Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Тербий - химический элемент с символом Tb и атомным номером 65. Это серебристо-белый редкоземельный металл , ковкий , пластичный и достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать ножом. Девятый член ряда лантаноидов , тербий - довольно электроположительный металл, который реагирует с водой с выделением газообразного водорода . Тербий никогда не встречается в природе как свободный элемент, но он содержится во многих минералах , включая церит , гадолинит , монацит , ксенотим., и эвксенит .

Шведский химик Карл Густав Мосандер открыл тербий как химический элемент в 1843 году. Он обнаружил его как примесь в оксиде иттрия , Y 2 O 3 . Иттрий и тербий, а также эрбий и иттербий названы в честь деревни Иттерби в Швеции. Тербий не был изолирован в чистом виде до появления методов ионного обмена .

Тербий используется для легирования фторида кальция, вольфрамата кальция и молибдата стронция , материалов, которые используются в твердотельных устройствах , а также в качестве стабилизатора кристаллов топливных элементов, работающих при повышенных температурах. В качестве компонента терфенола-D (сплава, который расширяется и сжимается при воздействии магнитных полей больше, чем любой другой сплав), тербий используется в исполнительных механизмах , в морских гидроакустических системах и в датчиках .

Большая часть запасов тербия в мире используется в зеленых люминофорах. Оксид тербия содержится в люминесцентных лампах, телевизионных и контрольных электронно-лучевых трубках (ЭЛТ). Тербиевый зеленый люминофор в сочетании с двухвалентным европиевым синим люминофором и трехвалентным европиевым красным люминофором обеспечивает технологию трехцветного освещения - высокоэффективного белого света, используемого для стандартного освещения в помещениях.

Характеристики [ править ]

Физические свойства [ править ]

Тербий - это серебристо-белый редкоземельный металл , ковкий , пластичный и достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать ножом. [4] Он относительно стабилен на воздухе по сравнению с более ранними, более реактивными лантаноидами первой половины ряда лантаноидов. [5] Тербий существует в двух кристаллических аллотропах с температурой превращения 1289 ° C между ними. [4] 65 электронов атома тербия расположены в электронной конфигурации [Xe] 4f 9 6s 2; обычно только три электрона могут быть удалены до того, как заряд ядра станет слишком большим, чтобы позволить дальнейшую ионизацию, но в случае тербия стабильность наполовину заполненной конфигурации [Xe] 4f 7 допускает дальнейшую ионизацию четвертого электрона в присутствии очень сильных окислителей, таких как газообразный фтор . [4]

Катион тербия (III) ярко флуоресцирует ярко-лимонно-желтым цветом, который является результатом сильной зеленой эмиссионной линии в сочетании с другими линиями оранжевого и красного цветов. Yttrofluorite разновидности минерала флюорита обязана своим кремово-желтого цвета флуоресценции в части к тербию. Тербий легко окисляется и поэтому используется в элементарной форме специально для исследований. Отдельные атомы тербия были изолированы путем имплантации их в молекулы фуллерена . [6]

Тербий имеет простое ферромагнитное упорядочение при температурах ниже 219 К. Выше 219 К он превращается в спиральное антиферромагнитное состояние, в котором все атомные моменты в конкретном базисном плоском слое параллельны и ориентированы под фиксированным углом к ​​моментам соседних слои. Этот необычный антиферромагнетизм переходит в неупорядоченное парамагнитное состояние при 230 К. [7]

Химические свойства [ править ]

Металлический тербий является электроположительным элементом и окисляется в присутствии большинства кислот (например, серной кислоты), всех галогенов и даже воды. [8]

2 Тбайт (с) + 3 H 2 SO 4 → 2 Тбайт 3+ + 3  SO2-
4
+ 3 H 2
2 Tb + 3 X 2 → 2 TbX 3 (X = F , Cl , Br , I )
2 Tb (с) + 6 H 2 O → 2 Tb (OH) 3 + 3 H 2

