عنصر الأرض النادرة السحري: التربيوم

التربيومينتمي إلى فئة الثقيلةالعناصر الأرضية النادرة، مع وفرة منخفضة في قشرة الأرض، حيث لا تتجاوز 1.1 جزء في المليون. يُمثل أكسيد التربيوم أقل من 0.01% من إجمالي العناصر الأرضية النادرة. حتى في خامات العناصر الأرضية النادرة الثقيلة ذات أيونات الإيتريوم العالية، والتي تحتوي على أعلى نسبة من التربيوم، لا يُمثل محتوى التربيوم سوى 1.1-1.2% من إجمالي العناصر الأرضية النادرة، مما يُشير إلى أنه ينتمي إلى فئة العناصر الأرضية النادرة "النبيلة". لأكثر من 100 عام، منذ اكتشاف التربيوم عام 1843، حالت ندرته وقيمته دون تطبيقه العملي لفترة طويلة. ولم يُظهر التربيوم موهبته الفريدة إلا في الثلاثين عامًا الماضية.

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل جوستاف موساندر التربيوم في عام 1843. ووجد شوائبه فيأكسيد الإيتريوم (III)وY2O3سُمي الإتريوم نسبةً إلى قرية إيتربي في السويد. قبل ظهور تقنية التبادل الأيوني، لم يكن التربيوم معزولاً في صورته النقية.

قام موسانت أولاً بتقسيم أكسيد الإيتريوم (III) إلى ثلاثة أجزاء، سميت جميعها باسم الخامات: أكسيد الإيتريوم (III)،أكسيد الإربيوم (III)، وأكسيد التربيوم. كان أكسيد التربيوم في الأصل مكونًا من جزء وردي اللون، بسبب العنصر المعروف الآن باسم الإربيوم. كان "أكسيد الإربيوم الثلاثي" (بما في ذلك ما نسميه الآن التربيوم) في الأصل الجزء عديم اللون في المحلول. يُعتبر أكسيد هذا العنصر غير القابل للذوبان بني اللون.

لم يتمكن العمال اللاحقون من ملاحظة "أكسيد الإربيوم الثلاثي" الصغير عديم اللون، ولكن لم يكن بالإمكان تجاهل الجزء الوردي القابل للذوبان. وقد ثارت نقاشات متكررة حول وجود أكسيد الإربيوم الثلاثي. وفي خضم هذه الفوضى، عُكس الاسم الأصلي وتوقف تبادل الأسماء، فذُكر الجزء الوردي في النهاية على أنه محلول يحتوي على الإربيوم (وكان لونه ورديًا في المحلول). ويُعتقد الآن أن العمال الذين يستخدمون ثنائي كبريتات الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم يتناولون...أكسيد السيريوم (IV)ينطلق التربيوم من أكسيد الإيتريوم الثلاثي، ويحوّله دون قصد إلى رواسب تحتوي على السيريوم. يكفي حوالي 1% فقط من أكسيد الإيتريوم الثلاثي الأصلي، المعروف الآن باسم "التربيوم"، لإضفاء لون مصفر على أكسيد الإيتريوم الثلاثي. لذلك، يُعد التربيوم مكونًا ثانويًا احتوى عليه في البداية، ويتحكم فيه جيرانه المباشرون، الغادولينيوم والديسبروسيوم.

بعد ذلك، كلما فُصلت عناصر أرضية نادرة أخرى من هذا الخليط، بغض النظر عن نسبة الأكسيد، ظل اسم التربيوم يُطلق عليه حتى تم الحصول أخيرًا على أكسيد التربيوم البني النقي. لم يستخدم الباحثون في القرن التاسع عشر تقنية الفلورسنت فوق البنفسجية لرصد العقيدات الصفراء أو الخضراء الزاهية (III)، مما سهّل التعرف على التربيوم في المخاليط أو المحاليل الصلبة.
التوزيع الإلكتروني

التوزيع الإلكتروني:

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

التوزيع الإلكتروني للتربيوم هو [Xe] 6s24f9. عادةً، لا يمكن إزالة سوى ثلاثة إلكترونات قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تأينها بشكل أكبر، ولكن في حالة التربيوم، يسمح التربيوم شبه الممتلئ بتأين الإلكترون الرابع بشكل أكبر في وجود مؤكسدات قوية جدًا مثل غاز الفلور.

