عنصر الأرض النادر السحري: تيربيوم

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

اكتشاف التاريخ

اكتشف الكيميائي السويدي كارل غوستاف موساندر تيربيوم في عام 1843. اكتشف شوائبه فيأكسيد YttriumوY2O3. yttriumسمي على اسم قرية إيتبي في السويد. قبل ظهور تكنولوجيا التبادل الأيوني ، لم يتم عزل تيربيوم في شكله النقي.

موساندر منقسمة أولاًأكسيد Yttriumفي ثلاثة أجزاء ، سميت جميعها على بعد خامات:أكسيد Yttrium, أكسيد الإربيوم، وأكسيد تيربيوم. أكسيد تيربيومكان في الأصل يتكون من جزء وردي ، بسبب العنصر المعروف الآن باسمإربيوم. أكسيد الإربيوم(بما في ذلك ما نسميه الآن Terbium) كان في الأصل جزءًا عديم اللون في الحل. يعتبر الأكسيد غير القابل للذوبان لهذا العنصر بني.

وجد العمال في وقت لاحق صعوبة في مراعاة القليل من الألوان "أكسيد الإربيوم"، ولكن لا يمكن تجاهل الجزء الوردي القابل للذوبان. النقاش حول وجودأكسيد الإربيومظهرت مرارا وتكرارا. 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 ثاني كبريتيد الصوديوم أو كبريتات البوتاسيوم لإزالة ثاني أكسيد السيريوم منأكسيد Yttriumبدوره عن غير قصدتيربيومفي سيريوم يحتوي على رواسب. المعروف حاليا باسم 'تيربيوم'، حوالي 1 ٪ فقط من الأصلأكسيد Yttriumموجود ، لكن هذا يكفي لنقل اللون الأصفر الفاتح إلىأكسيد Yttrium. لذلك،تيربيومهو مكون ثانوي احتوى عليه في البداية ، ويتم التحكم فيه من قبل جيرانه المباشرين ،الجادولينيوموdysprosium.

بعد ذلك ، كلما أخرىأرض نادرةتم فصل العناصر عن هذا الخليط ، بغض النظر عن نسبة الأكسيد ، تم الاحتفاظ باسم تيربيوم حتى أخيرًا ، أكسيد بنيتيربيومتم الحصول عليها 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

التصميم الإلكتروني:

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

الترتيب الإلكتروني لتيربيومهو [XE] 6S24F9. عادة ، يمكن إزالة ثلاثة إلكترونات فقط قبل أن تصبح الشحنة النووية كبيرة جدًا بحيث لا تتأين. ومع ذلك ، في حالةتيربيوم، نصف مملوءةتيربيوميسمح بمزيد من التأين للإلكترون الرابع في وجود مؤكسد قوي للغاية مثل غاز الفلور.

معدن

تيربيومهو 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 عناصر اللانثانيد المبكرة ، فهي مستقرة نسبيا في الهواء. العنصر التاسع لعناصر اللانثانيد ، تيربيوم ، هو معدن مشحون للغاية يتفاعل مع الماء لتشكيل غاز الهيدروجين.

في الطبيعة ،تيربيوملم يتم العثور على عنصر مجاني ، موجود بكميات صغيرة في رمل الثوريوم الفوسفوري وبيريليوم بيريليوم خام.تيربيوميتعايش مع عناصر أرضية نادرة أخرى في الرمال المونازيت ، مع محتوى تيربيوم بنسبة 0.03 ٪ عمومًا. تشمل المصادر الأخرى فوسفات Yttrium والذهب الأرضي النادر ، وكلاهما مخاليط من الأكاسيد التي تحتوي على تيربيوم تصل إلى 1 ٪.

طلب

تطبيقتيربيومفي الغالب ، يتضمن الحقول ذات التقنية العالية ، والتي هي مكثفة للتكنولوجيا ومشاريع متطورة كثيفة المعرفة ، وكذلك المشاريع ذات الفوائد الاقتصادية الكبيرة ، 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. وتيربيومهو 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 الأقراص الضوئية المغنطيسية 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

أرض نادرةتيربيوميمكن تحسين جودة المحاصيل وزيادة معدل التمثيل الضوئي ضمن نطاق تركيز معين. تتمتع مجمعات تيربيوم بنشاط بيولوجي عالي ، والمجمعات الثلاثية منتيربيوم، TB (ALA) 3Benim (CLO4) 3-3H2O ، لها آثار جيدة مضادة للبكتيريا والبكتيريا على المكورات العنقودية الذهبية ، و Bacillus subtilis ، و Escherichia coli ، مع خصائص مضادة للبكتيريا واسعة النطاق. توفر دراسة هذه المجمعات اتجاهًا جديدًا للبحث للأدوية الحديثة للمبيدات الجراثيم.

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 الحمراء الملون النادر قد حفز الطلب علىyttriumويوروبيوم، ثم تم تعزيز تطبيق وتطور تيربيوم بواسطة مسحوق الفلورسنت الأخضر الأولي للأرض. في أوائل الثمانينيات من القرن الماضي ، اخترع Philips أول مصباح الفلورسنت المدمج للطاقة في العالم وقامت بترقيته بسرعة على مستوى العالم. يمكن أن تنبعث أيونات TB3+الضوء الأخضر بطول موجة قدره 545 نانومتر ، وجميع المساحيق الفلورية الخضراء النادرة تقريبًاتيربيوم، كأنشطة.