Тербий также легко окисляется на воздухе с образованием смешанного оксида тербия (III, IV) : [8]

8 Тб + 7 О 2 → 2 Тб 4 О 7

Наиболее распространенная степень окисления тербия +3 (трехвалентная), например TbCl.3. В твердом состоянии четырехвалентный тербий также известен в таких соединениях, как TbO 2 и TbF 4 . [9] В растворе тербий обычно образует трехвалентные частицы, но может быть окислен до четырехвалентного состояния озоном в высокоосновных водных условиях. [10]

Координационная и металлоорганическая химия тербия аналогична другим лантаноидам. В водных условиях тербий может координироваться девятью молекулами воды , которые расположены в треугольной треугольной призматической геометрии молекулы . Также известны комплексы тербия с более низким координационным числом, обычно с объемными лигандами, такими как бис (триметил-силиламид) , который образует трехкоординированный комплекс Tb [N (SiMe 3 ) 2 ] 3 .

Большинство координационных и металлоорганических комплексов содержат тербий в трехвалентной степени окисления. Также известны двухвалентные (Tb 2+ ) комплексы, обычно с объемными лигандами циклопентадиенильного типа. [11] [12] [13] Также известно несколько координационных соединений, содержащих тербий в его четырехвалентном состоянии. [14] [15] [16]

Соединения [ править ]

Сульфат тербия, Tb 2 (SO 4 ) 3 (вверху), флуоресцирует зеленым в ультрафиолетовом свете (внизу)

Тербий соединяется с азотом, углеродом, серой, фосфором, бором, селеном, кремнием и мышьяком при повышенных температурах, образуя различные бинарные соединения, такие как TbH 2 , TbH 3 , TbB 2 , Tb 2 S 3 , TbSe, TbTe и TbN . [17] В этих соединениях Tb в основном проявляет степени окисления +3, а иногда и +2. Галогениды тербия (II) получают отжигом галогенидов Tb (III) в присутствии металлического Tb в танталовых контейнерах. Тербий также образует сесквихлорид Tb 2 Cl 3 , который может быть дополнительно восстановлен до TbCl путем отжига при 800 ° C. Этот хлорид тербия (I) образует пластинки со слоистой графитоподобной структурой.[18]

Другие соединения включают

  • Хлориды : TbCl 3
  • Бромидов : TbBr 3
  • Йодиды : ЧМТ 3
  • Фториды : TbF 3 , TbF 4

Фторид тербия (IV) является сильным фторирующим агентом, выделяющим относительно чистый атомарный фтор при нагревании [19], а не смесь паров фторидов, выделяемых CoF 3 или CeF 4 .

Изотопы [ править ]

Встречающийся в природе тербий состоит из его единственного стабильного изотопа тербия-159; Таким образом, элемент является мононуклидным и моноизотопным . Было охарактеризовано 36 радиоизотопов , самым тяжелым из которых является тербий-171 (с атомной массой 170,95330 (86) u ), а самым легким - тербий-135 (точная масса неизвестна). [20] Самыми стабильными синтетическими радиоизотопами тербия являются тербий-158 с периодом полураспада 180 лет и тербий-157 с периодом полураспада 71 год. Все оставшиеся радиоактивныеизотопы имеют период полураспада, который намного меньше четверти года, и у большинства из них период полураспада составляет менее получаса. [20] Первичный режим распада перед наиболее распространенным стабильным изотопом, 159 Tb, - это захват электронов , который приводит к образованию изотопов гадолиния , а первичный режим после распада - бета-минус распад , приводящий к изотопам диспрозия . [20]

Элемент также имеет 27 ядерных изомеров с массами 141–154, 156 и 158 (не каждое массовое число соответствует только одному изомеру). Наиболее стабильными из них являются тербий-156m с периодом полураспада 24,4 часа и тербий-156m2 с периодом полураспада 22,7 часа; это больше, чем период полураспада большинства основных состояний радиоактивных изотопов тербия, за исключением тех, которые имеют массовые числа 155–161. [20]

