TerbioPertenece a la categoría de pesadostierras rarasCon una baja abundancia en la corteza terrestre, tan solo 1,1 ppm. El óxido de terbio representa menos del 0,01 % del total de tierras raras. Incluso en el mineral de tierras raras pesadas con alto contenido de itrio, el mayor contenido de terbio, este solo representa entre el 1,1 % y el 1,2 % del total, lo que indica que pertenece a la categoría "noble" de los elementos de tierras raras. Durante más de 100 años, desde su descubrimiento en 1843, su escasez y valor han impedido su aplicación práctica durante mucho tiempo. Solo en los últimos 30 años, el terbio ha demostrado su singular potencial.
Descubriendo la Historia
El químico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el terbio en 1843. Encontró sus impurezas enÓxido de itrio (III)yY2O3El itrio recibe su nombre del pueblo de Ytterby, en Suecia. Antes de la aparición de la tecnología de intercambio iónico, el terbio no se aislaba en su forma pura.
Mosant dividió primero el óxido de itrio (III) en tres partes, todas ellas nombradas en honor a minerales: óxido de itrio (III),Óxido de erbio (III)y óxido de terbio. El óxido de terbio estaba compuesto originalmente por una parte rosa, debido al elemento ahora conocido como erbio. El óxido de erbio(III) (que incluye lo que ahora llamamos terbio) era originalmente la parte esencialmente incolora de la solución. El óxido insoluble de este elemento se considera marrón.
Los investigadores posteriores apenas pudieron observar el diminuto e incoloro "óxido de erbio(III)", pero la parte rosa soluble no pudo ignorarse. Los debates sobre la existencia del óxido de erbio(III) han surgido repetidamente. En el caos, el nombre original se invirtió y el intercambio de nombres se estancó, por lo que la parte rosa finalmente se mencionó como una solución que contenía erbio (en la solución, era rosa). Ahora se cree que los investigadores que usan bisulfato de sodio o sulfato de potasio tomanÓxido de cerio (IV)A partir del óxido de itrio(III) se forma un sedimento que contiene cerio, transformando involuntariamente el terbio. Solo alrededor del 1% del óxido de itrio(III) original, ahora conocido como «terbio», es suficiente para que el óxido de itrio(III) adquiera un color amarillento. Por lo tanto, el terbio es un componente secundario que inicialmente lo contenía, y está controlado por sus vecinos inmediatos, el gadolinio y el disprosio.
Posteriormente, siempre que se separaban otros elementos de tierras raras de esta mezcla, independientemente de la proporción del óxido, se conservaba el nombre de terbio hasta que finalmente se obtuvo el óxido marrón de terbio en forma pura. Los investigadores del siglo XIX no utilizaban la tecnología de fluorescencia ultravioleta para observar nódulos amarillos o verdes brillantes (III), lo que facilitaba el reconocimiento del terbio en mezclas o soluciones sólidas.
Configuración electrónica
Configuración electrónica:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f9
La configuración electrónica del terbio es [Xe] 6s₂₄₃f₄₃. Normalmente, solo se pueden eliminar tres electrones antes de que la carga nuclear se vuelva demasiado grande para ionizarse aún más, pero en el caso del terbio, el terbio semillenado permite que el cuarto electrón se ionice aún más en presencia de oxidantes muy fuertes, como el flúor gaseoso.
El terbio es un metal de tierras raras de color blanco plateado, con ductilidad, tenacidad y suavidad, que se puede cortar con un cuchillo. Su punto de fusión es de 1360 °C, su punto de ebullición es de 3123 °C y su densidad es de 8229,4 kg/m³. En comparación con el lantánido original, es relativamente estable en el aire. Como noveno elemento de los lantánidos, el terbio es un metal con una fuerte carga eléctrica. Reacciona con el agua para formar hidrógeno.
En la naturaleza, el terbio nunca se ha encontrado como elemento libre, aunque existe una pequeña cantidad en la arena de fosfocerio y torio y en la gadolinita. El terbio coexiste con otras tierras raras en la arena de monacita, con un contenido de terbio generalmente del 0,03 %. Otras fuentes son la xenotima y los minerales de oro negro raro, ambos mezclas de óxidos que contienen hasta un 1 % de terbio.
