07/2023