عنصر الأرض النادرة السحري: التربيوم

التربيومينتمي إلى فئة المعادن الأرضية النادرة الثقيلة، مع وفرة منخفضة في قشرة الأرض عند 1.1 جزء في المليون فقط.أكسيد التربيومتُمثل أقل من 0.01% من إجمالي العناصر الأرضية النادرة. حتى في خامات العناصر الأرضية النادرة الثقيلة عالية أيونات الإيتريوم، والتي تحتوي على أعلى نسبة من التربيوم، لا يُمثل محتوى التربيوم سوى 1.1-1.2% من إجماليالعناصر الأرضية النادرة، مما يشير إلى أنه ينتمي إلى فئة "النبيلة" منالعناصر الأرضية النادرةالعناصر. لأكثر من 100 عام منذ اكتشاف التربيوم عام 1843، حالت ندرته وقيمته دون تطبيقه العملي لفترة طويلة. ولم يُكتشف إلا في الثلاثين عامًا الماضيةالتربيوموقد أظهرت موهبتها الفريدة.

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل جوستاف موساندر التربيوم في عام 1843. واكتشف شوائبه فيأكسيد الإيتريوموY2O3. الإيتريومسُمي تيمنًا بقرية إيتبي في السويد. قبل ظهور تقنية التبادل الأيوني، لم يكن التيربيوم معزولًا في صورته النقية.

موساندر انقسم أولاًأكسيد الإيتريومإلى ثلاثة أجزاء، كل منها مسمى على اسم الخامات:أكسيد الإيتريوم, أكسيد الإربيوم، وأكسيد التربيوم. أكسيد التربيومكان يتكون في الأصل من جزء وردي اللون، وذلك بسبب العنصر المعروف الآن باسمالإربيوم. أكسيد الإربيوم(بما في ذلك ما نسميه الآن التربيوم) كان في الأصل جزءًا عديم اللون في المحلول. يُعتبر أكسيد هذا العنصر غير القابل للذوبان بني اللون.

ووجد العمال في وقت لاحق صعوبة في ملاحظة "الأجسام الصغيرة عديمة اللون"أكسيد الإربيوم"ولكن لا يمكن تجاهل الجزء الوردي القابل للذوبان. الجدل حول وجودأكسيد الإربيومظهرت مرارًا وتكرارًا. في خضم هذه الفوضى، عُكس الاسم الأصلي وتوقف تبادل الأسماء، لذا ذُكر الجزء الوردي في النهاية على أنه محلول يحتوي على الإربيوم (كان لونه ورديًا في المحلول). يُعتقد الآن أن العمال الذين يستخدمون ثاني كبريتيد الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم لإزالة ثاني أكسيد السيريوم منأكسيد الإيتريومانعطف عن غير قصدالتربيومإلى رواسب تحتوي على السيريوم. تُعرف حاليًا باسمالتربيوم"، حوالي 1% فقط من الأصل"أكسيد الإيتريومموجود، ولكن هذا يكفي لنقل اللون الأصفر الفاتح إلىأكسيد الإيتريوم. لذلك،التربيومهو مكون ثانوي كان يحتويه في البداية، ويتم التحكم فيه بواسطة جيرانه المباشرين،الغادولينيوموالديسبروسيوم.

بعد ذلك، كلما كان هناك غير ذلكالعناصر الأرضية النادرةتم فصل العناصر من هذا الخليط، بغض النظر عن نسبة الأكسيد، وتم الاحتفاظ باسم التربيوم حتى تم الحصول أخيرًا على أكسيد التربيوم البني.التربيومتم الحصول عليه في شكله 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

التخطيط الإلكتروني:

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

الترتيب الإلكتروني لـالتربيومهو [Xe] 6s24f9. عادةً، لا يمكن إزالة سوى ثلاثة إلكترونات قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تأينها أكثر. ومع ذلك، في حالةالتربيوم، شبه مملوءالتربيوميسمح بمزيد من التأين للإلكترون الرابع في وجود مؤكسد قوي جدًا مثل غاز الفلور.

معدن

التربيوممعدن 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 عناصر اللانثانيدات المبكرة، يتميز بثبات نسبي في الهواء. العنصر التاسع من عناصر اللانثانيدات، التربيوم، معدن مشحون بشدة، يتفاعل مع الماء لتكوين غاز الهيدروجين.

في الطبيعة،التربيوملم يتم العثور على عنصر حر على الإطلاق، وهو موجود بكميات صغيرة في رمل الفوسفور والسيريوم والثوريوم وخام السيليكون والبريليوم والإتريوم.التربيوميتواجد هذا العنصر مع عناصر أرضية نادرة أخرى في رمل المونازيت، بنسبة تيربيوم تبلغ عادةً 0.03%. ومن المصادر الأخرى فوسفات الإيتريوم وذهب العناصر الأرضية النادرة، وكلاهما خليط من أكاسيد تحتوي على نسبة تصل إلى 1% من التيربيوم.

