Тербий

Те́рбий (химический символTb, 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.

Тербий
← Гадолиний | Диспрозий →
65 Tb

Bk
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
65Tb
Hexagonal.svg
Electron shell 065 Terbium.svg
Внешний вид простого вещества
Мягкий, вязкий металл серебристо-белого цвета
Terbium-2.jpg
Образец тербия
Свойства атома
Название, символ, номер Те́рбий / Terbium (Tb), 65
Группа, период, блок 3 (устар. 3), 6,
f-элемент
Атомная масса
(молярная масса)
158,92535(2)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe] 6s24f9
Радиус атома 180 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 159 пм
Радиус иона (+4e) 84 (+3e) 92,3 пм
Электроотрицательность 1,2 (шкала Полинга)
Электродный потенциал Tb←Tb3+ −2,31 В
Степени окисления +1, +3, +4
Энергия ионизации
(первый электрон)
569,0 (5,90) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 8,229 г/см³
Температура плавления 1 629 K
Температура кипения 3 296 K
Уд. теплота испарения 389 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 29[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 19,2 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки Гексагональная
Параметры решётки a=3,600 c=5,694 Å
Отношение c/a 1,582
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 11,1 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-27-9
65
Тербий
158,9254
4f96s2

Относится к семейству «Лантаноиды».

Простое вещество тербий — это мягкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета.

ИсторияПравить

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 начале XX века первым получил французский химик Жорж Урбэн, использовавший технологию ионного обмена[3].

Происхождение названияПравить

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

Нахождение в природеПравить

Кларк тербия в земной коре (по Тэйлору) — 4,3 г/т.

МесторожденияПравить

Тербий никогда не встречается в природе в виде свободного элемента, однако он содержится во многих минералах, например в гадолините, ксенотиме, церите, монаците и так далее.

Тербий входит в состав семейства «Лантаноиды», которые часто встречаются в Китае, США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии[4]. Значительны запасы в глубоководном месторождении редкоземельных минералов у тихоокеанского острова Минамитори в исключительной экономической зоне Японии[5].

Физические свойстваПравить

Полная электронная конфигурация атома тербия: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f9

Тербий — это пластичный, мягкий (тербий настолько мягок, что его можно резать ножом) редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Не радиоактивен. Является парамагнетиком.


ИзотопыПравить

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

ПолучениеПравить

Выделяют тербий из смеси редкоземельных элементов методами ионной хроматографии или экстракции.

ЦеныПравить

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].

ПрименениеПравить

Тербий — весьма необычный металл из ряда лантаноидов и обладает значительным спектром уникальных физических характеристик, впрочем, как и ряд его сплавов и соединений. Тербий — моноизотопный элемент (стабилен только тербий-159).

Гигантский магнитострикционный эффект. Производство магнитострикционных сплавовПравить

Сплав тербий-железо — лучший 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 интерес представляет титанат тербия и, в частности, его монокристалл.

Магнитные материалыПравить

Монокристаллический сплав тербий-кобальт при температурах, близких к абсолютному нулю, является самым мощным магнитотвёрдым материалом (произведение магнитной энергии (BH)max = 408 кДж3, что более чем в 5—7 раз выше, нежели у сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор).

Термоэлектрические материалыПравить

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 материалыПравить

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.

ЛюминофорыПравить

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 7Fj, 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 эффектПравить

Сплавы тербия с гадолинием имеют характеристики, подходящие для конструирования магнитных холодильников.

КатализаторыПравить

Оксид тербия применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления.

ЭлектроникаПравить

Фторид тербия совместно с фторидами церия и иттрия используется в микроэлектронике в качестве просветляющего покрытия на кремнии.

Производство компьютеровПравить

В последние годы в производстве компьютеров особое значение[прояснить] приобрел феррит тербия.

Биологическая рольПравить

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[12].

ПримечанияПравить

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047-1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. Химическая энциклопедия: в 5-ти тт. / Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 531. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
  3. Gupta C. K. Extractive metallurgy of rare earths / C. K. Gupta, N. Krishnamurthy. — CRC Press, 2005. — P. 504. — ISBN 0-415-33340-7.
  4. Лантаноиды
  5. The tremendous potential of deepsea mud as a source of rare-earth elements
  6. Самсонов Н.Ю., Семягин И.Н. Обзор мирового и российского рынка редкоземельных металлов (рус.).
  7. Динамика цен на РЗМ 2011-2012гг.. tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016.
  8. Обзор рынка РЗМ 2016г.. tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016.
  9. Terbium — Materials Technology & Crystals for Research, Development and Production — архив Архивная копия от 13 ноября 2014 на Wayback Machine.
  10. Поиск — тербий
  11. Полуэктов Н. С., Кононенко Л. И., Ефрюшина Н. П., Бельтюкова С. В. Спектрофотометрические и люминесцентные методы определения лантаноидов. Киев, Наукова думка, 1989.
  12. Hammond C. R. The Elements // 81st. — CRC press.

СсылкиПравить