Elemento mágico de terras raras: Térbio

Térbiopertence à categoria de terras raras pesadas, com baixa abundância na crosta terrestre, apenas 1,1 ppm.Óxido de térbiorepresenta 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 teor de térbio representa apenas 1,1-1,2% do totalterra rara, indicando que pertence à categoria “nobre” deterra raraelementos. 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 apenas nos últimos 30 anos quetérbiomostrou seu talento único.

Descobrindo a História

O químico sueco Carl Gustaf Mosander descobriu o térbio em 1843. Ele descobriu suas impurezas emóxido de ítrioeY2O3. Ítriotem o nome da vila de Itby, na Suécia. Antes do surgimento da tecnologia de troca iônica, o térbio não era isolado em sua forma pura.

Mossander primeiro divididoóxido de ítrioem três partes, todas com nomes de minérios:óxido de ítrio, óxido de érbio, eóxido de térbio. Óxido de térbioera originalmente composto por uma parte rosa, devido ao elemento hoje conhecido comoérbio. Óxido de érbio(incluindo o que hoje chamamos de térbio) era originalmente uma parte incolor da solução. O óxido insolúvel deste elemento é considerado marrom.

Trabalhadores posteriores acharam difícil observar minúsculos “incolores”.óxido de érbio“, mas a parte rosa solúvel não pode ser ignorada. O debate sobre a existência deóxido de érbiosurgiu 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 dissulfeto de sódio ou sulfato de potássio para remover o dióxido de cérioóxido de ítriovirar sem querertérbioem precipitados contendo cério. Atualmente conhecido como 'térbio', apenas cerca de 1% do originalóxido de ítrioestá presente, mas isso é suficiente para transmitir uma cor amarela clara aoóxido de ítrio. Portanto,térbioé um componente secundário que inicialmente o continha e é controlado por seus vizinhos imediatos,gadolínioedisprósio.

Depois, sempre que outrosterra raraforam separados dessa mistura, independente da proporção do óxido, o nome de térbio foi mantido até finalmente, o óxido marrom detérbiofoi obtido 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

Layout eletrônico:

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

O arranjo eletrônico detérbioé [Xe] 6s24f9. Normalmente, apenas três elétrons podem ser removidos antes que a carga nuclear se torne muito grande para ser ainda mais ionizada. Contudo, no caso detérbio, o semi-preenchidotérbiopermite maior ionização do quarto elétron na presença de um oxidante muito forte, como o gás flúor.

Metal

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Térbioé 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 os primeiros elementos lantanídeos, é relativamente estável no ar. O nono elemento dos elementos lantanídeos, o térbio, é um metal altamente carregado que reage com a água para formar gás hidrogênio.

Na natureza,térbionunca foi encontrado como um elemento livre, presente em pequenas quantidades na areia de fósforo, cério, tório e no minério de silício, berílio e ítrio.Térbiocoexiste com outros elementos de terras raras na areia monazita, com um teor geralmente de 0,03% de térbio. Outras fontes incluem fosfato de ítrio e ouro de terras raras, ambos misturas de óxidos contendo até 1% de térbio.

Aplicativo

A aplicação detérbioenvolve principalmente domínios de alta tecnologia, que são projetos de ponta com utilização intensiva de tecnologia e conhecimento, bem como projetos com benefícios económicos significativos, com perspetivas de desenvolvimento atrativas.

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. Etérbioé 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

Terra raratérbiopode 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, e os complexos ternários detérbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, têm bons efeitos antibacterianos e bactericidas em Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli, com propriedades antibacterianas de amplo espectro. O estudo desses 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 porítrioeeurópio, 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 comprimento de onda de 545 nm, e quase todos os pós fluorescentes verdes de terras raras usamtérbio, como um ativador.

O pó fluorescente verde usado para tubos de raios catódicos de TV em cores (CRTs) sempre foi baseado principalmente em sulfeto de zinco barato e eficiente, mas o pó de térbio sempre foi usado como pó verde de TV em cores de projeção, como 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 pós fluorescentes de terras raras para telas de sensibilização, comotérbio, óxido de sulfeto de lantânio ativado, óxido de brometo de lantânio ativado por térbio (para telas verdes) e óxido de sulfeto de ítrio ativado por térbio. Comparado com o tungstato de cálcio, o pó fluorescente de terras raras pode reduzir o tempo de irradiação de raios X para os 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 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%).

Térbiotambém é usado como ativador no fósforo LED branco excitado por luz azul para nova iluminação semicondutora. Ele pode ser usado para produzir fósforos de cristal magneto-ópticos de térbio e alumínio, 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 pó fluorescente verde de sulfeto de zinco comtérbiocomo 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 progressos significativos tenham sido feitos no estudo daterra rarafilmes finos eletroluminescentes complexos orgânicos, ainda há uma certa lacuna em relação à praticidade, e a pesquisa sobre filmes finos e dispositivos eletroluminescentes complexos orgânicos de terras raras ainda é aprofundada.

As características de fluorescência do térbio também são usadas como sondas de fluorescência. A interação entre o complexo de ofloxacina térbio (Tb3+) e o ácido desoxirribonucléico (DNA) foi estudada usando espectros de fluorescência e absorção, como a sonda de fluorescência de ofloxacina térbio (Tb3+). Os resultados mostraram que a sonda ofloxacina Tb3+ pode formar um sulco de ligação com moléculas de DNA, e o ácido desoxirribonucléico pode aumentar significativamente a fluorescência do sistema ofloxacina Tb3+. Com base nesta alteração, o ácido desoxirribonucléico 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 altos ângulos 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 finos 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 contínuo aprofundamento da revolução tecnológica mundial, novos materiais de aplicação de terras raras emergiam rapidamente. Em 1984, a Iowa State University, o Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA e o Centro de Pesquisa de Armas de Superfície da Marinha dos EUA (de onde veio o pessoal principal da mais tarde estabelecida Edge Technology Corporation (ET REMA)) colaboraram para desenvolver um novo e raro material inteligente da terra, nomeadamente material magnetostritivo ferromagnético de térbio disprósio. Este novo material inteligente possui excelentes características de conversão rápida de 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, com o aumento significativo da força nacional abrangente da China, a exigência de alcançar uma estratégia competitiva militar do século XXI e de melhorar os níveis de equipamento será definitivamente muito urgente. 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 muitas excelentes propriedades dotérbiotornam-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 materiais de baixo custoferro disprósiocobalto ou gadolínio térbio cobalto, 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 detérbio. 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 poupar o uso detérbiotanto quanto possível.

 


Horário da postagem: 25 de outubro de 2023