طلب

تطبيقالتربيوموتشمل هذه المشاريع في الغالب مجالات التكنولوجيا الفائقة، وهي مشاريع كثيفة التكنولوجيا والمعرفة المتطورة، 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 لمسحوق أخضر 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.التربيوميعد مكونًا لا غنى عنه في العديد من مساحيق الفلورسنت الخضراء عالية الجودة.

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

العناصر الأرضية النادرةالتربيوميمكن أن يُحسّن جودة المحاصيل ويزيد من معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين. تتميز معقدات التربيوم بنشاط بيولوجي عالٍ، والمعقدات الثلاثية لـالتربيوم، Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O، لها تأثيرات مضادة للبكتيريا ومبيدة للجراثيم على المكورات العنقودية الذهبية، والعصيات الرقيقة، والإشريكية القولونية، مع خصائص مضادة للبكتيريا واسعة الطيف. تُتيح دراسة هذه المركبات اتجاهًا بحثيًا جديدًا للأدوية الحديثة القاتلة للجراثيم.

يستخدم في مجال التلألؤ

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. وإذا كان ظهور مسحوق الفلورسنت الأحمر المُستخدم في أجهزة التلفزيون الملونة من العناصر الأرضية النادرة قد حفّز الطلب على...الإيتريومواليوروبيومثم شجع استخدام وتطوير التربيوم من خلال مسحوق الفلوريسنت الأخضر ثلاثي الألوان الأساسي للمصابيح من العناصر الأرضية النادرة. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، اخترعت شركة فيليبس أول مصباح فلورسنت مدمج موفر للطاقة في العالم، وسرعان ما روّجت له عالميًا. يمكن لأيونات Tb3+ إصدار ضوء أخضر بطول موجي 545 نانومتر، وتستخدم جميع مساحيق الفلوريسنت الأخضر من العناصر الأرضية النادرة تقريبًا.التربيوم، كمنشط.

لطالما اعتمد مسحوق الفلورسنت الأخضر المستخدم في أنابيب أشعة الكاثود (CRT) للتلفزيون الملون بشكل أساسي على كبريتيد الزنك الرخيص والفعال، إلا أن مسحوق التربيوم استُخدم دائمًا كمسحوق أخضر للتلفزيون الملون، مثل Y2SiO5: Tb3+، وY3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، وLaOBr: Tb3+. مع تطور التلفزيون عالي الوضوح (HDTV) ذي الشاشات الكبيرة، يجري أيضًا تطوير مساحيق فلورسنت خضراء عالية الأداء لأنابيب أشعة الكاثود. على سبيل المثال، طُوّر مسحوق فلورسنت أخضر هجين في الخارج، يتكون من Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+، وLaOCl: Tb3+، وY2SiO5: Tb3+، ويتميز بكفاءة تألق ممتازة عند كثافة تيار عالية.

مسحوق الفلورسنت التقليدي للأشعة السينية هو تنغستات الكالسيوم. في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي، طُوّرت مساحيق فلورسنت من معادن أرضية نادرة لشاشات التحسيس، مثل:التربيومأكسيد كبريتيد اللانثانوم المنشط، وأكسيد بروميد اللانثانوم المنشط بالتربيوم (للشاشات الخضراء)، وأكسيد كبريتيد الإيتريوم المنشط بالتربيوم. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم، يُمكن لمسحوق الفلورسنت الأرضي النادر تقليل مدة تعريض المرضى للأشعة السينية بنسبة 80%، وتحسين دقة أفلام الأشعة السينية، وإطالة عمر أنابيب الأشعة السينية، وتقليل استهلاك الطاقة. يُستخدم التربيوم أيضًا كمنشط مسحوق فلوري في شاشات تحسين الأشعة السينية الطبية، مما يُحسّن بشكل كبير حساسية تحويل الأشعة السينية إلى صور بصرية، ويزيد من وضوح أفلام الأشعة السينية، ويُقلل بشكل كبير من جرعة تعرض جسم الإنسان للأشعة السينية (بأكثر من 50%).

التربيوميُستخدم أيضًا كمنشط في فوسفور LED الأبيض المُثار بالضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. يمكن استخدامه لإنتاج فوسفورات بلوري مغناطيسي بصري من التربيوم والألومنيوم، باستخدام ثنائيات باعثة للضوء الأزرق كمصادر ضوء إثارة، ويُمزج الفلورسنت المُولّد مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي.