История [ править ]

Шведский химик Карл Густав Мосандер открыл тербий в 1843 году. Он обнаружил его как примесь в оксиде иттрия , Y 2 O 3 . Иттрий назван в честь деревни Иттерби в Швеции . Тербий не был изолирован в чистом виде до появления методов ионного обмена . [21] [22] [23] : 701 [24] [21] [25] [26]

Мосандер первым разделил иттрию на три фракции, названные в честь руды: иттрия, эрбия и тербия. "Terbia" изначально была фракцией, которая имела розовый цвет из-за элемента, теперь известного как эрбий . «Эрбия» (содержащий то, что сейчас известно как тербий) первоначально была фракцией, которая была практически бесцветной в растворе. Было отмечено, что нерастворимый оксид этого элемента имеет коричневый оттенок.

Более поздние работники столкнулись с трудностями при наблюдении незначительной бесцветной «эрбии», но растворимую розовую фракцию было невозможно пропустить. Споры о существовании эрбии ходили постоянно. В суматохе первоначальные названия поменялись местами, и обмен названиями застрял, так что розовая фракция в конечном итоге относилась к раствору, содержащему эрбий (который в растворе имеет розовый цвет). Сейчас считается, что рабочие, использующие двойные сульфаты натрия или калиядля удаления церия из иттрия непреднамеренно тербий тербий превратился в содержащий церий осадок. То, что сейчас известно как тербий, составляло всего около 1% от исходного содержания иттрия, но этого было достаточно, чтобы придать оксиду иттрия желтоватый цвет. Таким образом, тербий был второстепенным компонентом в исходной фракции, содержащей его, где преобладали его ближайшие соседи, гадолиний и диспрозий .

После этого, всякий раз, когда другие редкоземельные элементы выделяли отдельно от этой смеси, какая бы фракция ни давала коричневый оксид, сохраняла название тербия, пока, наконец, коричневый оксид тербия не был получен в чистой форме. Исследователи 19 века не имели возможности использовать технологию УФ-флуоресценции для наблюдения ярко-желтой или зеленой флуоресценции Tb (III), которая облегчила бы идентификацию тербия в твердых смесях или растворах. [22]

Происшествие [ править ]

Ксенотайм

Тербий вместе с другими редкоземельными элементами содержится во многих минералах, включая монацит ((Ce, La, Th, Nd, Y) PO 4 с содержанием тербия до 0,03%), ксенотим (YPO 4 ) и эвксенит ((Y, Ca, Er, La, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 с 1% или более тербия). Содержание тербия в корке оценивается в 1,2 мг / кг. [17] Минерал с преобладанием тербия еще не обнаружен. [27]

В настоящее время самые богатые коммерческие источники тербия являются ионно-адсорбционного глины на юге Китая ; концентраты, содержащие примерно две трети оксида иттрия по массе, содержат примерно 1% тербия. Небольшие количества тербия встречаются в бастнезите и монаците; когда они обрабатываются путем экстракции растворителем для извлечения ценных тяжелых лантаноидов как самарий - европия - гадолиния концентрат, тербия выделяют в нем. Из-за больших объемов перерабатываемого бастнезита по сравнению с ионно-адсорбционными глинами, значительная часть мировых поставок тербия приходится на бастнезит. [4]

В 2018 году, богатый запас тербия был обнаружен у берегов Японии «s Minamitori острова , с заявленная питания является„достаточно для удовлетворения мирового спроса на 420 лет“. [28]

Производство [ править ]

