Тербий

Тербий — химический элемент, относящийся к группе лантаноидов.

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 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 села Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг.

Нахождение в природе

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

Месторождения

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

Получение

Выделяют тербий из смеси редкоземельных элементов методами ионной хроматографии или 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 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 сплавов

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 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. 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.

Катализаторы

Оксид тербия применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления.

Электроника

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

Производство компьютеров

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

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.