Terb - Terbium
Terb | |||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Wymowa |
/ T ɜːr b ı ə m / ( TUR -bee-əm ) |
||||||||||||||||||||||
Wygląd zewnętrzny | srebrzystobiały | ||||||||||||||||||||||
Średnia masa atomowa R STD (TB) | 158,925 354 (8) | ||||||||||||||||||||||
Terb w układzie okresowym | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
Liczba atomowa ( Z ) | 65 | ||||||||||||||||||||||
Grupa | grupa nie dotyczy | ||||||||||||||||||||||
Okres | okres 6 | ||||||||||||||||||||||
Blok | f-blok | ||||||||||||||||||||||
Konfiguracja elektronów | [ Xe ] 4f 9 6s 2 | ||||||||||||||||||||||
Elektrony na powłokę | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||
Właściwości fizyczne | |||||||||||||||||||||||
Faza w STP | solidny | ||||||||||||||||||||||
Temperatura topnienia | 1629 K (1356 °C, 2473 °F) | ||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia | 3396 K (3123 ° C, 5653 ° F) | ||||||||||||||||||||||
Gęstość (w pobliżu rt ) | 8,23 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
w stanie ciekłym (przy mp ) | 7,65 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
Ciepło stapiania | 10,15 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
Ciepło parowania | 391 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
Molowa pojemność cieplna | 28,91 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| |||||||||||||||||||||||
Właściwości atomowe | |||||||||||||||||||||||
Stany utleniania | 0, +1, +2, +3 , +4 (słabo zasadowy tlenek) | ||||||||||||||||||||||
Elektroujemność | Skala Paulinga: 1,2 (?) | ||||||||||||||||||||||
Energie jonizacji | |||||||||||||||||||||||
Promień atomowy | empiryczny: 177 pm | ||||||||||||||||||||||
Promień kowalencyjny | 194±5 po południu | ||||||||||||||||||||||
Linie widmowe terbu | |||||||||||||||||||||||
Inne właściwości | |||||||||||||||||||||||
Naturalne występowanie | pierwotny | ||||||||||||||||||||||
Struktura krystaliczna | sześciokątny gęstego upakowania (HCP) | ||||||||||||||||||||||
Prędkość dźwięku cienki pręt | 2620 m/s (przy 20 °C) | ||||||||||||||||||||||
Rozszerzalność termiczna | w temperaturze pokojowej α, poli: 10,3 µm/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Przewodność cieplna | 11,1 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Rezystancja | α, poli: 1.150 µΩ⋅m (w temperaturze pokojowej ) | ||||||||||||||||||||||
Zamawianie magnetyczne | paramagnetyczny przy 300 K | ||||||||||||||||||||||
Molowa podatność magnetyczna | +146 000 × 10 -6 cm 3 /mol (273 K) | ||||||||||||||||||||||
Moduł Younga | Forma α: 55,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
Moduł ścinania | Forma α: 22,1 GPa | ||||||||||||||||||||||
Moduł objętościowy | Forma α: 38,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
Współczynnik Poissona | Forma α: 0,261 | ||||||||||||||||||||||
Twardość Vickersa | 450–865 MPa | ||||||||||||||||||||||
Twardość Brinella | 675–1200 MPa | ||||||||||||||||||||||
Numer CAS | 7440-27-9 | ||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||
Nazewnictwo | po Ytterby (Szwecja), gdzie był wydobywany | ||||||||||||||||||||||
Odkrycie i pierwsza izolacja | Carl Gustaw Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||
Główne izotopy terbu | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
Terb to pierwiastek chemiczny o symbolu Tb i liczbie atomowej 65. Jest to srebrzystobiały metal ziem rzadkich, który jest plastyczny , plastyczny i wystarczająco miękki, aby można go było ciąć nożem. Dziewiąty członek serii lantanowców , terb, jest dość elektrododatnim metalem, który reaguje z wodą, wydzielając gazowy wodór . Terb nigdy nie występuje w przyrodzie jako wolny pierwiastek, ale jest zawarty w wielu minerałach , w tym w cerycie , gadolinicie , monazycie , ksenotymu i euksenicie .