Измельченные тербийсодержащие минералы обрабатывают горячей концентрированной серной кислотой для получения водорастворимых сульфатов редкоземельных элементов. Кислые фильтраты частично нейтрализуют едким натром до pH 3–4. Торий выпадает из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалатом аммония, чтобы преобразовать редкоземельные элементы в их нерастворимые оксалаты . Оксалаты разлагаются до оксидов при нагревании. Оксиды растворяются в азотной кислоте, что исключает один из основных компонентов, церий, оксид которого нерастворим в HNO 3 . Тербий разделяется в виде двойной соли с нитратом аммония.путем кристаллизации. [17]

Наиболее эффективным способом отделения соли тербия от раствора соли редкоземельного элемента является ионный обмен . В этом процессе ионы редкоземельных элементов сорбируются на подходящей ионообменной смоле путем обмена с ионами водорода, аммония или двухвалентной меди, присутствующими в смоле. Затем ионы редкоземельных элементов выборочно вымываются подходящими комплексообразователями. Как и другие редкоземельные элементы, металлический тербий получают путем восстановления безводного хлорида или фторида металлическим кальцием. Примеси кальция и тантала можно удалить путем вакуумного переплава, дистилляции, образования амальгамы или зонной плавки . [17]

Приложения [ править ]

Тербий используется в качестве присадки во фториде кальция, вольфрамате кальция и молибдате стронция , материалах, которые используются в твердотельных устройствах, а также в качестве стабилизатора кристаллов топливных элементов, работающих при повышенных температурах, вместе с ZrO 2 . [4]

Тербий также используется в сплавах и в производстве электронных устройств. В качестве компонента Терфенола-D тербий используется в исполнительных механизмах , в морских гидроакустических системах, датчиках , в устройстве SoundBug (его первое коммерческое применение) и других магнитомеханических устройствах. Терфенол-Д представляет собой сплав тербия, который расширяется или сжимается в присутствии магнитного поля. У него самая высокая магнитострикция среди всех сплавов . [29]

Оксид тербия используется в зеленом люминофоре в люминесцентных лампах и цветных телевизионных трубках. Борат тербия натрия используется в твердотельных устройствах. Яркая флуоресценция позволяет использовать тербий в качестве зонда в биохимии, где он чем-то напоминает кальций по своим свойствам. Тербиевый «зеленый» люминофор (который флуоресцирует ярко-лимонно-желтым) в сочетании с двухвалентным европиевым синим люминофором и трехвалентным европиевым красным люминофором обеспечивает технологию трехцветного освещения, которая на сегодняшний день является крупнейшим потребителем в мире тербия. Трехцветное освещение обеспечивает гораздо более высокую светоотдачу при заданном количестве электроэнергии, чемлампы накаливания . [4]

Тербий также используется для обнаружения эндоспор , поскольку он действует как анализ дипиколиновой кислоты на основе фотолюминесценции . [30]

Меры предосторожности [ править ]

Как и другие лантаноиды , соединения тербия обладают токсичностью от низкой до умеренной, хотя их токсичность подробно не исследовалась. Биологическая роль тербия неизвестна. [4]

См. Также [ править ]

  • Список элементов, испытывающих нехватку

Ссылки [ править ]