Solicitud
La aplicación del terbio involucra principalmente campos de alta tecnología, que son proyectos de vanguardia con uso intensivo de tecnología y conocimiento, así como proyectos con importantes beneficios económicos, con atractivas perspectivas de desarrollo.
Las principales áreas de aplicación incluyen:
(1) Se utiliza en forma de tierras raras mixtas. Por ejemplo, se utiliza como fertilizante compuesto de tierras raras y aditivo alimentario para la agricultura.
(2) Activador para polvo verde en tres polvos fluorescentes primarios. Los materiales optoelectrónicos modernos requieren el uso de tres colores básicos de fósforo: rojo, verde y azul, que permiten sintetizar diversos colores. El terbio es un componente indispensable en muchos polvos fluorescentes verdes de alta calidad.
(3) Se utiliza como material de almacenamiento magnetoóptico. Las películas delgadas de aleación de metal de transición de terbio amorfo se han utilizado para fabricar discos magnetoópticos de alto rendimiento.
(4) Fabricación de vidrio magnetoóptico. El vidrio rotatorio de Faraday con terbio es un material clave para la fabricación de rotadores, aisladores y circuladores en tecnología láser.
(5) El desarrollo y perfeccionamiento de la aleación ferromagnetostrictiva de disprosio y terbio (TerFenol) ha abierto nuevas aplicaciones para el terbio.
Para la agricultura y la ganadería
El terbio, una tierra rara, puede mejorar la calidad de los cultivos y aumentar la tasa de fotosíntesis dentro de un rango de concentración determinado. Los complejos de terbio presentan una alta actividad biológica. Los complejos ternarios de terbio, Tb (Ala) → 3BenIm (ClO₄) → 3 · 3H₂O, tienen buenos efectos antibacterianos y bactericidas contra Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis y Escherichia coli. Presentan un amplio espectro antibacteriano. El estudio de estos complejos abre una nueva línea de investigación para los fármacos bactericidas modernos.
Utilizado en el campo de la luminiscencia.
Los materiales optoelectrónicos modernos requieren el uso de fósforos de tres colores básicos: rojo, verde y azul, que permiten sintetizar diversos colores. El terbio es un componente indispensable en muchos polvos fluorescentes verdes de alta calidad. Si la aparición del polvo fluorescente rojo de tierras raras para televisión en color impulsó la demanda de itrio y europio, la aplicación y el desarrollo del terbio se vieron impulsados por el polvo fluorescente verde de tres colores primarios de tierras raras para lámparas. A principios de la década de 1980, Philips inventó la primera lámpara fluorescente compacta de bajo consumo del mundo y la promocionó rápidamente a nivel mundial. Los iones Tb₃+ pueden emitir luz verde con una longitud de onda de 545 nm, y casi todos los fósforos verdes de tierras raras utilizan terbio como activador.
El fósforo verde para el tubo de rayos catódicos (CRT) de la televisión a color siempre se ha basado en sulfuro de zinc, que es barato y eficiente, pero el polvo de terbio siempre se ha utilizado como fósforo verde para la televisión a color de proyección, incluyendo Y2SiO5 ∶ Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12 ∶ Tb3+ y LaOBr ∶ Tb3+. Con el desarrollo de la televisión de alta definición (HDTV) de pantalla grande, también se están desarrollando polvos fluorescentes verdes de alto rendimiento para CRT. Por ejemplo, se ha desarrollado en el extranjero un polvo fluorescente verde híbrido que consiste en Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que tienen una excelente eficiencia de luminiscencia a alta densidad de corriente.
