Terbium - Terbium
Terbium | |||||||||||||||||||||||
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Aussprache |
/ T ɜːr b i ə m / ( TUR -bee-əm ) |
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Aussehen | Silbrig Weiß | ||||||||||||||||||||||
Standardatomgewicht A r, std (Tb) | 158.925 354 (8) | ||||||||||||||||||||||
Terbium im Periodensystem | |||||||||||||||||||||||
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Ordnungszahl ( Z ) | 65 | ||||||||||||||||||||||
Gruppe | Gruppe k.A | ||||||||||||||||||||||
Zeitraum | Periode 6 | ||||||||||||||||||||||
Block | f-block | ||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [ Xe ] 4f 9 6s 2 | ||||||||||||||||||||||
Elektronen pro Schale | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||
Physikalische Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||
Phase bei STP | fest | ||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 1629 K (1356 °C, 2473 °F) | ||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 3396 K (3123 °C, 5653 °F) | ||||||||||||||||||||||
Dichte (nahe rt ) | 8,23 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
wenn flüssig (bei mp ) | 7,65 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
Schmelzwärme | 10,15 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
Verdampfungswärme | 391 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
Molare Wärmekapazität | 28,91 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||
Dampfdruck
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Atomare Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||
Oxidationsstufen | 0, +1, +2, +3 , +4 (ein schwach basisches Oxid) | ||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | Pauling-Skala: 1,2 (?) | ||||||||||||||||||||||
Ionisierungsenergien | |||||||||||||||||||||||
Atomradius | empirisch: 177 pm | ||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 194±17 Uhr | ||||||||||||||||||||||
Spektrallinien von Terbium | |||||||||||||||||||||||
Andere Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||
Natürliches Vorkommen | urtümlich | ||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | hexagonal dicht gepackten (hcp) | ||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit dünner Stab | 2620 m/s (bei 20 °C) | ||||||||||||||||||||||
Wärmeausdehnung | bei rt α, poly: 10,3 µm/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 11,1 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Elektrischer widerstand | α, poly: 1.150 µΩ⋅m (bei rt ) | ||||||||||||||||||||||
Magnetische Bestellung | paramagnetisch bei 300 K | ||||||||||||||||||||||
Molare magnetische Suszeptibilität | +146 000 × 10 -6 cm 3 /mol (273 K) | ||||||||||||||||||||||
Elastizitätsmodul | α-Form: 55,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
Schubmodul | α-Form: 22,1 GPa | ||||||||||||||||||||||
Schüttmodul | α-Form: 38,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
QUERKONTRAKTIONSZAHL | α-Form: 0,261 | ||||||||||||||||||||||
Vickers-Härte | 450–865 MPa | ||||||||||||||||||||||
Brinellhärte | 675–1200 MPa | ||||||||||||||||||||||
CAS-Nummer | 7440-27-9 | ||||||||||||||||||||||
Geschichte | |||||||||||||||||||||||
Benennung | nach Ytterby (Schweden), wo es abgebaut wurde | ||||||||||||||||||||||
Entdeckung und erste Isolation | Carl Gustaf Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||
Haupt Isotope von Terbium | |||||||||||||||||||||||
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Terbium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Tb und der Ordnungszahl 65. Es ist ein silbrig-weiß, seltene Erden Metall , das ist formbar , duktil und weich genug Schnitt mit einem Messer zu sein. Das neunte Mitglied der Lanthanid - Reihe, ist ein ziemlich Terbium elektropositiven Metall , das mit Wasser reagiert, sich entwickelnde Wasserstoffgas. Terbium kommt in der Natur nie als freies Element vor, aber es ist in vielen Mineralien enthalten , darunter Cerit , Gadolinit , Monazit , Xenotim und Euxenit .
Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium als chemisches Element. Er entdeckte es als Verunreinigung in Yttriumoxid , Y
2Ö
3. Yttrium und Terbium sowie Erbium und Ytterbium sind nach dem Dorf Ytterby in Schweden benannt. Terbium wurde erst mit dem Aufkommen von Ionenaustauschtechniken in reiner Form isoliert .
Terbium wird verwendet dopt Calciumfluorid , Calciumwolframat und Strontium Molybdat , Materialien , die verwendet werden , in Festkörpervorrichtungen , und als Kristallstabilisator von Brennstoffzellen , die bei erhöhten Temperaturen arbeiten. Als Bestandteil von Terfenol-D (eine Legierung , die expandiert und kontrahiert , wenn sie Magnetfeldern mehr als jede andere Legierung ausgesetzt sind ), Terbium Nutzungs in ist Aktoren , in Marinesonarsystemen und in Sensoren .
