Тербий

Относится к семейству лантаноидов (иттриевая подгруппа)^[2]. Как и любой лантаноид, тербий принадлежит к редкоземельным элементам и переходным металлам.

Простое вещество тербий — мягкий металл серебристо-белого цвета^[2].

История

В 1843 году шведский химик К. Г. Мосандер обнаружил примеси в концентрате Y₂O₃ и выделил из него три фракции: иттриевую, розовую terbia (которая содержала современный элемент эрбий) и бесцветную erbia (содержала элемент тербий, нерастворимый оксид тербия имеет коричневый оттенок). Из-за бесцветности erbia существование этого соединения долгое время подвергалось сомнению, также были перепутаны названия фракций. Тербий в исходном концентрате составлял около 1 %, однако этого было достаточно, чтобы придать ему желтоватый оттенок. Чистый тербий в начале XX века первым получил французский химик Жорж Урбэн, использовавший технологию ионного обмена^[3].

Происхождение названия

Наряду ещё с тремя химическими элементами (эрбий, иттербий, иттрий) получил название в честь шведской деревни Иттербю (швед. Ytterby), находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг.

Нахождение в природе

Кларк тербия в земной коре — 4,3 г/т^[2]. Содержание в морской воде порядка 10⁻⁷ мг/л^[2].

Месторождения

Тербий никогда не встречается в природе в виде свободного элемента, однако он содержится во многих минералах, например в гадолините, ксенотиме, церите, монаците, эвксените, бастнезите, лопарите и т. д.^[2]

Тербий входит в состав семейства лантаноидов, которые часто встречаются в Китае, США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии. Значительны запасы в глубоководном иловом месторождении редкоземельных минералов у тихоокеанского острова Минамитори в исключительной экономической зоне Японии^[4].

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома тербия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁹. Энергии ионизации при последовательном переходе от Tb⁰ до Tb⁵⁺: 5,85 эВ; 11,52 эВ; 21,91 эВ; 39,79 эВ; 66,5 эВ. Атомный радиус 177 пм. Ионный радиус Tb³⁺ составляет 106 пм (координационное число 6); 112 пм (к.ч. 7); 118 пм (к.ч. 8); 124 пм (к.ч. 9). У иона Tb⁴⁺ ионные радиусы 90 пм (к.ч. 6), 102 пм (к.ч. 8)^[2].

Тербий как простое вещество при нормальных условиях — пластичный, мягкий (тербий настолько мягок, что его можно резать ножом) металл серебристо-белого цвета. Легко поддаётся механической обработке. Природный тербий не радиоактивен^[2].

Известны три кристаллические модификации тербия. При нормальных условиях существует α-тербий, образующий кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6₃/mmc, параметры ячейки a = 0,36010 нм, c = 0,56936 нм, Z = 2, d = 8,272 г/см³, решётка типа магния. При температурах выше 1287 °C устойчив β-тербий, образующий кристаллы кубической сингонии, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,402 нм, Z = 2, d = 8,12 г/см³, решётка типа α-железа. Энтальпия полиморфного перехода между этими модификациями составляет 5 кДж/моль. При давлении выше 1 ГПа устойчива модификация, образующая кристаллы тригональной сингонии, пространственная группа R3m, параметры ячейки a = 0,883 нм, α = 23,42°, Z = 3, решётка типа самария^[2].

Температура плавления 1357 °C^[2], по другим сведениям 1356 °C^[5]. Температура кипения 3227 °C^[2], по другим сведениям 3230 °C^[5].

Молярная теплоёмкость C0
p 29 Дж/(моль·К). Энтальпия плавления ΔH0
пл 10,8 кДж/моль. Энтальпия испарения ΔH0
исп 388 кДж/моль. Энтропия S0
298 73,5 Дж/(моль·К)^[2].

Температурный коэффициент линейного расширения 1,18⋅10⁻⁵ К⁻¹. Твёрдость по Бриннелю литого тербия при 20 °C составляет 677 МПа. Удельное сопротивление 1,16⋅10⁻⁶ Ом·м^[2].

Альфа-тербий является парамагнетиком, при температуре ниже точки Нееля −43,0 °C (230,2 К) становится антиферромагнетиком, при температуре ниже точки Кюри −53,6 °C (219,6 К) переходит в ферромагнитное состояние^[2].

