Те́рбий ( химический символ — Tb, от лат. Terbium ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева с атомным номером 65. Название восходит к селению Иттербю в Швеции .

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

Простое вещество тербий — мягкий металл серебристо-белого цвета .

История

В 1843 году шведский химик К. Г. Мосандер обнаружил примеси в концентрате Y ₂ O ₃ 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 .

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 . Содержание в морской воде порядка 10 ⁻⁷ мг/л .

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.

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 .

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома тербия: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ⁹ . Энергии ионизации при последовательном переходе от Tb ⁰ до Tb ⁵⁺ : 5,85 эВ ; 11,52 эВ; 21,91 эВ; 39,79 эВ; 66,5 эВ. Атомный радиус 177 пм. Ионный радиус Tb ³⁺ составляет 106 пм ( координационное число 6); 112 пм (к.ч. 7); 118 пм (к.ч. 8); 124 пм (к.ч. 9). У иона Tb ⁴⁺ ионные радиусы 90 пм (к.ч. 6), 102 пм (к.ч. 8) .

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 .

Известны три тербия. При нормальных условиях существует α-тербий, образующий кристаллы гексагональной сингонии , пространственная группа P 6 ₃ / mmc , параметры ячейки a = 0,36010 нм , c = 0,56936 нм , Z = 2 , d = 8,272 г/см ³ , решётка типа магния . При температурах выше 1287 °C устойчив β-тербий, образующий кристаллы кубической сингонии , пространственная группа Im 3 m , параметры ячейки a = 0,402 нм , Z = 2 , d = 8,12 г/см ³ , 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 R 3 m , параметры ячейки a = 0,883 нм , α = 23,42° , Z = 3 , решётка типа самария .

Температура плавления 1357 °C , по другим сведениям 1356 °C . Температура кипения 3227 °C , по другим сведениям 3230 °C .

Молярная теплоёмкость C 0
p 29 Дж/(моль·К). Энтальпия плавления Δ H 0
пл 10,8 кДж/моль. Энтальпия испарения Δ H 0
исп 388 кДж/моль. Энтропия S 0
298 73,5 Дж/(моль·К) .

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 .

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 .

Изотопы

Единственным стабильным изотопом тербия является ¹⁵⁹ Tb. Самым долгоживущим радиоактивным изотопом является ¹⁵⁸ Tb 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 Tb ³⁺ устойчив в водных средах, имеет розовую окраску. Ион Tb ⁺ известен только в составе TbCl, гидролизуется. Производные Tb(IV) в водных растворах малоустойчивы, гидратированный Tb ⁴⁺ существуют только в виде гетерополианионов. Твёрдые оксиды и фториды Tb(IV) стабильны .

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 . Цена за один килограмм металлического тербия достигала 4400$ , к 2016 году цена снизилась до 1000$ 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 .

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

Применение

Тербий — весьма необычный ^{[ источник не указан 166 дней ]} металл из ряда лантаноидов и обладает значительным спектром уникальных ^{[ источник не указан 166 дней ]} 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 166 дней ]} 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 166 дней ]} интерес представляет 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 к Дж /м ³ , что более чем в 5—7 раз выше, нежели у сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор ).

Термоэлектрические материалы

Tb ₂ Te ₃ — 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 (Tb ₃ Ga ₅ O ₁₂ , 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

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 5 s - и 5 p -оболочками. Принцип действия таких супрамолекулярных фотофизических устройств (определение Ж. М. Лена) основан на эффекте антенны.

Люминесценция иона Tb ³⁺ обусловлена f-f переходами с возбуждённого уровня ⁵ D ₄ на уровни ⁷ F _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 . Наиболее интенсивная полоса люминесценции вызывается переходом ⁵ D ₄ - ⁷ F ₅ 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 166 дней ]} .

Катализаторы

применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления ^{[ источник не указан 166 дней ]} .

Электроника

совместно с фторидами церия и иттрия используется в микроэлектронике в качестве просветляющего покрытия на кремнии ^{[ источник не указан 166 дней ]} .

Производство компьютеров

В последние годы в производстве компьютеров особое значение ^{[ прояснить ]} приобрёл ^{[ источник не указан 166 дней ]} .

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 .

Примечания

Ссылки