عنصر الأرض النادر السحري: تيربيوم

تيربيومينتمي إلى فئة الثقيلةأرض نادرة، مع وفرة منخفضة في قشرة الأرض عند 1.1 جزء في المليون فقط. يمثل أكسيد تيربيوم أقل من 0.01 ٪ من إجمالي الأرض النادرة. حتى في نوع yttrium الأيوني العالي من خام الأرض النادر الثقيل مع أعلى محتوى من تيربيوم ، فإن محتوى تيربيوم لا يمثل سوى 1.1-1.2 ٪ من إجمالي الأرض النادرة ، مما يشير إلى أنه ينتمي إلى الفئة "النبيلة" من العناصر الأرضية النادرة. لأكثر من 100 عام منذ اكتشاف تيربيوم في عام 1843 ، منعت ندرتها وقيمتها تطبيقها العملي لفترة طويلة. في السنوات الثلاثين الماضية فقط أظهرت تيربيوم موهبتها الفريدة。

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل غوستاف موساندر تيربيوم في عام 1843. وجد شوائبه فيYttrium (III) أكسيدوY2O3. تم تسمية Yttrium على اسم قرية Ytterby في السويد. قبل ظهور تكنولوجيا التبادل الأيوني ، لم يتم عزل تيربيوم في شكله النقي.

قام موسانت أولاً بتقسيم أكسيد Yttrium (III) إلى ثلاثة أجزاء ، وكلها سميت على اسم Ores: Yttrium (III) أكسيد ،أكسيد erbium (III)، وأكسيد تيربيوم. كان أكسيد تيربيوم يتكون في الأصل من جزء وردي ، بسبب العنصر المعروف الآن باسم Erbium. "أكسيد erbium (III)" (بما في ذلك ما نسميه الآن Terbium) كان في الأصل الجزء عديم اللون بشكل أساسي في المحلول. يعتبر الأكسيد غير القابل للذوبان لهذا العنصر بني.

في وقت لاحق ، لم يتمكن العمال في وقت لاحق من مراعاة أكسيد "إريبيوم (III)" العالي بالألوان ، ولكن لا يمكن تجاهل الجزء الوردي القابل للذوبان. نشأت مناقشات حول وجود أكسيد erbium (III) مرارًا وتكرارًا. في الفوضى ، تم عكس الاسم الأصلي وتبادل الأسماء عالقًا ، لذلك تم ذكر الجزء الوردي في النهاية كحل يحتوي على erbium (في المحلول ، كان ورديًا). يُعتقد الآن أن العمال الذين يستخدمون البسكويتات الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم يأخذونسيريوم (رابعا) أكسيدمن أكسيد Yttrium (III) وتحويل تيربيوم عن غير قصد إلى رواسب تحتوي على سيريوم. حوالي 1 ٪ فقط من أكسيد Yttrium (III) الأصلي ، المعروف الآن باسم "Terbium" ، يكفي لتمرير لون مصفر إلى أكسيد Yttrium (III). لذلك ، فإن Terbium مكون ثانوي احتوى عليه في البداية ، ويتم التحكم فيه من قبل جيرانه المباشرين ، الجادولينيوم و dysprosium.

بعد ذلك ، كلما تم فصل عناصر أرضية نادرة أخرى عن هذا الخليط ، بغض النظر عن نسبة الأكسيد ، تم الاحتفاظ باسم تيربيوم حتى أخيرًا ، تم الحصول على أكسيد تيربيوم البني في شكل نقي. لم يستخدم الباحثون في القرن التاسع عشر تقنية مضان الأشعة فوق البنفسجية لمراقبة العقيدات الصفراء أو الخضراء الزاهية (III) ، مما يجعل من السهل على تيربيوم التعرف على مخاليط أو حلول صلبة.
تكوين الإلكترون

تكوين الإلكترون:

1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D10 4P6 5S2 4D10 5P6 6S2 4F9

تكوين الإلكترون من تيربيوم هو [XE] 6S24F9. عادة ، يمكن إزالة ثلاثة إلكترونات فقط قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا تتأين ، ولكن في حالة تيربيوم ، يسمح تيربيوم شبه المملوءة بإلكترون رابع أن يكون أكثر تأينًا في وجود مؤكسدة قوية جدًا مثل غاز الفلور.

تيربيوم المعادن

Terbium هو معدن أرضي نادر أبيض فضية مع ليونة ، صلابة ، ونعومة يمكن قطعها بسكين. نقطة الانصهار 1360 ℃ ، نقطة الغليان 3123 ℃ ، الكثافة 8229 4 كجم/م 3. بالمقارنة مع اللانثانيد المبكر ، فهو مستقر نسبيا في الهواء. كعنصر التاسع من اللانثانيد ، تيربيوم هو معدن ذو كهرباء قوية. يتفاعل مع الماء لتشكيل الهيدروجين.