El polvo fluorescente de rayos X tradicional es el tungstato de calcio. En las décadas de 1970 y 1980, se desarrollaron fósforos de tierras raras para pantallas intensificadoras, como el óxido de lantano con azufre activado con terbio, el óxido de lantano con bromo activado con terbio (para pantallas verdes), el óxido de itrio(III) con azufre activado con terbio, etc. En comparación con el tungstato de calcio, el polvo fluorescente de tierras raras puede reducir el tiempo de irradiación de rayos X para pacientes en un 80%, mejorar la resolución de las películas de rayos X, extender la vida útil de los tubos de rayos X y reducir el consumo de energía. El terbio también se utiliza como activador de polvo fluorescente para pantallas de mejora de rayos X médicas, lo que puede mejorar considerablemente la sensibilidad de la conversión de rayos X en imágenes ópticas, mejorar la claridad de las películas de rayos X y reducir significativamente la dosis de exposición a rayos X para el cuerpo humano (en más del 50%).
El terbio también se utiliza como activador en el fósforo LED blanco excitado por luz azul para la nueva iluminación de semiconductores. Puede utilizarse para producir fósforos de cristal magnetoóptico de terbio-aluminio, utilizando diodos emisores de luz azul como fuentes de luz de excitación. La fluorescencia generada se mezcla con la luz de excitación para producir luz blanca pura.
Los materiales electroluminiscentes de terbio incluyen principalmente fósforo verde de sulfuro de zinc con terbio como activador. Bajo radiación ultravioleta, los complejos orgánicos de terbio pueden emitir una intensa fluorescencia verde y pueden utilizarse como materiales electroluminiscentes de película delgada. Si bien se han logrado avances significativos en el estudio de películas delgadas electroluminiscentes de complejos orgánicos de tierras raras, aún existe cierta brecha en su aplicación práctica, y la investigación sobre películas delgadas y dispositivos electroluminiscentes de complejos orgánicos de tierras raras aún está en pleno desarrollo.
Las características de fluorescencia del terbio también se utilizan como sondas de fluorescencia. Por ejemplo, la sonda de fluorescencia de ofloxacino terbio (Tb3+) se empleó para estudiar la interacción entre el complejo de ofloxacino terbio (Tb3+) y el ADN mediante espectros de fluorescencia y de absorción. Esto indica que la sonda de ofloxacino Tb3+ puede formar un surco de unión con las moléculas de ADN, y que el ADN puede aumentar significativamente la fluorescencia del sistema de ofloxacino Tb3+. Con base en este cambio, se puede determinar el ADN.
Para materiales magnetoópticos
Los materiales con efecto Faraday, también conocidos como materiales magnetoópticos, se utilizan ampliamente en láseres y otros dispositivos ópticos. Existen dos tipos comunes de materiales magnetoópticos: los cristales magnetoópticos y los vidrios magnetoópticos. Entre ellos, los cristales magnetoópticos (como el granate de itrio y hierro y el granate de terbio y galio) ofrecen las ventajas de una frecuencia de operación ajustable y una alta estabilidad térmica, pero son caros y difíciles de fabricar. Además, muchos cristales magnetoópticos con un alto ángulo de rotación de Faraday presentan una alta absorción en el rango de onda corta, lo que limita su uso. En comparación con los cristales magnetoópticos, los vidrios magnetoópticos tienen la ventaja de una alta transmitancia y son fáciles de fabricar en grandes bloques o fibras. En la actualidad, los vidrios magnetoópticos con alto efecto Faraday son principalmente vidrios dopados con iones de tierras raras.
Se utiliza para materiales de almacenamiento magnetoópticos.
En los últimos años, con el rápido desarrollo de la multimedia y la ofimática, ha aumentado la demanda de nuevos discos magnéticos de alta capacidad. Se han utilizado películas de aleación de metal de transición de terbio amorfo para fabricar discos magnetoópticos de alto rendimiento. Entre ellas, la película delgada de aleación de TbFeCo presenta el mejor rendimiento. Los materiales magnetoópticos basados en terbio se han producido a gran escala, y los discos magnetoópticos fabricados con ellos se utilizan como componentes de almacenamiento informático, con una capacidad de almacenamiento entre 10 y 15 veces mayor. Presentan las ventajas de una gran capacidad y una rápida velocidad de acceso, y pueden limpiarse y recubrirse decenas de miles de veces cuando se utilizan para discos ópticos de alta densidad. Son materiales importantes en la tecnología de almacenamiento de información electrónica. El material magnetoóptico más utilizado en las bandas visible e infrarroja cercana es el monocristal de granate de galio y terbio (TGG), que es el mejor material magnetoóptico para la fabricación de rotadores y aisladores de Faraday.