Изотопы

Единственным стабильным изотопом тербия является ¹⁵⁹Tb. Самым долгоживущим радиоактивным изотопом является ¹⁵⁸Tb с периодом полураспада 180 лет.

Химические свойства

Медленно окисляется в сухом воздухе, несколько быстрее — при нагревании во влажном воздухе. Медленно окисляется кипящей водой, реагирует с минеральными кислотами, халькогенами, галогенами, азотом, водородом (при нагревании). В реакциях обычно образует производные Tb(III), ион Tb³⁺ устойчив в водных средах, имеет розовую окраску. Ион Tb⁺ известен только в составе монохлорида TbCl, гидролизуется. Производные Tb(IV) в водных растворах малоустойчивы, гидратированный Tb⁴⁺ существуют только в виде гетерополианионов. Твёрдые оксиды и фториды Tb(IV) стабильны^[2].

Получение

Выделяют тербий из смеси редкоземельных элементов методами ионообменной хроматографии или жидкостной экстракции.

Цены

Главным поставщиком редкоземельных элементов является Китай. Грамотно проводимая им ценовая политика привела к резкому повышению цен (в 5-10 раз) в 2010—2011 годах^[6]. Цена за один килограмм металлического тербия достигала 4400$^[7], к 2016 году цена снизилась до 1000$^[8] за килограмм.

Цена на тербий, как и на прочие редкоземельные элементы, сильно зависит от степени очистки.

В 2013 году 1 грамм тербия чистоты 99,9 % можно было купить за 64 евро^[9].

В России в 2014—2016 годах за металлический слиток весом 2 грамма и чистотой 99,9 % просили 150 евро^[10].

Применение

Тербий — весьма необычный^{[источник не указан 133 дня]} металл из ряда лантаноидов и обладает значительным спектром уникальных^{[источник не указан 133 дня]} физических характеристик, впрочем, как и ряд его сплавов и соединений. Тербий — моноизотопный элемент (стабилен только тербий-159).

Гигантский магнитострикционный эффект. Производство магнитострикционных сплавов

Сплав тербий-железо — лучший^{[источник не указан 133 дня]} магнитострикционный материал современной техники (особенно его монокристалл) — применяется для производства мощных приводов малых перемещений (например, адаптивная оптика крупных телескопов-рефлекторов), источников звука огромной мощности, сверхмощных ультразвуковых излучателей. Кроме того, ряд соединений тербия также обнаруживает гигантскую магнитострикцию, и в этом отношении особый^{[источник не указан 133 дня]} интерес представляет титанат тербия и, в частности, его монокристалл.

Магнитные материалы

Монокристаллический сплав тербий-кобальт при температурах, близких к абсолютному нулю, является самым мощным магнитотвёрдым материалом (произведение магнитной энергии (BH)_max = 408 кДж/м³, что более чем в 5—7 раз выше, нежели у сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор).

Термоэлектрические материалы

Теллурид тербия Tb₂Te₃ — хороший термоэлектрический материал, при снижении цены на тербий может быть широко применен для производства термоэлектрогенераторов (термо-э.д.с. 160—170 мкВ/К).

Оптические материалы

Тербий-галлиевый гранат (Tb₃Ga₅O₁₂, ТГГ) демонстрирует высокие значения постоянной Верде, вследствие чего используется в лазерной технике в качестве материала для фарадеевских вращателей, применяется в оптических изоляторах и циркуляторах.

Люминофоры

Вольфрамат тербия постоянно производится и потребляется в электронике в качестве люминофора.

Применение в OLED-устройствах находят комплексные соединения тербия (наряду с европием и самарием). Это связано с хорошими люминесцентными характеристиками: высокой интенсивностью люминесценции и малой полушириной линий спектра. Такие свойства объясняются запрещённостью переходов между термами f-оболочки, экранированной вышележащими 5s- и 5p-оболочками. Принцип действия таких супрамолекулярных фотофизических устройств (определение Ж. М. Лена) основан на эффекте антенны.