Der größte Teil des weltweiten Terbiumangebots wird in grünen Leuchtstoffen verwendet. Terbium - Oxid ist in Leuchtstofflampen und Fernsehen und Monitor - Kathodenstrahlröhren (CRTs). Terbiumgrüne Leuchtstoffe werden mit zweiwertigen Europiumblauleuchtstoffen und dreiwertigen Europiumrotleuchtstoffen kombiniert , um eine trichromatische Beleuchtungstechnologie bereitzustellen, ein hocheffizientes weißes Licht, das für die Standardbeleuchtung in der Innenbeleuchtung verwendet wird.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Terbium ist ein silbrig-weiße seltene Erde Metall , das ist formbar , duktil und weich genug Schnitt mit einem Messer zu sein. Es ist im Vergleich zu den früheren, reaktiveren Lanthaniden in der ersten Hälfte der Lanthanoid-Reihe relativ stabil an der Luft. Terbium existiert in zwei Kristall Allotrope mit einer Transformationstemperatur von 1289 ° C zwischen ihnen. Die 65 Elektronen eines Terbiumatoms sind in der Elektronenkonfiguration [Xe]4f 9 6s 2 ; normalerweise können nur drei Elektronen entfernt werden, bevor die Kernladung zu groß wird, um eine weitere Ionisierung zu ermöglichen, aber im Fall von Terbium ermöglicht die Stabilität der halbgefüllten [Xe]4f 7 -Konfiguration die weitere Ionisierung eines vierten Elektrons in Gegenwart von sehr starken Oxidationsmitteln wie Fluorgas .
Das Terbium(III)-Kation ist brillant fluoreszierend , in einer hellen zitronengelben Farbe, die das Ergebnis einer starken grünen Emissionslinie in Kombination mit anderen Linien in Orange und Rot ist. Die Yttrofluorit- Variante des Minerals Fluorit verdankt ihre cremig-gelbe Fluoreszenz zum Teil dem Terbium. Terbium oxidiert leicht und wird daher in seiner elementaren Form speziell für die Forschung verwendet. Einzelne Terbiumatome wurden isoliert, indem sie in Fullerenmoleküle implantiert wurden .
Terbium hat bei Temperaturen unter 219 K eine einfache ferromagnetische Ordnung. Oberhalb von 219 K geht es in einen helikalen antiferromagnetischen Zustand über, in dem alle Atommomente in einer bestimmten Grundebenenschicht parallel und in einem festen Winkel zu den Momenten benachbarter orientiert sind Schichten. Dieser ungewöhnliche Antiferromagnetismus geht bei 230 K in einen ungeordneten paramagnetischen Zustand über.
Chemische Eigenschaften
Terbiummetall ist ein elektropositives Element und oxidiert in Gegenwart der meisten Säuren (wie Schwefelsäure), aller Halogene und sogar Wasser.
- 2 Tb (s) + 3 H
2SO
4→ 2 Tb 3+ + 3 SO2−
4 + 3 H
2↑ - 2 TB (s) + 6 H
2O → 2 Tb(OH)
3 + 3 H
2↑
Terbium oxidiert auch leicht an der Luft, um ein gemischtes Terbium(III,IV)-oxid zu bilden :
- 8 Tb + 7 O
2 → 2 TB
4Ö
7
Die häufigste Oxidationsstufe von Terbium ist +3 (dreiwertig), wie TbCl
3. Im festen Zustand ist auch vierwertiges Terbium bekannt, in Verbindungen wie TbO
2und TbF
4. In Lösung bildet Terbium typischerweise dreiwertige Spezies, kann jedoch unter stark basischen wässrigen Bedingungen mit Ozon in den vierwertigen Zustand oxidiert werden.
Die Koordination und metallorganische Chemie von Terbium ist denen anderer Lanthanoide ähnlich. In wässrigen Bedingungen kann Terbium durch neun koordiniert wird Wassermoleküle, die in einer angeordneten dreifach überdacht trigonalen prismatischen Molekülgeometrie . Terbiumkomplexe mit niedrigerer Koordinationszahl sind ebenfalls bekannt, typischerweise mit sperrigen Liganden wie Bis(trimethylsilylamid) , das das dreifach koordinierte Tb[N(SiMe
3)
2]
3 Komplex.
Die meisten Koordinations- und metallorganischen Komplexe enthalten Terbium in der dreiwertigen Oxidationsstufe. Zweiwertige (Tb 2+ ) Komplexe sind ebenfalls bekannt, gewöhnlich mit sperrigen Liganden vom Cyclopentadienyl-Typ. Einige Koordinationsverbindungen, die Terbium in seinem vierwertigen Zustand enthalten, sind ebenfalls bekannt.