في الطبيعة ، لم يتم العثور على تيربيوم على الإطلاق ليكون عنصرًا مجانيًا ، حيث يوجد كمية صغيرة منها في رمل الثوريوم الفوسفوكريوم والغاديولينيت. يتعايش تيربيوم مع عناصر أرضية نادرة أخرى في رمال مونيازيت ، مع محتوى تيربيوم بنسبة 0.03 ٪ عمومًا. مصادر أخرى هي خامات الذهب النادرة من Xenotime والأسود ، وكلاهما عبارة عن خليط من الأكاسيد ويحتوي على تريبيوم ما يصل إلى 1 ٪.

طلب

يتضمن تطبيق Terbium في الغالب حقولًا عالية التقنية ، والتي تعد مكثفة للتكنولوجيا ومشاريع متطورة مكثفة للمعرفة ، بالإضافة إلى مشاريع ذات فوائد اقتصادية كبيرة ، مع آفاق تنمية جذابة.

تشمل مجالات التطبيق الرئيسية:

(1) تستخدم في شكل أرض نادرة مختلطة. على سبيل المثال ، يتم استخدامه كأسمدة مركبة أرضية نادرة وإضافة تغذية للزراعة.

(2) المنشط للمسحوق الأخضر في ثلاثة مساحيق فلوريسنت الأولية. تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفسفور ، وهي الأحمر والأخضر والأزرق ، والتي يمكن استخدامها لتوليف الألوان المختلفة. و Terbium هو مكون لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة.

(3) تستخدم كمواد تخزين بصرية مغناطيسية. تم استخدام أفلام رقيقة من سبيكة Terbium المعدنية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية عالية الأداء.

(4) تصنيع الزجاج البصري المغناطيسي. يعد Faraday Rotatory Glass الذي يحتوي على Terbium مادة رئيسية لدوران التصنيع والمعزول والدورة الدموية في تكنولوجيا الليزر.

(5) قام تطوير وتطوير سبيكة Terbium dysprosium ferromagnetostrictive (Terfenol) بفتح تطبيقات جديدة لتيربيوم.

للزراعة وتربية الحيوانات

يمكن لتيربيوم الأرض النادرة تحسين جودة المحاصيل وزيادة معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين. المجمعات تيربيوم لها نشاط بيولوجي عالي. المجمعات الثلاثية من تيربيوم ، TB (ALA) 3Benim (CLO4) 3 · 3H2O ، لها آثار جيدة مضادة للبكتيريا والبكتيريا على المكورات العنقودية الذهبية ، و Bacillus subtilis و escherichia coli. لديهم الطيف المضاد للبكتيريا. توفر دراسة مثل هذه المجمعات اتجاهًا جديدًا للأدوية المبيدات الجراثيم الحديثة.

تستخدم في مجال اللمعان

تتطلب المواد الإلكترونية الضوئية الحديثة استخدام ثلاثة ألوان أساسية من الفسفور ، وهي الأحمر والأخضر والأزرق ، والتي يمكن استخدامها لتوليف الألوان المختلفة. و Terbium هو مكون لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة. إذا كانت ولادة مسحوق الفلورسنت للألوان الأرضية النادرة قد حفزت الطلب على Yttrium و Europium ، فقد تم تعزيز تطبيق وتطور Terbium بواسطة مسحوق الفلورسنت الأخضر الأولي للأرض للمصابيح. في أوائل الثمانينيات من القرن الماضي ، اخترع Philips أول مصباح الفلورسنت المدمج للطاقة في العالم وقامت بترقيته بسرعة على مستوى العالم. يمكن أن تنبعث TB3+أيونات الضوء الأخضر بطول موجة قدره 545 نانومتر ، ويستخدم جميع الفوسفور الأخضر الأرضي النادر تيربيوم كأنشطة.

لطالما كان الفوسفور الأخضر لأنبوب شعاع الكاثود التلفزيوني الملون (CRT) يعتمد دائمًا على كبريتيد الزنك ، وهو رخيص وفعال ، ولكن تم استخدام مسحوق terbium دائمًا كفوسفور أخضر للتلفزيون الملون ، بما في ذلك y2sio5 ∶ tb3+، y3 (al ، ga) 5o12 ∶ tb3+و laobr ∶ tb3+. مع تطوير التلفزيون الكبير الشاشة عالي الدقة (HDTV) ، يتم أيضًا تطوير مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الأداء لـ CRTs. على سبيل المثال ، تم تطوير مسحوق الفلورسنت الأخضر المختلط في الخارج ، يتكون من Y3 (AL ، GA) 5O12: TB3+، LAOCL: TB3+، و Y2SIO5: TB3+، والتي لها كفاءة لامعة ممتازة في الكثافة الحالية.