  1. ^ Meija, Juris; и другие. (2016). «Атомный вес элементов 2013 (Технический отчет IUPAC)» . Чистая и прикладная химия . 88 (3): 265–91. DOI : 10,1515 / пак-2015-0305 .
  2. ^ Иттрий и все лантаноиды, кроме Ce и Pm, наблюдались в степени окисления 0 в комплексах бис (1,3,5-три-трет-бутилбензола), см. Cloke, F. Geoffrey N. (1993). «Соединения в состоянии нулевого окисления скандия, иттрия и лантаноидов». Chem. Soc. Ред . 22 : 17–24. DOI : 10.1039 / CS9932200017 .и Arnold, Polly L .; Петрухина, Марина А .; Боченков, Владимир Е .; Шабатина, Татьяна И .; Загорский, Вячеслав В .; Cloke (15 декабря 2003 г.). «Комплексообразование арена атомов Sm, Eu, Tm и Yb: спектроскопическое исследование при переменной температуре». Журнал металлоорганической химии . 688 (1–2): 49–55. DOI : 10.1016 / j.jorganchem.2003.08.028 .
  3. ^ Weast, Роберт (1984). CRC, Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: Издательство компании Chemical Rubber Company. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
  4. ^ Б с д е е г Hammond, CR (2005). "Элементы". In Lide, DR (ред.). CRC Справочник по химии и физике (86-е изд.). Бока-Ратон (Флорида): CRC Press. ISBN 978-0-8493-0486-6.
  5. ^ «Испытание на длительное воздействие на воздух из редкоземельных металлов» . Проверено 5 мая 2009 .
  6. ^ Шимада, Т .; Оно, Й .; Окадзаки, Т .; и другие. (2004). «Транспортные свойства фуллеренов C 78 , C 90 и Dy @ C 82 - нанопиподов полевыми транзисторами». Physica E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 21 (2–4): 1089–1092. Bibcode : 2004PhyE ... 21.1089S . DOI : 10.1016 / j.physe.2003.11.197 .
  7. ^ Джексон, М. (2000). «Магнетизм редкой земли» (PDF) . IRM Ежеквартально . 10 (3): 1.
  8. ^ а б «Химические реакции тербия» . Веб-элементы . Проверено 6 июня 2009 .
  9. ^ Gruen, DM; Келер, WC; Кац, Дж. Дж. (Апрель 1951 г.). «Высшие оксиды элементов лантаноидов: диоксид тербия». Журнал Американского химического общества . 73 (4): 1475–1479. DOI : 10.1021 / ja01148a020 .
  10. ^ Хобарт, DE; Samhoun, K .; Янг, JP; Norvell, VE; Мамантов, Г .; Петерсон, младший (1980). «Стабилизация празеодима (IV) и тербия (IV) в водном растворе карбоната». Письма по неорганической и ядерной химии . 16 (5): 321–328. DOI : 10.1016 / 0020-1650 (80) 80069-9 .
  11. ^ Дженкинс, TF; Woen, D. H; Mohanam, LN; Циллер, JW; Furche, F .; Эванс, WJ (2018). «Тетраметилциклопентадиенильные лиганды позволяют изолировать ионы Ln (II) через ряд лантанидов в комплексах [K (2.2.2-криптанд)] [(C5Me4H) 3Ln]». Металлоорганические соединения . 141 (21): 3863–3873. DOI : 10.1021 / acs.organomet.8b00557 .
  12. ^ Макдональд, MR; Бейтс, JE; Циллер, JW; Furche, F .; Эванс, WJ (2013). «Завершение серии +2 ионов для элементов лантаноидов: синтез молекулярных комплексов Pr2 +, Gd2 +, Tb2 + и Lu2 +». Журнал Американского химического общества . 135 (21): 9857–9868. DOI : 10.1021 / ja403753j . PMID 23697603 . 
  13. ^ Гулд, Калифорния; Макклейн, КР; Yu, JM; Groshens, TJ; Furche, FP; Harvey, BG; Лонг, младший (21.08.2019). «Синтез и магнетизм нейтральных, линейных металлоценовых комплексов тербия (II) и диспрозия (II)». Журнал Американского химического общества . 141 (33): 12967–12973. DOI : 10.1021 / jacs.9b05816 . ISSN 0002-7863 . PMID 31375028 .  