تشتمل المواد المضيئة كهربائيًا المصنوعة من التربيوم بشكل أساسي على مسحوق فلوري أخضر من كبريتيد الزنك معالتربيومكمنشط. تحت الأشعة فوق البنفسجية، يمكن لمعقدات التربيوم العضوية إصدار فلورسنت أخضر قوي، ويمكن استخدامها كمواد رقيقة مضيئة كهربائيًا. على الرغم من التقدم الكبير المحرز في دراسةالعناصر الأرضية النادرةلا تزال هناك فجوة معينة من الناحية العملية فيما يتعلق بالأغشية الرقيقة المعقدة العضوية المضيئة كهربائياً، ولا يزال البحث في الأغشية الرقيقة والأجهزة المعقدة العضوية المضيئة كهربائياً في العمق.

تُستخدم خصائص الفلورسنت للتيربيوم أيضًا كمسبارات فلورسنت. دُرِس التفاعل بين معقد تيربيوم أوفلوكساسين (Tb3+) وحمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) باستخدام أطياف الفلورسنت والامتصاص، مثل مسبار فلورسنت تيربيوم أوفلوكساسين (Tb3+). أظهرت النتائج أن مسبار تيربيوم أوفلوكساسين (Tb3+) قادر على تكوين أخدود يرتبط بجزيئات الحمض النووي، وأن حمض الديوكسي ريبونوكلييك يُعزز بشكل كبير فلورسنت نظام أوفلوكساسين (Tb3+). بناءً على هذا التغيير، يُمكن تحديد حمض الديوكسي ريبونوكلييك.

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 الغاليوم) بميزة تردد التشغيل القابل للتعديل والاستقرار الحراري العالي، ولكنها باهظة الثمن ويصعب تصنيعها. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع العديد من البلورات المغناطيسية البصرية ذات زوايا 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، تتكون النظارات المغناطيسية البصرية ذات تأثير فاراداي العالي بشكل أساسي من زجاج مُشَوَّب 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 رقيقة من 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، ويمكن مسحها وطلائها عشرات الآلاف من المرات عند استخدامها في الأقراص البصرية 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 تيربيوم جاليوم جارنيت أحادية البلورة (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 التعمق المستمر للثورة التكنولوجية العالمية، ظهرت بسرعة مواد تطبيقية جديدة للعناصر الأرضية النادرة. في عام ١٩٨٤، تعاونت جامعة ولاية أيوا، ومختبر أميس التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، ومركز أبحاث الأسلحة السطحية التابع للبحرية الأمريكية (الذي انبثق منه الموظفون الرئيسيون لشركة Edge Technology Corporation (ET REMA)) لتطوير مادة ذكية جديدة للعناصر الأرضية النادرة، وهي مادة التربيوم ديسبروسيوم المغناطيسية الحديدية. تتميز هذه المادة الذكية الجديدة بخصائص ممتازة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية بسرعة. وقد تم تكوين المحولات 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 الحديد المغناطيسية العملاقة، 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 يُعززان فهمهما لهذه المادة تدريجيًا، إلا أنه مع التعزيز الكبير للقوة الوطنية الشاملة للصين، فإن الحاجة إلى تحقيق استراتيجية تنافسية عسكرية في القرن الحادي والعشرين وتحسين مستويات المعدات ستكون ملحة للغاية. لذلك، سيكون الاستخدام الواسع النطاق لمواد التضيق المغناطيسي العملاقة المصنوعة من التربيوم والديسبروسيوم الحديدي من قبل الجيش والدفاع الوطني ضرورة تاريخية.

باختصار، العديد من الخصائص الممتازة لـالتربيومجعله عنصرًا أساسيًا في العديد من المواد الوظيفية، ومكانة لا غنى عنها في بعض مجالات التطبيق. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع سعر التربيوم، بدأ الباحثون في دراسة كيفية تجنب استخدامه وتقليله لتقليل تكاليف الإنتاج. على سبيل المثال، ينبغي أن تستخدم المواد المغناطيسية البصرية للعناصر الأرضية النادرة مواد منخفضة التكلفة.حديد الديسبروسيوماستخدم قدر الإمكان الكوبالت أو الغادولينيوم تيربيوم كوبالت؛ حاول تقليل محتوى التربيوم في مسحوق الفلوريسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملاً مهمًا يحد من الاستخدام الواسع النطاق.التربيومولكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن الاستغناء عنها، لذا يتعين علينا الالتزام بمبدأ "استخدام الفولاذ الجيد في الشفرة" ومحاولة توفير الاستخدامالتربيومبقدر الإمكان.