Szwedzki chemik Carl Gustaf Mosander odkrył terb jako pierwiastek chemiczny w 1843 roku. Wykrył go jako zanieczyszczenie w tlenku itru , Y
2O
3. Itr i terb, a także erb i iterb noszą nazwy miejscowości Ytterby w Szwecji. Terb nie był izolowany w czystej postaci aż do pojawienia się technik wymiany jonowej .
Terb jest używany do domieszkowania fluorku wapnia, wolframianu wapnia i molibdenianu strontu , materiałów stosowanych w urządzeniach półprzewodnikowych oraz jako stabilizator kryształów ogniw paliwowych pracujących w podwyższonych temperaturach. Jako składnik Terfenolu-D (stopu, który rozszerza się i kurczy pod wpływem pola magnetycznego bardziej niż jakikolwiek inny stop), terb znajduje zastosowanie w siłownikach , systemach sonarowych okrętów i czujnikach .
Większość światowych zasobów terbu jest wykorzystywana w zielonych luminoforach. Tlenek terbu znajduje się w lampach fluorescencyjnych oraz telewizorach i monitorach kineskopowych (CRT). Zielone luminofory terbowe są połączone z dwuwartościowymi luminoforami z niebieskim europem i trójwartościowymi luminoforami z czerwienią europu, aby zapewnić trójchromatyczną technologię oświetlenia, wysokowydajne białe światło stosowane do standardowego oświetlenia w pomieszczeniach.
Charakterystyka
Właściwości fizyczne
Terb to srebrzystobiały metal ziem rzadkich, który jest plastyczny , plastyczny i wystarczająco miękki, aby można go było ciąć nożem. Jest stosunkowo stabilny w powietrzu w porównaniu z wcześniejszymi, bardziej reaktywnymi lantanowcami z pierwszej połowy serii lantanowców. Terb występuje w dwóch krystalicznych allotropes o temperaturze transformacji 1289 ° C między sobą. 65 elektronów atomu terbu jest ułożonych w konfiguracji elektronowej [Xe]4f 9 6s 2 ; normalnie tylko trzy elektrony mogą zostać usunięte, zanim ładunek jądrowy stanie się zbyt duży, aby umożliwić dalszą jonizację, ale w przypadku terbu stabilność w połowie wypełnionej konfiguracji [Xe]4f 7 umożliwia dalszą jonizację czwartego elektronu w obecności bardzo silnych środków utleniających, takich jak gazowy fluor .
Kation terbu(III) jest znakomicie fluorescencyjny , w jasnym cytrynowo-żółtym kolorze, który jest wynikiem silnej zielonej linii emisyjnej w połączeniu z innymi liniami w kolorze pomarańczowym i czerwonym. Yttrofluorite odmiany minerału fluorytu zawdzięcza kremowo-żółtej fluorescencji w części do Tb. Terb łatwo się utlenia i dlatego jest używany w postaci pierwiastkowej specjalnie do badań. Pojedyncze atomy terbu zostały wyizolowane poprzez wszczepienie ich do cząsteczek fulerenów .
Terb ma proste uporządkowanie ferromagnetyczne w temperaturach poniżej 219 K. Powyżej 219 K zamienia się w spiralny stan antyferromagnetyczny, w którym wszystkie momenty atomowe w określonej warstwie podstawowej są równoległe i zorientowane pod stałym kątem do momentów sąsiednich warstwy. Ten niezwykły antyferromagnetyzm przechodzi w nieuporządkowany stan paramagnetyczny w temperaturze 230 K.
Właściwości chemiczne
Metal terb jest pierwiastkiem elektrododatnim i utlenia się w obecności większości kwasów (takich jak kwas siarkowy), wszystkich halogenów, a nawet wody.