مسحوق الفلورسنت الأشعة السينية التقليدية هو تنغستات الكالسيوم. في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي ، تم تطوير فسفور الأرض النادرة للشاشات المكثفة ، مثل أكسيد اللانثانوم الكبريت المنشط تيربيوم ، وأكسيد البروم المتنشط تيربيوم ، وما إلى ذلك ، أو أكسيد التريميوم المتنشي 80 ٪ ، تحسين دقة أفلام الأشعة السينية ، وتوسيع عمر أنابيب الأشعة السينية ، وتقليل استهلاك الطاقة. يتم استخدام Terbium أيضًا كمنشط مسحوق الفلورسنت لشاشات تحسين الأشعة السينية الطبية ، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير من حساسية تحويل الأشعة السينية إلى صور بصرية ، وتحسين وضوح أفلام الأشعة السينية ، وتقليل جرعة التعرض من الأشعة السينية بشكل كبير (بأكثر من 50 ٪).

يستخدم Terbium أيضًا كمنشط في فسفور LED الأبيض متحمسًا بواسطة الضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. يمكن استخدامه لإنتاج الفسفور البلوري البصري للتيربيوم ، باستخدام الثنائيات التي تنبعث منها الضوء الأزرق كمصادر ضوء الإثارة ، ويتم خلط مضان الناتج مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي.

تشمل المواد الكهربائية المصنوعة من تيربيوم بشكل أساسي فسفور كبريتيد الزنك الأخضر مع تيربيوم كأنشطة. في ظل تشعيع الأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن تنبعث المجمعات العضوية من تيربيوم مضان أخضر قوي ويمكن استخدامه كمواد كهربائية رقيقة للفيلم. على الرغم من أنه تم إحراز تقدم كبير في دراسة الأفلام الرقيقة النادرة من الأراضي الكهربائية ، لا تزال هناك فجوة معينة من التطبيق العملي ، ولا تزال الأبحاث حول الأفلام والأجهزة الرقيقة النادرة للإلكترولومبينيين المعقدة.

وتستخدم خصائص مضان تيربيوم أيضًا كتحقيقات مضان. على سبيل المثال ، تم استخدام مسبار التألق من الـoloxacin terbium (TB3+) لدراسة التفاعل بين مجمع تيربيوم (TB3+) و DNA (DNA) بواسطة الطيف الفلوري ومطيف الامتصاص ، مما يشير إلى أن probe tb3+يمكن أن تشكل حزم Ofloxacin TB3+نظام. بناءً على هذا التغيير ، يمكن تحديد الحمض النووي.

للمواد البصرية المغناطيسية

المواد ذات تأثير فاراداي ، والمعروفة أيضًا باسم المواد المغناطيسية الضوئية ، تستخدم على نطاق واسع في الليزر والأجهزة البصرية الأخرى. هناك نوعان شائعان من المواد البصرية المغناطيسية: البلورات البصرية المغناطيسية والزجاج البصري المغناطيسي. من بينها ، فإن البلورات المغناطيسية البصرية (مثل العقيق من الحديد وتيريبيوم غاليوم العقيق) لها مزايا تردد التشغيل القابل للتعديل والاستقرار الحراري العالي ، لكنها مكلفة وصعبة في التصنيع. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من البلورات المغناطيسية البصرية مع زاوية دوران فاراداي عالية لها امتصاص عالي في نطاق الموجة القصير ، مما يحد من استخدامها. بالمقارنة مع البلورات البصرية المغناطيسية ، يتمتع الزجاج البصري المغناطيسي بميزة النقل العالي ويسهل تحويله إلى كتل أو ألياف كبيرة. في الوقت الحاضر ، فإن النظارات المغناطيسية البصرية ذات التأثير العالي فاراداي هي النظارات النادرة للأرض.

تستخدم لمواد التخزين البصرية المغناطيسية

في السنوات الأخيرة ، مع التطور السريع للوسائط المتعددة والأتمتة المكتبية ، زاد الطلب على أقراص مغناطيسية جديدة عالية السعة. تم استخدام أفلام سبيكة معدنية Terbium المعدنية غير المتبلورة لتصنيع أقراص مغناطيسية عالية الأداء. من بينها ، فإن فيلم TBFECO Alloy Thin لديه أفضل أداء. تم إنتاج المواد المغناطيسية البصرية المستندة إلى تيربيوم على نطاق واسع ، ويتم استخدام الأقراص البصرية المغناطيسية المصنوعة منها كمكونات تخزين الكمبيوتر ، مع زيادة سعة التخزين بمقدار 10-15 مرة. لديهم مزايا السعة الكبيرة وسرعة الوصول السريع ، ويمكن القضاء عليها وعشرات المغلفة من الآلاف من المرات عند استخدامها للأقراص الضوئية عالية الكثافة. إنها مواد مهمة في تكنولوجيا تخزين المعلومات الإلكترونية. المواد المغناطيسية الأكثر شيوعًا في الأشرطة المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء هي تيربيوم غاليوم العقيق (TGG) ، وهي أفضل مادة مغناطيسات صوتية لصنع الدوارات والمعزل عن الفاراداي.