Para vidrio magnetoóptico
El vidrio magnetoóptico de Faraday presenta buena transparencia e isotropía en las regiones visible e infrarroja, y puede adoptar diversas formas complejas. Es fácil de fabricar productos de gran tamaño y se puede estirar para formar fibras ópticas. Por lo tanto, tiene amplias posibilidades de aplicación en dispositivos magnetoópticos, como aisladores magnetoópticos, moduladores magnetoópticos y sensores de corriente de fibra óptica. Gracias a su elevado momento magnético y bajo coeficiente de absorción en el rango visible e infrarrojo, los iones Tb₃+ se han convertido en iones de tierras raras de uso común en vidrios magnetoópticos.
Aleación ferromagnetoestrictiva de disprosio y terbio
A finales del siglo XX, con la profundización de la revolución científica y tecnológica mundial, surgieron rápidamente nuevos materiales aplicados a tierras raras. En 1984, la Universidad Estatal de Iowa (Estados Unidos), el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de Estados Unidos y el Centro de Investigación de Armas de Superficie de la Armada de Estados Unidos (el personal principal de la posteriormente fundada American Edge Technology Company (ET REMA) provenía de este centro) desarrollaron conjuntamente un nuevo material inteligente de tierras raras: el magnetostrictivo gigante de hierro disprosio de terbio. Este nuevo material inteligente posee las excelentes características de convertir rápidamente la energía eléctrica en energía mecánica. Los transductores submarinos y electroacústicos fabricados con este magnetostrictivo gigante se han instalado con éxito en equipos navales, altavoces para la detección de pozos petrolíferos, sistemas de control de ruido y vibraciones, y sistemas de exploración oceánica y comunicación subterránea. Por lo tanto, desde su aparición, el magnetostrictivo gigante de hierro disprosio de terbio recibió una amplia atención de los países industrializados de todo el mundo. Edge Technologies en los Estados Unidos comenzó a producir materiales magnetostrictivos gigantes de hierro disprosio y terbio en 1989 y los denominó Terfenol D. Posteriormente, Suecia, Japón, Rusia, el Reino Unido y Australia también desarrollaron materiales magnetostrictivos gigantes de hierro disprosio y terbio.
Según la historia del desarrollo de este material en Estados Unidos, tanto su invención como sus primeras aplicaciones monopolísticas están directamente relacionadas con la industria militar (como la marina). Si bien los departamentos militares y de defensa de China están profundizando gradualmente su conocimiento sobre este material, tras el significativo aumento del Poder Nacional Integral de China, la necesidad de implementar la estrategia competitiva militar del siglo XXI y mejorar el nivel de equipamiento será sin duda muy urgente. Por lo tanto, el uso generalizado de materiales magnetoestrictivos de hierro gigante de disprosio terbio por parte de los departamentos militares y de defensa nacional será una necesidad histórica.
En resumen, las excelentes propiedades del terbio lo convierten en un componente indispensable de numerosos materiales funcionales y en un material irremplazable en algunos campos de aplicación. Sin embargo, debido a su elevado precio, se han estudiado formas de evitar y minimizar su uso para reducir los costes de producción. Por ejemplo, los materiales magnetoópticos de tierras raras también deberían utilizar disprosio-hierro-cobalto o gadolinio-terbio-cobalto, ambos de bajo coste, en la medida de lo posible. Es fundamental reducir el contenido de terbio en el polvo fluorescente verde necesario. El precio se ha convertido en un factor importante que limita su uso generalizado. Sin embargo, muchos materiales funcionales no pueden prescindir de él, por lo que debemos ceñirnos al principio de "utilizar acero de buena calidad en la hoja" y minimizar su uso.
Hora de publicación: 05-jul-2023