- 2 Tb (s) + 3 H
2WIĘC
4→ 2 Tb 3+ + 3 SO2-
4 + 3 godz
2↑ - 2 Tb (s) + 6 H
2O → 2 Tb(OH)
3 + 3 godz
2↑
Terb również łatwo utlenia się w powietrzu, tworząc mieszany tlenek terbu (III, IV) :
- 8 łyżek + 7 gramów
2 → 2 Tb
4O
7
Najczęstszy stopień utlenienia terbu to +3 (trójwartościowy), taki jak TbCl
3. W stanie stałym znany jest również czterowartościowy terb, w związkach takich jak TbO
2i TbF
4. W roztworze terb typowo tworzy związki trójwartościowe, ale może być utleniony do stanu czterowartościowego za pomocą ozonu w silnie zasadowych warunkach wodnych.
Chemia koordynacyjna i metaloorganiczna terbu jest podobna do innych lantanowców. W warunkach wodnych terb może być koordynowany przez dziewięć cząsteczek wody , które są ułożone w trygonalnej, pryzmatycznej geometrii molekularnej . Znane są również kompleksy terbu o niższej liczbie koordynacyjnej, zwykle z masywnymi ligandami, takimi jak bis(trimetylo-sililoamid) , który tworzy trójkoordynacyjny Tb[N(SiMe
3)
2]
3 złożony.
Większość kompleksów koordynacyjnych i metaloorganicznych zawiera terb na trójwartościowym stopniu utlenienia. Znane są również dwuwartościowe kompleksy (Tb2 + ), zwykle z obszernymi ligandami typu cyklopentadienylowego. Znanych jest również kilka związków koordynacyjnych zawierających terb w stanie czterowartościowym.
Związki
Terb łączy się z azotem, węglem, siarką, fosforem, borem, selenem, krzemem i arsenem w podwyższonych temperaturach, tworząc różne związki dwuskładnikowe, takie jak TbH
2, TbH
3, TbB
2, Tb
2S
3, TbSe , TbTe i TbN . W tych związkach Tb najczęściej wykazuje stany utlenienia +3, a czasem +2. Halogenki terbu(II) otrzymuje się przez wyżarzanie halogenków Tb(III) w obecności metalicznej Tb w pojemnikach tantalowych. Terb tworzy również seskwichlorek Tb
2Cl
3, który można dalej zredukować do TbCl przez wyżarzanie w temperaturze 800 °C. Ten chlorek terbu(I) tworzy płytki o warstwowej strukturze grafitowej.
Inne związki obejmują
Fluorek terbu(IV) jest silnym środkiem fluorującym, emitującym stosunkowo czysty fluor atomowy po podgrzaniu, a nie mieszaninę par fluorków emitowanych z CoF
3lub CeF
4.
Izotopy
Naturalnie występujący terb składa się z jedynego stabilnego izotopu , terbu-159; pierwiastek jest zatem mononuklidowy i monoizotopowy . Scharakteryzowano trzydzieści sześć radioizotopów , z których najcięższym jest terb-171 (o masie atomowej 170,95330(86) u ), a najlżejszym terb-135 (dokładna masa nieznana). Najbardziej stabilne syntetyczne radioizotopy terbu to terb-158 z okresem półtrwania 180 lat i terb-157 z okresem półtrwania 71 lat. Wszystkie pozostałe izotopy promieniotwórcze mają okres półtrwania znacznie krótszy niż ćwierć roku, a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż pół minuty. Pierwotnym trybem rozpadu przed najbardziej rozpowszechnionym stabilnym izotopem 159 Tb jest wychwyt elektronów , co skutkuje wytworzeniem izotopów gadolinu , a trybem pierwotnym po nim jest rozpad beta minus , w wyniku czego powstają izotopy dysprozu .
