Тербий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Тербий
← Гадолиний | Диспрозий →
65 Tb

Bk
Периодическая система элементовВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесон
Периодическая система элементов
65Tb
Внешний вид простого вещества
Мягкий, вязкий металл серебристо-белого цвета
Образец тербия
Свойства атома
Название, символ, номер Те́рбий / Terbium (Tb), 65
Группа, период, блок 3 (устар. IIIB), 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 1629 К (1356 °С)
Температура кипения 3396 К (3123 °С)
Мол. 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 Å
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

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[2].

Относится к семейству лантаноидов (иттриевая подгруппа)[2]. Как и любой лантаноид, тербий принадлежит к редкоземельным элементам и переходным металлам.

Простое вещество тербий — мягкий металл серебристо-белого цвета[2].

История[править | править код]

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

Происхождение названия[править | править код]

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[править | править код]

Кларк тербия в земной коре — 4,3 г/т[2]. Содержание в морской воде порядка 10−7 мг/л[2].

Месторождения[править | править код]

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.[2]

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[4].

Физические свойства[править | править код]

Полная электронная конфигурация атома тербия: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f9. Энергии ионизации при последовательном переходе от Tb0 до Tb5+: 5,85 эВ; 11,52 эВ; 21,91 эВ; 39,79 эВ; 66,5 эВ. Атомный радиус 177 пм. Ионный радиус Tb3+ составляет 106 пм (координационное число 6); 112 пм (к.ч. 7); 118 пм (к.ч. 8); 124 пм (к.ч. 9). У иона Tb4+ ионные радиусы 90 пм (к.ч. 6), 102 пм (к.ч. 8)[2].

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[2].

Известны три кристаллические модификации тербия. При нормальных условиях существует α-тербий, образующий кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P63/mmc, параметры ячейки a = 0,36010 нм, c = 0,56936 нм, Z = 2, d = 8,272 г/см3, решётка типа магния. При температурах выше 1287 °C устойчив β-тербий, образующий кристаллы кубической сингонии, пространственная группа Im3m, параметры ячейки a = 0,402 нм, Z = 2, d = 8,12 г/см3, 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 R3m, параметры ячейки a = 0,883 нм, α = 23,42°, Z = 3, решётка типа самария[2].

Температура плавления 1357 °C[2], по другим сведениям 1356 °C[5]. Температура кипения 3227 °C[2], по другим сведениям 3230 °C[5].

Молярная теплоёмкость C0
p
29 Дж/(моль·К). Энтальпия плавления ΔH0
пл
10,8 кДж/моль. Энтальпия испарения ΔH0
исп
388 кДж/моль. Энтропия S0
298
73,5 Дж/(моль·К)[2].

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[2].

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[2].

Изотопы[править | править код]

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

Химические свойства[править | править код]

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 Tb3+ устойчив в водных средах, имеет розовую окраску. Ион Tb+ известен только в составе монохлорида TbCl, гидролизуется. Производные Tb(IV) в водных растворах малоустойчивы, гидратированный Tb4+ существуют только в виде гетерополианионов. Твёрдые оксиды и фториды Tb(IV) стабильны[2].

Получение[править | править код]

Выделяют тербий из смеси редкоземельных элементов методами ионообменной хроматографии или жидкостной экстракции.

Цены[править | править код]

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].

Применение[править | править код]

Тербий — весьма необычный[источник не указан 259 дней] металл из ряда лантаноидов и обладает значительным спектром уникальных[источник не указан 259 дней] физических характеристик, впрочем, как и ряд его сплавов и соединений. Тербий — моноизотопный элемент (стабилен только тербий-159).

Гигантский магнитострикционный эффект. Производство магнитострикционных сплавов[править | править код]

Сплав тербий-железо — лучший[источник не указан 259 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 259 дней] интерес представляет титанат тербия и, в частности, его монокристалл.

Магнитные материалы[править | править код]

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 материалы[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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 эффект[править | править код]

Сплавы тербия с гадолинием имеют характеристики, подходящие для конструирования магнитных холодильников[источник не указан 259 дней].

Катализаторы[править | править код]

Оксид тербия применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления[источник не указан 259 дней].

Электроника[править | править код]

Фторид тербия совместно с фторидами церия и иттрия используется в микроэлектронике в качестве просветляющего покрытия на кремнии[источник не указан 259 дней].

Производство компьютеров[править | править код]

В последние годы в производстве компьютеров особое значение[прояснить] приобрёл феррит тербия[источник не указан 259 дней].

Биологическая роль[править | править код]

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[5].

Примечания[править | править код]

  1. Meng Wang, Huang W. J., Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030003-1—030003-512. — doi:10.1088/1674-1137/abddaf.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Мартыненко Л. И., Моисеев С. Д., Киселев Ю. М. Тербий // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Полимерные — Трипсин. — С. 531—532. — 639 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
  3. Gupta C. K., Krishnamurthy N. Extractive metallurgy of rare earths (англ.). — CRC Press, 2005. — P. 5. — 504 p. — ISBN 0-415-33340-7.
  4. Takao Y. et al. The tremendous potential of deep-sea mud as a source of rare-earth elements (англ.) // Scientific Reports. — 2018. — Vol. 8. — P. 5763-1—5763-8. — doi:10.1038/s41598-018-23948-5. Архивировано 23 января 2019 года. Открытый доступ
  5. 1 2 3 Hammond C. R. The Elements: Terbium // Handbook of Chemistry and Physics (англ.). — 81st Ed. — CRC Press, 2004. — P. 4-31. — 2712 p. Архивировано 3 августа 2023 года.
  6. Самсонов Н. Ю., Семягин И. Н. Обзор мирового и российского рынка редкоземельных металлов // Всероссийский экономический журнал ЭКО. — 2014. — № 2 (476). — С. 45—54. Архивировано 2 октября 2016 года.
  7. Динамика цен на РЗМ 2011-2012гг. tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016. Архивировано 2 октября 2016 года.
  8. Обзор рынка РЗМ 2016г. tdm96.ru. Дата обращения: 1 октября 2016. Архивировано 2 октября 2016 года.
  9. Terbium Архивная копия от 5 марта 2016 на Wayback Machine — Materials Technology & Crystals for Research, Development and Production — архив Архивная копия от 13 ноября 2014 на Wayback Machine.
  10. Поиск — тербий. Дата обращения: 19 сентября 2020. Архивировано 6 марта 2021 года.
  11. Полуэктов Н. С., Кононенко Л. И., Ефрюшина Н. П., Бельтюкова С. В. Спектрофотометрические и люминесцентные методы определения лантаноидов. — Киев: Наукова думка, 1989.

Ссылки[править | править код]