معدن التربيوم

التربيوم معدن نادر أبيض فضي اللون، يتميز بالليونة والمتانة والنعومة، ويمكن قطعه بالسكين. درجة انصهاره 1360 درجة مئوية، ودرجة غليانه 3123 درجة مئوية، وكثافته 8229.4 كجم/م3. بالمقارنة مع اللانثانيدات القديمة، يتميز التربيوم بثبات نسبي في الهواء. وبصفته العنصر التاسع من اللانثانيدات، يتميز التربيوم بشحنة كهربائية قوية. يتفاعل مع الماء لتكوين الهيدروجين.

في الطبيعة، لم يُعثر على التيربيوم كعنصر حر، وتوجد كميات ضئيلة منه في رمال الفوسفوريوم والثوريوم والجادولينيت. يتواجد التيربيوم مع عناصر أرضية نادرة أخرى في رمال المونازيت، حيث تبلغ نسبة التيربيوم فيه 0.03%. ومن المصادر الأخرى خامات زينوتيم والذهب الأسود النادر، وكلاهما خليط من الأكاسيد ويحتوي على نسبة تصل إلى 1% من التيربيوم.

طلب

ويشمل استخدام التربيوم في الغالب مجالات التكنولوجيا الفائقة، وهي مشاريع متطورة تتطلب تكنولوجيا مكثفة ومعرفة مكثفة، فضلاً عن مشاريع ذات فوائد اقتصادية كبيرة، مع آفاق تطوير جذابة.

تشمل مجالات التطبيق الرئيسية ما يلي:

(1) يُستخدم على شكل عناصر أرضية نادرة مختلطة. على سبيل المثال، يُستخدم كسماد مُركّب من العناصر الأرضية النادرة، ومُضاف علف للزراعة.

(2) مُنشِّط للمسحوق الأخضر في ثلاثة مساحيق فلورية أساسية. تتطلب المواد الضوئية الإلكترونية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتخليق ألوان متنوعة. ويُعدّ التربيوم عنصرًا أساسيًا في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة.

(3) تُستخدم كمواد تخزين مغناطيسية بصرية. استُخدمت أغشية رقيقة من سبيكة معدن انتقالي تيربيوم غير متبلور لتصنيع أقراص مغناطيسية بصرية عالية الأداء.

(4) تصنيع الزجاج البصري المغناطيسي. يُعد زجاج فاراداي الدوار المحتوي على التربيوم مادةً أساسيةً في تصنيع الدوارات والعوازل والدوائر في تقنية الليزر.

(5) لقد أدى تطوير وتطوير سبيكة التربيوم الديسبروسيوم الحديدية المغناطيسية (TerFenol) إلى فتح تطبيقات جديدة للتربيوم.

للزراعة وتربية الحيوانات

يُمكن لتربيوم العناصر الأرضية النادرة تحسين جودة المحاصيل وزيادة معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز مُحدد. تتميز مُركبات التربيوم بنشاط بيولوجي عالٍ. تُتميز مُركبات التربيوم الثلاثية، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3 · 3H2O، بتأثيرات مضادة للبكتيريا ومُبيدة للجراثيم جيدة على المكورات العنقودية الذهبية، والعصوية الرقيقة، والإشريكية القولونية. وتتمتع هذه المُركبات بطيف واسع من التأثيرات المضادة للبكتيريا. تُوفر دراسة هذه المُركبات توجهًا بحثيًا جديدًا للأدوية المُبيدة للجراثيم الحديثة.

