Тербий химический элемент

Тербий (Tb) — это неорганический химический элемент, простое вещество, относящийся к группе лантаноидов (редкоземельных элементов).

Это мягкий, ковкий и пластичный металл серебристо-белого цвета. Он легко поддаётся обработке и довольно устойчив к коррозии.

Тербий используется для производства люминофоров, которые применяются в электронно-лучевых трубках и современных светодиодных лампах, что позволяет создавать яркие, цветные изображения.

Он также является компонентом некоторых сплавов и магнитных материалов.

Что такое тербий

[Иттербю (Ytterby) в Швеции], Тb — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Атомный номер 65, атомная масса 158,9254; относится к редкоземельным элементам.

Металл светло-серого цвета. В соединениях проявляет степень окисления + 3 (валентность >3).

Тербий открыл (1843) швед, химик К. Г. Мозандер.

Содержание тербия в земной коре около 1,5 • 10^-4%. Пром. минералами для получения тербия служат монацит, ксенотим и эвксенит.

История открытия тербия

Тербий был открыт шведским химиком Карлом Густавом Мосандером в 1843 году.

Мосандер работал с минералом иттро-тунгстен, который впоследствии был переименован в гадолинит (открыт ранее Юханом Гадолином).

В то время было известно, что гадолинит содержит оксид иттрия (Y₂O₃).

Мосандер провёл ряд сложных химических операций и разделил оксид иттрия на три фракции:

1. Оксид иттрия (Y₂O₃) — белый оксид.
2. Оксид нового элемента, который дал жёлтый цвет, — он назвал его оксидом тербия (Tb₂O₃).
3. Оксид ещё одного нового элемента, который он назвал оксидом эрбия (Er₂O₃).

Открытие Мосандера было подтверждено другими химиками, хотя в то время разделение редкоземельных элементов было очень сложной задачей.

Со временем были выделены чистые образцы тербия, что подтвердило его существование как отдельного элемента.

Физические свойства

Кристаллическая решетка низкотемпературной модификации — гексагональная   плотно-упакованная типа магнии.

Тербий полиморфен.

С периодами а — 3,604 А в с = 5,698 А (т-ра 25° С), кристаллическая решетка высокотемпературной модификации — объемноцентрированная   кубическая с периодом а — 4,02 А. Т-ра полиморфного   превращения    1287 °С.

Плотность (т-ра 25° С) 8,234 г/см³; t_пл 1353° С; t_кип 30410 С; коэффициент термического расширения 10,3 х 10^-6 град.

Теплоемкость 6,81 кал/г-атом-град; электрическое сопротивление 116 мком х см; Кюри — точка 221 К;  работа  выхода  электронов 3,09 эв.

Модуль норм, упругости 5860 кгс/мм²; модуль сдвига 2330 кгс/мм²; коэфф. Пуассона   0,261;   НВ = 70 (металла 99,8%).

Предел прочности на  растяжение  17  кгс/мм².  Легко поддается мех. обработке.

Интересный факт: Соединения тербия испускают ярко-зелёное свечение при ультрафиолетовом облучении, что делает его незаменимым в производстве люминесцентных ламп и цветных экранов.

Химические свойства

Химически активен. На воздухе сильно окисляется. Образует сплавы и соединения со многими элементами.

Реакция с кислородом: Тербий легко окисляется на воздухе. При нагревании он реагирует с кислородом, образуя оксид тербия (III).

4Tb + 3O₂ → 2Tb₂O₃

Реакция с водой: Медленно реагирует с холодной водой, но активно — с горячей, выделяя водород и образуя гидроксид тербия.

2Tb + 6H₂O → 2Tb(OH)₃ + 3H₂

Реакция с кислотами: Тербий легко реагирует с разбавленными кислотами, такими как серная (H₂SO₄), соляная (HCl), азотная (HNO₃), образуя соответствующие соли и выделяя водород.

2Tb + 3H₂SO₄ → Tb2(SO₄)₃ + 3H₂

Реакция с галогенами: Активно реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом, йодом), образуя галогениды.

2Tb + 3Cl₂ → 2TbCl₃

Изотопы

Известны изотопы с массовыми числами от ¹⁴⁹Тb до ¹⁶⁴Тb, из них стабилен изотоп с массовым числом 161.

Получение

Тербий получают металлотермическим  восстановлением фторида кальцием. Затем металл переплавляют в вакууме или дистиллируют для удаления примесей.

Первым метод получения тербия предложил его первооткрыватель, шведский химик Карл Густав Мосандер в 1843 году.

Он выделил тербий в виде оксида (Tb₂O₃) из минерала гадолинита с помощью метода фракционной кристаллизации.

Это был очень трудоёмкий процесс, который позволял получить лишь небольшое количество элемента.

Современный метод

В настоящее время чистый металлический тербий получают в два этапа:

Разделение и очистка: Из минералов, содержащих смесь редкоземельных элементов, тербий отделяют и очищают.

Для этого используются сложные методы ионообменной хроматографии или экстракции растворителями.

Эти процессы позволяют получить высокочистый оксид тербия.

Восстановление: Очищенный оксид тербия превращают в фторид тербия (TbF3).

Затем этот фторид восстанавливают активными металлами, такими как кальций или литий, при высокой температуре в вакууме.

2TbF₃ + 3Ca (t^∘) → 2Tb + 3CaF₂

Этот метод позволяет получать тербий высокой степени чистоты, необходимой для использования в современных технологиях.

Тербий выпускают в виде небольших слитков.

Применение

В чистом виде применяют для исследовательских целей. К перспективным областям его применения относится изготовление магнитных материалов.

Окислы и соли тербия могут использоваться в радиоэлектронной технике,  как  кристаллофосфоры и люминофоры.

Нашёл применение в ряде высокотехнологичных областей благодаря своим уникальным оптическим, магнитным и механическим свойствам.

➡️ Люминофоры: Одно из самых важных применений — производство люминофоров для флуоресцентных ламп и дисплеев.

При облучении ультрафиолетом соединения тербия излучают яркое зелёное свечение, что делает их ключевым компонентом в системах освещения и экранах.

➡️ Магнитострикционные сплавы: Тербий является основой для производства сплава терфенол-D (Tb_xD_{y 1−x}Fe₂), который обладает сильным магнитострикционным эффектом (изменение размеров под воздействием магнитного поля).

Этот сплав используется в акустических системах, гидролокаторах и микропозиционирующих устройствах.

➡️ Лазерные материалы: Тербий используется для производства материалов, работающих в качестве активной среды в лазерах, например, в оптоволоконных лазерах и усилителях.

➡️ Информационные технологии: Он применяется в производстве оптических дисков для повышения их ёмкости и скорости записи.

➡️ Высокотемпературные катушки: Тербий используется в качестве легирующей добавки в сплавах для производства высокотемпературных катушек, так как он улучшает их прочность и термостойкость.

Литература

Савицкий Е. М. [и др.]. Сплавы редкоземельных металлов. М., 1962; Фигуровский Н. А. Открытие химических элементов и происхождение их названий.

 Часто задаваемые вопросы