للزجاج البصري المغناطيسي

الزجاج البصري Faraday Magneto لديه شفافية جيدة وخلايا الخواص في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء ، ويمكن أن تشكل أشكالًا معقدة مختلفة. من السهل إنتاج منتجات كبيرة الحجم ويمكن سحبها إلى ألياف بصرية. لذلك ، فإنه يحتوي على آفاق تطبيق واسعة في الأجهزة البصرية Magneto مثل العزلات البصرية المغناطيسية ، والمحوّلات البصرية المغناطيسية ، وأجهزة استشعار تيار الألياف البصرية. نظرًا للحظات المغناطيسية الكبيرة ومعامل الامتصاص الصغير في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء ، أصبحت أيونات TB3+تستخدم أيونات أرضية نادرة في النظارات البصرية المغناطيسية.

Terbium dysprosium ferromagnetostrictive سبيكة

في نهاية القرن العشرين ، مع تعميق الثورة العلمية والتكنولوجية العالمية ، تظهر مواد تطبيقية جديدة نادرة نادرة بسرعة. في عام 1984 ، قامت جامعة ولاية أيوا للولايات المتحدة ، ومختبر AMES التابع لوزارة الطاقة بالولايات المتحدة في الولايات المتحدة ومركز أبحاث الأسلحة البحرية الأمريكية (الموظفين الرئيسيين لشركة تكنولوجيا الحافة الأمريكية المتأخرة (ET REMA) ، بتطوير مواد ذكية جديدة نادرة ، وهي مواد طنغرافية ميتبروسيوم الحديد. هذه المادة الذكية الجديدة لها خصائص ممتازة لتحويل الطاقة الكهربائية بسرعة إلى طاقة ميكانيكية. تم تكوين محولات الطاقة تحت الماء والكهربائية المصنوعة من هذه المواد العملاقة المغناطيسية الناجحة في المعدات البحرية ، ومكبرات صوت الكشف عن البئر ، وأنظمة التحكم في الضوضاء والاهتزاز ، واستكشاف المحيطات وأنظمة الاتصالات تحت الأرض. لذلك ، بمجرد ولادتي تيربيوم ديسبروسيوم الحديد العملاقة للمواد المغنطيسية ، حصلت على اهتمام واسع النطاق من البلدان الصناعية في جميع أنحاء العالم. بدأت Technologies في الولايات المتحدة في إنتاج مواد مغنطيسية عملاق Terbium dysprosium Magnetosterctive في عام 1989 وسمتها Terfenol D. في وقت لاحق ، سويد واليابان وروسيا والمملكة المتحدة وأستراليا أيضًا طورت مواد Terbium Dysprosium Iron Gianttrictive.

من تاريخ تطور هذه المادة في الولايات المتحدة ، يرتبط كل من اختراع المواد وتطبيقاتها الاحتكارية المبكرة مباشرة بالصناعة العسكرية (مثل البحرية). على الرغم من أن الإدارات العسكرية والدفاعية في الصين تعزز تدريجياً فهمها لهذه المادة. ومع ذلك ، بعد زيادة القوة الوطنية الشاملة في الصين بشكل كبير ، فإن متطلبات تحقيق الاستراتيجية التنافسية العسكرية في القرن الحادي والعشرين وتحسين مستوى المعدات ستكون بالتأكيد ملحة للغاية. لذلك ، فإن الاستخدام الواسع النطاق للمواد المغناطيسية للدفاع العسكري والوطني من قبل إدارات الدفاع العسكرية والوطنية سيكون ضرورة تاريخية.

باختصار ، تجعل العديد من الخصائص الممتازة لـ Terbium عضوًا لا غنى عنه في العديد من المواد الوظيفية وموضع لا يمكن الاستغناء عنه في بعض مجالات التطبيق. ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع سعر تيربيوم ، كان الناس يدرسون كيفية تجنب استخدام تيربيوم وتقليله من أجل تقليل تكاليف الإنتاج. على سبيل المثال ، يجب أن تستخدم المواد المغناطيسية البصرية الأرضية النادرة أيضًا كوبالت الحديد المنخفض التكلفة أو الكوبالت الجادولينيوم تيربيوم قدر الإمكان ؛ حاول تقليل محتوى تيربيوم في مسحوق الفلورسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملاً مهمًا يقيد الاستخدام الواسع للتيربيوم. لكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن أن تستفيد منها ، لذلك يتعين علينا الالتزام بمبدأ "استخدام الصلب الجيد على الشفرة" ونحاول حفظ استخدام Terbium قدر الإمكان.