Pierwiastek ma również 27 izomerów jądrowych o masach 141–154, 156 i 158 (nie każda liczba masowa odpowiada tylko jednemu izomerowi). Najbardziej stabilne z nich to terb-156m z okresem półtrwania 24,4 godziny i terb-156m2 z okresem półtrwania 22,7 godziny; jest to dłuższe niż okresy półtrwania większości stanów podstawowych radioaktywnych izotopów terbu, z wyjątkiem tych o liczbach masowych 155-161.
Historia
Szwedzki chemik Carl Gustaf Mosander odkrył terb w 1843 roku. Wykrył go jako zanieczyszczenie w tlenku itru , Y
2O
3. Nazwa itru pochodzi od miejscowości Ytterby w Szwecji . Terb nie był izolowany w czystej postaci aż do pojawienia się technik wymiany jonowej .
Mosander najpierw podzielił ittrię na trzy frakcje, wszystkie nazwane od rudy: itria, erbia i terbia. "Terbia" była pierwotnie frakcją, która zawierała kolor różowy, ze względu na pierwiastek znany obecnie jako erb . „Erbia” (zawierająca to, co jest obecnie znane jako terb) pierwotnie była frakcją, która była zasadniczo bezbarwna w roztworze. Stwierdzono, że nierozpuszczalny tlenek tego pierwiastka jest zabarwiony na brązowo.
Później robotnicy mieli trudności z obserwowaniem drobnej bezbarwnej „erbii”, ale rozpuszczalna różowa frakcja była nie do przeoczenia. Argumenty krążyły w kółko co do tego, czy erbia w ogóle istniała. W zamieszaniu oryginalne nazwy uległy odwróceniu, a wymiana nazw utknęła, tak że różowa frakcja odnosiła się ostatecznie do roztworu zawierającego erb (który w roztworze jest różowy). Obecnie uważa się, że pracownicy stosujący podwójne siarczany sodu lub potasu do usuwania ceru z itru przypadkowo utracili terb do osadu zawierającego cer. To, co jest obecnie znane jako terb, stanowiło tylko około 1% pierwotnego itru, ale to wystarczyło do nadania tlenku itru żółtawego koloru. Tak więc terb stanowił niewielki składnik w pierwotnej frakcji go zawierającej, gdzie dominował jego bezpośredni sąsiedzi, gadolin i dysproz .
Odtąd, ilekroć inne pierwiastki ziem rzadkich zostały oddzielone od tej mieszaniny, którakolwiek frakcja, która dała brązowy tlenek, zachowała nazwę terbu, aż w końcu brązowy tlenek terbu otrzymano w czystej postaci. Badacze z XIX wieku nie mieli korzyści z technologii fluorescencji UV, aby zaobserwować jaskrawą żółtą lub zieloną fluorescencję Tb(III), która ułatwiłaby identyfikację terbu w stałych mieszaninach lub roztworach.
Występowanie
Terb jest zawarty wraz z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w wielu minerałach, w tym w monacycie ( (Ce,La,Th,Nd,Y)PO
4do 0,03% terbu), ksenotime ( YPO
4) i euksenitu ( (Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)
2O
6z 1% lub więcej terbu). Obfitość terbu w skorupie szacuje się na 1,2 mg/kg. Nie znaleziono dotychczas minerału z przewagą terbu.
Obecnie najbogatszymi komercyjnymi źródłami terbu są glinki adsorpcyjne jonów w południowych Chinach ; koncentraty zawierające około dwie trzecie wagowo tlenku itru zawierają około 1% terbii. Niewielkie ilości terbu występują w bastnazycie i monazycie ; gdy są one przetwarzane przez ekstrakcję rozpuszczalnikową w celu odzyskania cennych ciężkich lantanowców w postaci koncentratu samaru - europu - gadolinu , odzyskuje się w nich terb. Ze względu na duże ilości przetworzonego bastnazytu w porównaniu z glinkami adsorpcyjnymi jonów, znaczna część światowych dostaw terbu pochodzi z bastnazytu.