لطالما كان مسحوق الفلورسنت الأخضر المستخدم لأنابيب أشعة الكاثود التليفزيونية الملونة (CRTs) يعتمد بشكل أساسي على كبريتيد الزنك الرخيص والفعال ، ولكن تم استخدام مسحوق terbium دائمًا كمسحوق تلفزيوني ملون للإسقاط ، مثل 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 ، تم تطوير مساحيق فلوريسنت الأرضية النادرة لشاشات التوعية ، مثلتيربيوم، أكسيد كبريتيد اللانثانوم المنشط ، وأكسيد بروميد اللانثانوم المنشط تيربيوم (للشاشات الخضراء) ، وأكسيد كبريتيد يتريوم المنشط تيربيوم. بالمقارنة مع تنغستات الكالسيوم ، يمكن أن يقلل مسحوق الفلورسنت الأرضي النادر من وقت تشعيع الأشعة السينية للمرضى بنسبة 80 ٪ ، وتحسين 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 ٪).

تيربيوميستخدم أيضًا كمنشط في الفوسفور الأبيض المثير للضوء الأزرق لإضاءة أشباه الموصلات الجديدة. يمكن استخدامه لإنتاج الفسفور البلوري البصري للتيريبيوم ، باستخدام ثنائيات الضوء الأزرق المنبعث من الضوء كمصادر للضوء الإثارة ، ويتم خلط مضان الإثارة مع ضوء الإثارة لإنتاج ضوء أبيض نقي

تشمل المواد الكهربائية المصنوعة من تيربيوم بشكل رئيسي مسحوق الفلورسنت الأخضر كبريتيد الزنك معتيربيومكما المنشط. 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 دراسةأرض نادرةلا تزال هناك فجوة معينة من التطبيق العملي ، لا تزال هناك فجوة معينة من التطبيق العملي ، والبحث عن الأفلام والأجهزة الرقيقة المنكوبة بالكهرباء العضوية النادرة.

وتستخدم خصائص مضان تيربيوم أيضًا كتحقيقات مضان. تمت دراسة التفاعل بين Terbium terbium (TB3+) وحمض ديوكسيريبونوكليك (DNA) باستخدام أطياف التألق والامتصاص ، مثل مسبار مضان من terbium terbium (TB3+). أظهرت النتائج أن مسبار Ofloxacin TB3+يمكن أن يشكل أخدود ملزمة مع جزيئات الحمض النووي ، ويمكن أن يعزز حمض ديوكسيريبونوكليك بشكل كبير من مضان نظام TB3+. بناءً على هذا التغيير ، يمكن تحديد حمض ديوكسيريبونوكليك.

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 زوايا الدوران عالية الفاراداي 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 رقيقة من سبيكة Terbium المعدنية غير المتبلورة لتصنيع الأقراص الضوئية المغنطيسية 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 التعميق المستمر للثورة التكنولوجية العالمية ، ظهرت مواد جديدة للتطبيقات الأرضية النادرة. في عام 1984 ، تعاونت جامعة ولاية أيوا ، ومختبر AMES لوزارة الطاقة الأمريكية ، ومركز أبحاث الأسلحة البحرية الأمريكية (والذي جاء منه الموظفون الرئيسيون في شركة Edge Technology Corporation (ET REMA) في وقت لاحق) لتطوير مواد ذكية جديدة نادرة ، وهي مواد مغناطيسية ثنائية الأبعاد. 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 ، مع التعزيز الكبير للقوة الوطنية الشاملة في الصين ، فإن الطلب على تحقيق استراتيجية تنافسية عسكرية في القرن الحادي والعشرين وتحسين مستويات المعدات سيكون أمرًا ملموسًا للغاية. لذلك ، فإن الاستخدام الواسع النطاق للمواد المغناطيسية للدفاع العسكري والوطني من قبل إدارات الدفاع العسكرية والوطنية سيكون ضرورة تاريخية.

باختصار ، العديد من الخصائص الممتازةتيربيوماجعله عضوًا لا غنى عنه في العديد من المواد الوظيفية وموضع لا يمكن الاستغناء عنه في بعض حقول 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 الأرضية النادرة أيضًا منخفضة التكلفةالحديد dysprosiumالكوبالت أو الجادولينيوم تيربيوم كوبالت قدر الإمكان ؛ حاول تقليل محتوى تيربيوم في مسحوق الفلورسنت الأخضر الذي يجب استخدامه. أصبح السعر عاملًا مهمًا يقيد الاستخدام الواسع النطاق لـتيربيوم. لكن العديد من المواد الوظيفية لا يمكن أن تفعل بدونها ، لذلك يتعين علينا الالتزام بمبدأ "استخدام الصلب الجيد على الشفرة" ومحاولة حفظ استخدامتيربيومقدر الإمكان.