Люминесценция иона Tb³⁺ обусловлена f-f переходами с возбуждённого уровня ⁵D₄ на уровни ⁷F_j, j = 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0. Этим переходам соответствуют полосы люминесценции в люминесцентных спектрах при 680, 670, 650, 620, 590, 545, 490 нм соответственно^[11]. Наиболее интенсивная полоса люминесценции вызывается переходом ⁵D₄-⁷F₅ и находится в зелёной области спектра, что обеспечивает основной вклад в яркую зелёную люминесценцию этого иона. Тербий образует яркие люминесцентные комплексы с рядом лигандов, положение триплетного уровня которых находится в пределах 22900—24500 см⁻¹, в частности, с ароматическими карбоновыми кислотами (бензойной, салициловой), алифатически замещёнными 1-фенил-3-метил-ацилпиразол-5-онами, дикетонами — ацетилацетоном и др.

Для получения OLED-устройств на основе люминесцирующих соединений тербия используются различные методы нанесения тонких плёнок: спинкоатинг, газофазный синтез и др.

Гигантский магнитокалорический эффект

Сплавы тербия с гадолинием имеют характеристики, подходящие для конструирования магнитных холодильников^{[источник не указан 133 дня]}.

Катализаторы

Оксид тербия применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления^{[источник не указан 133 дня]}.

Электроника

Фторид тербия совместно с фторидами церия и иттрия используется в микроэлектронике в качестве просветляющего покрытия на кремнии^{[источник не указан 133 дня]}.

Производство компьютеров

В последние годы в производстве компьютеров особое значение^{[прояснить]} приобрёл феррит тербия^{[источник не указан 133 дня]}.

Биологическая роль

По существующим данным, тербий не имеет биологической роли. Как и другие лантаноиды, соединения тербия должны обладать токсичностью ниже среднего, однако подробных исследований на эту тему не проводилось^[5].

Примечания

↑ Meng Wang, Huang W. J., Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030003-1—030003-512. — doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ Мартыненко Л. И., Моисеев С. Д., Киселев Ю. М. Тербий // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Полимерные — Трипсин. — С. 531—532. — 639 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
↑ Gupta C. K., Krishnamurthy N. Extractive metallurgy of rare earths (англ.). — CRC Press, 2005. — P. 5. — 504 p. — ISBN 0-415-33340-7.
↑ Takao Y. et al. The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements (англ.) // Scientific Reports. — 2018. — Vol. 8. — P. 5763-1—5763-8. — doi:10.1038/s41598-018-23948-5. Архивировано 23 января 2019 года.
↑ ¹ ² ³ Hammond C. R. The Elements: Terbium // Handbook of Chemistry and Physics (англ.). — 81st Ed. — CRC Press, 2004. — P. 4-31. — 2712 p. Архивировано 3 августа 2023 года.
↑ Самсонов Н. Ю., Семягин И. Н. Обзор мирового и российского рынка редкоземельных металлов (рус.) // Всероссийский экономический журнал ЭКО. — 2014. — № 2 (476). — С. 45—54. Архивировано 2 октября 2016 года.
↑ Динамика цен на РЗМ 2011-2012гг. (неопр.) tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016. Архивировано 2 октября 2016 года.
↑ Обзор рынка РЗМ 2016г. (неопр.) tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016. Архивировано 2 октября 2016 года.
↑ Terbium Архивная копия от 5 марта 2016 на Wayback Machine — Materials Technology & Crystals for Research, Development and Production — архив Архивная копия от 13 ноября 2014 на Wayback Machine.
↑ Поиск — тербий (неопр.). Дата обращения: 19 сентября 2020. Архивировано 6 марта 2021 года.
↑ Полуэктов Н. С., Кононенко Л. И., Ефрюшина Н. П., Бельтюкова С. В. Спектрофотометрические и люминесцентные методы определения лантаноидов (рус.). — Киев: Наукова думка, 1989.

Ссылки

Ссылки на внешние ресурсы
Словари и энциклопедии	Большая датская Большая каталанская Большая китайская Большая норвежская Большая российская (научно-образовательный портал) Britannica (онлайн) Treccani Universalis
В библиографических каталогах	GND: 4184744-1 J9U: 987007529656805171 LCCN: sh85133986 LNB: 000339107

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Постпереходные металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Благородные газы

Электрохимический ряд активности металлов
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Эта страница в последний раз была отредактирована 11 декабря 2023 в 13:58.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.

Из Википедии — свободной энциклопедии

Энциклопедичный YouTube

Субтитры

Содержание