يستخدم في مجال التلألؤ

تتطلب المواد الضوئية الإلكترونية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفوسفور، وهي الأحمر والأخضر والأزرق، والتي يمكن استخدامها لتركيب ألوان متنوعة. ويُعدّ التربيوم عنصرًا أساسيًا في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة. وإذا كان ظهور مسحوق الفلورسنت الأحمر المُستخدم في أجهزة التلفاز الملونة من العناصر الأرضية النادرة قد حفّز الطلب على الإيتريوم واليوروبيوم، فقد ساهم مسحوق الفلورسنت الأخضر ثلاثي الألوان الأساسي المُستخدم في المصابيح في تعزيز استخدام التربيوم وتطويره. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، اخترعت شركة فيليبس أول مصباح فلورسنت مدمج موفر للطاقة في العالم، وسرعان ما روّجت له عالميًا. يُمكن لأيونات Tb3+ إصدار ضوء أخضر بطول موجي يبلغ 545 نانومتر، وتستخدم جميع فوسفورات العناصر الأرضية النادرة الخضراء تقريبًا التربيوم كمنشط.

لطالما اعتمد الفوسفور الأخضر المستخدم في أجهزة التلفزيون الملون بتقنية أنبوب أشعة الكاثود (CRT) على كبريتيد الزنك، وهو رخيص وفعال، إلا أن مسحوق التربيوم استُخدم دائمًا كفوسفور أخضر في أجهزة التلفزيون الملون، بما في ذلك Y2SiO5 ∶ Tb3+، وY3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+، وLaOBr ∶ Tb3+. مع تطور أجهزة التلفزيون عالية الدقة (HDTV) ذات الشاشات الكبيرة، يجري أيضًا تطوير مساحيق فلورية خضراء عالية الأداء لأجهزة CRT. على سبيل المثال، طُوّر مسحوق فلوري أخضر هجين في الخارج، يتكون من Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، وLaOCl: Tb3+، وY2SiO5: Tb3+، وتتميز هذه المساحيق بكفاءة تألق ممتازة عند كثافة تيار عالية.

مسحوق الفلوريسنت التقليدي للأشعة السينية هو تنغستات الكالسيوم. في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، طُوّرت فوسفورات أرضية نادرة لشاشات التكثيف، مثل أكسيد اللانثانوم الكبريتي المُنشَّط بالتربيوم، وأكسيد اللانثانوم البرومي المُنشَّط بالتربيوم (للشاشات الخضراء)، وأكسيد الإيتريوم (III) الكبريتي المُنشَّط بالتربيوم، وغيرها. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم، يُمكن لمسحوق الفلوريسنت الأرضي النادر أن يُقلِّل زمن تعريض المرضى للأشعة السينية بنسبة 80%، ويُحسِّن دقة أفلام الأشعة السينية، ويُطيل عمر أنابيب الأشعة السينية، ويُقلِّل استهلاك الطاقة. يُستخدم التربيوم أيضًا كمنشِّط مسحوق فلوري لشاشات تحسين الأشعة السينية الطبية، مما يُحسِّن بشكل كبير حساسية تحويل الأشعة السينية إلى صور بصرية، ويُحسِّن وضوح أفلام الأشعة السينية، ويُخفِّض بشكل كبير جرعة تعرُّض جسم الإنسان للأشعة السينية (بأكثر من 50%).

يُستخدم التربيوم أيضًا كمنشط في فوسفور الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض المُثار بالضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. ويمكن استخدامه لإنتاج فوسفورات بلوري مغناطيسي بصري من التربيوم والألومنيوم، باستخدام ثنائيات باعثة للضوء الأزرق كمصدر ضوء إثارة، حيث يُمزج الفلورسنت المُولّد مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي.

تتكون المواد الكهروضوئية المصنوعة من التربيوم بشكل رئيسي من فوسفور كبريتيد الزنك الأخضر، مع التربيوم كمنشط. تحت الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لمعقدات التربيوم العضوية إصدار فلورسنت أخضر قوي، ويمكن استخدامها كمواد كهروضوئية رقيقة. على الرغم من التقدم الكبير المحرز في دراسة الأغشية الرقيقة الكهروضوئية للمعقدات العضوية الأرضية النادرة، إلا أن هناك بعض القصور في التطبيق العملي، ولا تزال الأبحاث المتعلقة بالأغشية الرقيقة والأجهزة الكهروضوئية للمعقدات العضوية الأرضية النادرة جارية.

