Тербий - редкоземельный металл, который благодаря уникальным свойствам своего оксида находит широкое применение в промышленности и науке. Давайте подробно разберемся в том, откуда берется этот полезный материал, какие у него есть достоинства и где он используется.
История открытия тербия и его оксида
Тербий был открыт в 1843 году шведским химиком Карлом Густавом Мосандером. Изучая минерал гадолинит, содержащий иттрий, Мосандер предположил, что может обнаружить в нем новый элемент. С помощью реакций осаждения он выделил две неизвестные прежде субстанции - розовую "тербию" и бесцветную "эрбию". В "тербии" впоследствии был идентифицирован современный элемент эрбий, а в "эрбии" - тербий.
Название восходит к селению Иттербю в Швеции [2] . Относится к семейству лантаноидов (иттриевая подгруппа) [2]
Из-за бесцветности оксида тербия его существование долгое время подвергалось сомнению. Окончательно подтвердил открытие этого элемента французский химик Жорж Урбэн в начале XX века с помощью метода ионного обмена. Он же впервые получил образцы чистого металлического тербия и его оксида.
Физико-химические свойства оксида тербия
Оксид тербия имеет химическую формулу Tb4O7. Это твердое неорганическое вещество в виде порошка темно-коричневого цвета с плотностью 7,3 г/см3 и температурой плавления 1356°C. Оксид тербия практически нерастворим в воде, но растворяется в сильных минеральных кислотах. При хранении слегка гигроскопичен.
По кристаллической структуре оксид тербия относится к кубической сингонии с пространственной группой Fm3m. Параметры элементарной ячейки: a = 5,899 Å. Структура имеет кубооктаэдрическое строение с ионами Tb3+ и O2- в узлах кубической решетки.
Термодинамические свойства оксида тербия изучены довольно подробно. Так, молярная теплоемкость составляет 29 Дж/(моль·К), энтальпия плавления - 10,8 кДж/моль, энтальпия испарения - 388 кДж/моль. Коэффициент линейного термического расширения равен 1,18·10-5 К-1.
Оптические и магнитные свойства
Оксид тербия проявляет как оптические, так и магнитные свойства. Он способен люминесцировать в видимом диапазоне под действием УФ-излучения и рентгеновских лучей. Это позволяет использовать его в качестве люминофора.
По магнитным свойствам оксид тербия является антиферромагнетиком с температурой Нееля -43°C. При дальнейшем охлаждении ниже -53,6°C переходит в ферромагнитное состояние.
Особые свойства наночастиц
Наноразмерные частицы оксида тербия демонстрируют ряд уникальных оптических, магнитных и каталитических свойств, отличающихся от свойств объемного материала:
- Усиление люминесценции в 2-3 раза
- Увеличение магнитной восприимчивости
- Появление суперпарамагнетизма
- Резкий рост каталитической активности
Эти особенности определяют преимущества использования нанодисперсного оксида тербия в передовых технологиях.
Методы получения оксида тербия
Для промышленного производства оксида тербия используются как химические, так и физические методы. Рассмотрим их более подробно.
Химическое получение
В качестве сырья для химического синтеза применяются минералы, содержащие смесь редкоземельных элементов. Наиболее распространенным является метод осаждения, включающий следующие стадии:
- Измельчение и вскрытие сырья
- Химическое выщелачивание
- Осаждение гидроксидов РЗЭ
- Фильтрация и промывка осадка
- Термическая обработка с получением оксидов РЗЭ
На заключительном этапе происходит разделение полученной смеси оксидов редкоземельных элементов и выделение индивидуального оксида тербия. Для этого чаще всего используется жидкостная экстракция.
Физические методы
К физическим методам получения оксида тербия относятся:
- Электролиз расплавов солей тербия
- Восстановление фторида или хлорида тербия металлическим натрием
- Термическое разложение азотата тербия
Данные методы позволяют получать высокочистый оксид, однако имеют ограниченное применение из-за больших энергозатрат.
Таким образом, получение нитрата тербия из оксидов тербия является важной стадией в технологической цепочке производства соединений этого элемента.
Применение оксида тербия
Уникальные оптические и магнитные характеристики оксида тербия определяют широкий спектр областей его практического использования.
Люминесцентные материалы
Оксид тербия является высокоэффективным люминофором зеленого цвета свечения. Он применяется:
- В экранах цветных кинескопов и дисплеев
- Во флуоресцентных лампах
- В рентгеновских люминесцентных экранах
Лазерные материалы
Лазеры на основе оксида тербия эффективно работают в зеленом и инфракрасном диапазонах оптического спектра. Они используются в научных исследованиях и высокотехнологичных применениях.
Допированный ионами Tb3+ гранат является активным лазерным материалом, способным генерировать излучение в видимом и ближнем ИК-диапазоне с высокой эффективностью.
Магнитные материалы
Оксид тербия входит в состав ряда перспективных магнитных материалов, в том числе:
- Ферритов тербия для электронной техники
- Сплавов terfenol-D с гигантским магнитострикционным эффектом
- Постоянных магнитов на основе интерметаллидов тербия
Эти материалы активно исследуются и находят применение в передовых разработках.