W 2018 roku, bogata podaż terb odkryto u wybrzeży Japonii „s Minamitori wyspie , z podaną dostawa jest«na tyle, aby zaspokoić światowe zapotrzebowanie na 420 lat».
Produkcja
Pokruszone minerały zawierające terb traktuje się gorącym stężonym kwasem siarkowym w celu wytworzenia rozpuszczalnych w wodzie siarczanów ziem rzadkich. Filtraty kwaśne są częściowo neutralizowane sodą kaustyczną do pH 3–4. Tor wytrąca się z roztworu w postaci wodorotlenku i jest usuwany. Następnie roztwór traktuje się szczawianem amonu w celu przekształcenia pierwiastków ziem rzadkich w ich nierozpuszczalne szczawiany . Szczawiany rozkładają się na tlenki przez ogrzewanie. Tlenki rozpuszczają się w kwasie azotowym, co wyklucza jeden z głównych składników, cer, którego tlenek jest nierozpuszczalny w HNO
3. Terb jest oddzielany jako sól podwójna z azotanem amonu przez krystalizację.
Najbardziej wydajną procedurą oddzielania soli terbu z roztworu soli ziem rzadkich jest wymiana jonowa . W tym procesie jony metali ziem rzadkich są sorbowane na odpowiedniej żywicy jonowymiennej przez wymianę z jonami wodorowymi, amonowymi lub miedziowymi obecnymi w żywicy. Jony ziem rzadkich są następnie selektywnie wypłukiwane przez odpowiednie środki kompleksujące. Podobnie jak w przypadku innych metali ziem rzadkich, metaliczny terb jest wytwarzany przez redukcję bezwodnego chlorku lub fluorku metalicznym wapniem. Zanieczyszczenia wapniowe i tantalowe można usunąć przez przetapianie próżniowe, destylację, tworzenie amalgamatu lub topienie strefowe .
Aplikacje
Terb jest stosowany jako domieszka do fluorku wapnia, wolframianu wapnia i molibdenianu strontu , materiałów stosowanych w urządzeniach półprzewodnikowych oraz jako stabilizator kryształów ogniw paliwowych pracujących w podwyższonych temperaturach wraz z ZrO
2.
Terb jest również stosowany w stopach oraz w produkcji urządzeń elektronicznych. Jako składnik Terfenolu-D terb jest wykorzystywany w siłownikach , w morskich systemach sonarowych , czujnikach , w urządzeniu SoundBug (jego pierwsze komercyjne zastosowanie) i innych urządzeniach magnetomechanicznych. Terfenol-D to stop terbu, który rozszerza się lub kurczy w obecności pola magnetycznego. Posiada najwyższą magnetostrykcję spośród wszystkich stopów .
Tlenek terbu jest stosowany w zielonych luminoforach w świetlówkach i kolorowych lampach telewizyjnych. Sód terb boran stosuje się półprzewodnikową urządzeń. Świetna fluorescencja pozwala na użycie terbu jako sondy w biochemii, gdzie w swoim zachowaniu przypomina nieco wapń . „Zielone” luminofory terbowe (które fluoryzują jaskrawo-cytrynowo-żółty) są połączone z dwuwartościowymi luminoforami z niebieskim europem i trójwartościowymi luminoforami z czerwienią europu, aby zapewnić trójchromatyczną technologię oświetlenia, która jest zdecydowanie największym konsumentem światowych zasobów terbu. Oświetlenie trójchromatyczne zapewnia znacznie wyższą moc świetlną przy danej ilości energii elektrycznej niż oświetlenie żarowe .
Terb jest również używany do wykrywania przetrwalników , ponieważ działa jako oznaczenie kwasu dipikolinowego oparte na fotoluminescencji .
Środki ostrożności
Podobnie jak w przypadku innych lantanowców , związki terbu mają niską lub umiarkowaną toksyczność, chociaż ich toksyczność nie została szczegółowo zbadana. Terb nie ma znanej roli biologicznej.