تُستخدم خصائص فلورية التربيوم أيضًا كمسبارات فلورية. على سبيل المثال، استُخدم مسبار فلورية تيربيوم أوفلوكساسين (Tb3+) لدراسة التفاعل بين معقد تيربيوم أوفلوكساسين (Tb3+) والحمض النووي (DNA) من خلال طيف الفلورية وطيف الامتصاص، مما يشير إلى أن مسبار أوفلوكساسين تيربيوم (Tb3+) قادر على تكوين رابط أخدودي مع جزيئات الحمض النووي، وأن الحمض النووي قادر على تعزيز فلورية نظام أوفلوكساسين تيb3+ بشكل ملحوظ. بناءً على هذا التغيير، يمكن تحديد الحمض النووي.

للمواد البصرية المغناطيسية

المواد ذات تأثير فاراداي، والمعروفة أيضًا باسم المواد المغناطيسية البصرية، تُستخدم على نطاق واسع في الليزر والأجهزة البصرية الأخرى. هناك نوعان شائعان من المواد المغناطيسية البصرية: بلورات مغناطيسية بصرية وزجاج مغناطيسي بصري. من بينها، تتميز البلورات المغناطيسية البصرية (مثل عقيق الحديد الإيتريوم وعقيق التربيوم والغاليوم) بميزة تردد التشغيل القابل للتعديل والاستقرار الحراري العالي، ولكنها باهظة الثمن ويصعب تصنيعها. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العديد من البلورات المغناطيسية البصرية ذات زاوية دوران فاراداي العالية بامتصاص عالي في نطاق الموجات القصيرة، مما يحد من استخدامها. بالمقارنة مع بلورات المغناطيسية البصرية، يتميز الزجاج المغناطيسي البصري بميزة النفاذية العالية ويسهل تحويله إلى كتل أو ألياف كبيرة. في الوقت الحاضر، يتكون الزجاج المغناطيسي البصري ذو تأثير فاراداي العالي بشكل أساسي من زجاج مُشبع بأيونات الأرض النادرة.

تستخدم لمواد التخزين الضوئي المغناطيسي

في السنوات الأخيرة، ومع التطور السريع في الوسائط المتعددة وأتمتة المكاتب، ازداد الطلب على الأقراص المغناطيسية الجديدة عالية السعة. استُخدمت أغشية سبائك معدن التربيوم الانتقالي غير المتبلور لتصنيع أقراص مغناطيسية بصرية عالية الأداء. من بينها، يتميز الغشاء الرقيق من سبيكة TbFeCo بأفضل أداء. أُنتجت المواد المغناطيسية البصرية القائمة على التربيوم على نطاق واسع، وتُستخدم الأقراص المغناطيسية البصرية المصنوعة منها كمكونات تخزين حاسوبية، حيث زادت سعتها التخزينية بمقدار 10-15 مرة. تتميز هذه الأقراص بسعتها الكبيرة وسرعة الوصول إليها العالية، ويمكن مسحها وطلائها عشرات الآلاف من المرات عند استخدامها في الأقراص الضوئية عالية الكثافة. تُعد هذه المواد مواد مهمة في تكنولوجيا تخزين المعلومات الإلكترونية. المادة المغناطيسية البصرية الأكثر استخدامًا في النطاقين المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء هي بلورة التربيوم الغاليوم جارنيت الأحادية (TGG)، وهي أفضل مادة مغناطيسية بصرية لصنع دوّارات وعوازل فاراداي.

للزجاج البصري المغناطيسي

يتميز زجاج فاراداي البصري المغناطيسي بشفافية وتماثل جيدين في المجالين المرئي وتحت الأحمر، ويمكنه تشكيل أشكال معقدة متنوعة. يسهل إنتاجه بكميات كبيرة، ويمكن سحبه إلى ألياف بصرية. لذلك، يتمتع بآفاق استخدام واسعة في الأجهزة البصرية المغناطيسية، مثل العوازل البصرية المغناطيسية، ومعدلات التردد البصرية المغناطيسية، ومستشعرات تيار الألياف البصرية. بفضل عزمه المغناطيسي الكبير ومعامل الامتصاص الصغير في المجالين المرئي وتحت الأحمر، أصبحت أيونات Tb3+ شائعة الاستخدام كأيونات أرضية نادرة في الزجاج البصري المغناطيسي.