  14. ^ Паламбо, Коннектикут; Живкович, И .; Scopelliti, R .; Маццанти, М. (2019). «Молекулярный комплекс Tb в состоянии окисления +4» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 141 (25): 9827–9831. DOI : 10.1021 / jacs.9b05337 . PMID 31194529 .  
  15. ^ Райс, NT; Попов ИА; Руссо, Д.Р .; Bacsa, J .; Батиста, ER; Ян, П .; Telser, J .; Ла Пьер, HS (21.08.2019). «Дизайн, выделение и спектроскопический анализ комплекса четырехвалентного тербия». Журнал Американского химического общества . 141 (33): 13222–13233. DOI : 10.1021 / jacs.9b06622 . ISSN 0002-7863 . PMID 31352780 .  
  16. ^ Willauer, AR; Паламбо, Коннектикут; Scopelliti, R .; Живкович, И .; Douair, I .; Maron, L .; Маццанти, М. (2020). «Стабилизация состояния окисления + IV в соединениях тербия на силоксидных носителях». Angewandte Chemie International Edition . 59 (9): 3549–3553. DOI : 10.1002 / anie.201914733 . PMID 31840371 . 
  17. ^ a b c d Патнаик, Прадёт (2003). Справочник неорганических химических соединений . Макгроу-Хилл. С. 920–921. ISBN 978-0-07-049439-8. Проверено 6 июня 2009 .
  18. ^ Хлопок (2007). Высшая неорганическая химия (6-е изд.). Wiley-India. п. 1128. ISBN 978-81-265-1338-3.
  19. ^ Рау, СП; Чилингаров, Н.С.; Лескив, М.С. Суховерхов, В.Ф .; Росси Альбертини, В .; Сидоров, Л.Н. (2001). «Фториды переходных и редкоземельных металлов как тепловые источники атомарного и молекулярного фтора». DOI : 10.1002 / anie.201914733 . PMID 31840371 .  Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  20. ^ a b c d Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  21. ^ a b Маршалл, Джеймс Л .; Маршалл, Вирджиния Р. (31 октября 2014 г.). «Северная Скандинавия: сокровищница стихий». История науки: путеводитель . 1179 . Серия симпозиумов ACS. С. 209–257. DOI : 10.1021 / Б.К.-2014-1179.ch011 . ISBN 9780841230200.
  22. ^ а б Гупта, СК; Кришнамурти, Нагайяр (2004). Добывающая металлургия редкоземельных элементов . CRC Press. п. 5. ISBN 978-0-415-33340-5.
  23. ^ Недели, Мэри Эльвира (1956). Открытие элементов (6-е изд.). Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования.
  24. ^ Недели, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов: XVI. Редкоземельные элементы». Журнал химического образования . 9 (10): 1751–1773. Bibcode : 1932JChEd ... 9.1751W . DOI : 10.1021 / ed009p1751 .
  25. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - начало» (PDF) . Шестиугольник : 41–45 . Проверено 30 декабря 2019 .
  26. ^ Маршалл, Джеймс Л. Маршалл; Маршалл, Вирджиния Р. Маршалл (2015). «Повторное открытие элементов: редкие земли - запутанные годы» (PDF) . Шестиугольник : 72–77 . Проверено 30 декабря 2019 .
  27. ^ Институт минералогии Хадсона (1993–2018). "Mindat.org" . www.mindat.org . Проверено 14 января 2018 года .
  28. ^ Инсайдер, Джереми Берке, Бизнес. «В этом году Япония обнаружила залежи редкоземельных минералов, которые могут обеспечить мир на века» . ScienceAlert .
  29. ^ Родригес, C; Родригес, М .; Orue, I .; Vilas, J .; Barandiaran, J .; Gubieda, M .; Леон, Л. (2009). «Новые магнитострикционные композиты эластомер – Терфенол-Д». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 149 (2): 251. DOI : 10.1016 / j.sna.2008.11.026 .
  30. ^ Розен, DL; Шарплесс, К .; МакГаун, LB (1997). «Обнаружение и определение спор бактерий с помощью фотолюминесценции дипиколината тербия». Аналитическая химия . 69 (6): 1082–1085. DOI : 10.1021 / ac960939w .

Внешние ссылки [ править ]

  • WebElements.com - Тербиум
  • Это элементаль - Тербий