سبيكة تيربيوم ديسبروسيوم الحديدية المغناطيسية

في نهاية القرن العشرين، ومع تعمق الثورة العلمية والتكنولوجية العالمية، ظهرت مواد تطبيقية جديدة للعناصر الأرضية النادرة بسرعة. في عام ١٩٨٤، تعاونت جامعة ولاية أيوا الأمريكية، ومختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ومركز أبحاث الأسلحة السطحية التابع للبحرية الأمريكية (الذي ضمّ الكوادر الرئيسية لشركة التكنولوجيا المتطورة الأمريكية (ET REMA))، التي تأسست لاحقًا، على تطوير مادة ذكية جديدة للعناصر الأرضية النادرة، وهي مادة التربيوم ديسبروسيوم العملاقة الحديدية المغناطيسية. تتميز هذه المادة الذكية الجديدة بخصائص ممتازة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية بسرعة. وقد تم تركيب محولات الطاقة الكهروصوتية تحت الماء، المصنوعة من هذه المادة المغناطيسية العملاقة، بنجاح في المعدات البحرية، ومكبرات الصوت للكشف عن آبار النفط، وأنظمة التحكم في الضوضاء والاهتزازات، وأنظمة استكشاف المحيطات والاتصالات تحت الأرض. لذلك، بمجرد ظهور مادة التربيوم ديسبروسيوم العملاقة الحديدية المغناطيسية، حظيت باهتمام واسع النطاق من الدول الصناعية حول العالم. بدأت شركة Edge Technologies في الولايات المتحدة بإنتاج مواد مغناطيسية عملاقة من الحديد التربيوم الديسبروسيوم في عام 1989 وأطلقت عليها اسم Terfenol D. وفي وقت لاحق، طورت السويد واليابان وروسيا والمملكة المتحدة وأستراليا أيضًا مواد مغناطيسية عملاقة من الحديد التربيوم الديسبروسيوم.

من تاريخ تطوير هذه المادة في الولايات المتحدة، يرتبط اختراعها وتطبيقاتها الاحتكارية المبكرة ارتباطًا مباشرًا بالصناعة العسكرية (مثل البحرية). على الرغم من أن الجيش والدفاع في الصين يعززان فهمهما لهذه المادة تدريجيًا. ومع ذلك، بعد التزايد الملحوظ في القوة الوطنية الشاملة للصين، ستكون متطلبات تحقيق استراتيجية تنافسية عسكرية في القرن الحادي والعشرين وتحسين مستوى المعدات ملحة للغاية. لذلك، سيكون الاستخدام الواسع النطاق لمواد التضيق المغناطيسي العملاقة المصنوعة من حديد التربيوم والديسبروسيوم من قبل الجيش والدفاع الوطني ضرورة تاريخية.

باختصار، تجعل خصائص التربيوم الممتازة العديدة منه عنصرًا لا غنى عنه في العديد من المواد الوظيفية، ومكانة لا غنى عنها في بعض مجالات التطبيق. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع سعر التربيوم، دأب الباحثون على دراسة كيفية تجنب وتقليل استخدام التربيوم لتقليل تكاليف الإنتاج. على سبيل المثال، ينبغي استخدام الديسبروسيوم والحديد والكوبالت أو الغادولينيوم والتربيوم والكوبالت منخفض التكلفة في المواد المغناطيسية الضوئية النادرة قدر الإمكان؛ مع محاولة تقليل محتوى التربيوم في مسحوق الفلوريسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملاً مهمًا يحد من انتشار استخدام التربيوم. ولكن لا يمكن الاستغناء عنه في العديد من المواد الوظيفية، لذلك يجب الالتزام بمبدأ "استخدام فولاذ جيد في الشفرة" ومحاولة تقليل استخدام التربيوم قدر الإمكان.