Verbindungen
Terbium verbindet sich bei erhöhten Temperaturen mit Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Bor, Selen, Silizium und Arsen und bildet verschiedene binäre Verbindungen wie TbH
2, TbH
3, TbB
2, Tb
2S
3, TbSe , TbTe und TbN . In diesen Verbindungen weist Tb meistens die Oxidationsstufen +3 und manchmal +2 auf. Terbium(II)-Halogenide werden durch Glühen von Tb(III)-Halogeniden in Gegenwart von metallischem Tb in Tantalbehältern erhalten. Terbium bildet auch Sesquichlorid Tb
2Cl
3, das durch Tempern bei 800 °C weiter zu TbCl reduziert werden kann. Dieses Terbium(I)-Chlorid bildet Plättchen mit geschichteter graphitartiger Struktur.
Andere Verbindungen umfassen
Terbium(IV)-Fluorid ist ein starkes Fluorierungsmittel, das beim Erhitzen relativ reines atomares Fluor emittiert und nicht die Mischung aus Fluoriddämpfen, die von CoF . emittiert werden
3oder CeF
4.
Isotope
Natürlich vorkommendes Terbium besteht aus seinem einzigen stabilen Isotop , Terbium-159; das Element ist somit mononuklidisch und monoisotopisch . Sechsunddreißig Radioisotope wurden charakterisiert, wobei das schwerste Terbium-171 (mit einer Atommasse von 170,95330(86) u ) und das leichteste Terbium-135 (genaue Masse unbekannt) ist. Die stabilsten synthetischen Radioisotope von Terbium sind Terbium-158 mit einer Halbwertszeit von 180 Jahren und Terbium-157 mit einer Halbwertszeit von 71 Jahren. Alle übrigen radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weit weniger als einem Vierteljahr, und die meisten von ihnen haben Halbwertszeiten von weniger als einer halben Minute. Der primäre Zerfallsmodus vor dem am häufigsten vorkommenden stabilen Isotop, 159 Tb, ist der Elektroneneinfang , der zur Produktion von Gadolinium- Isotopen führt, und der primäre Modus danach ist der Beta-Minus-Zerfall , der zu Dysprosium- Isotopen führt.
Das Element hat auch 27 Kernisomere mit Massen von 141–154, 156 und 158 (nicht jede Massenzahl entspricht nur einem Isomer). Die stabilsten von ihnen sind Terbium-156m mit einer Halbwertszeit von 24,4 Stunden und Terbium-156m2 mit einer Halbwertszeit von 22,7 Stunden; dies ist länger als die Halbwertszeiten der meisten Grundzustände radioaktiver Terbiumisotope, außer denen mit den Massenzahlen 155–161.
Geschichte
Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander entdeckte 1843 Terbium. Er entdeckte es als Verunreinigung in Yttriumoxid , Y
2Ö
3. Yttrium ist nach dem Dorf Ytterby in Schweden benannt . Terbium wurde erst mit dem Aufkommen von Ionenaustauschtechniken in reiner Form isoliert .
Mosander trennte Yttriumoxid zunächst in drei Fraktionen, die alle nach dem Erz benannt wurden: Yttriumoxid, Erbia und Terbia. "Terbia" war ursprünglich die Fraktion, die die rosa Farbe enthielt, aufgrund des Elements, das heute als Erbium bekannt ist . "Erbia" (enthaltend, was heute als Terbium bekannt ist) war ursprünglich die Fraktion, die in Lösung im Wesentlichen farblos war. Es wurde festgestellt, dass das unlösliche Oxid dieses Elements braun gefärbt war.
Spätere Arbeiter hatten Schwierigkeiten, die kleine farblose "Erbia" zu beobachten, aber die lösliche rosa Fraktion war nicht zu übersehen. Es wurde hin und her gestritten, ob erbia überhaupt existierte. In der Verwirrung wurden die ursprünglichen Namen vertauscht und der Namensaustausch blieb hängen, so dass sich die rosa Fraktion schließlich auf die erbiumhaltige Lösung bezog (die in Lösung rosa ist). Es wird jetzt angenommen, dass Arbeiter, die doppelte Natrium- oder Kaliumsulfate verwenden , um Ceroxid aus Yttriumoxid zu entfernen, versehentlich das Terbium in den Ceroxid-haltigen Niederschlag verloren. Was heute als Terbium bekannt ist, war nur etwa 1% des ursprünglichen Yttriumoxids, aber das reichte aus, um dem Yttriumoxid eine gelbliche Farbe zu verleihen. Somit war Terbium eine untergeordnete Komponente in der ursprünglichen Fraktion, die es enthielt, wo es von seinen unmittelbaren Nachbarn, Gadolinium und Dysprosium, dominiert wurde .
Danach, wann immer andere Seltene Erden neben dieser Mischung gehänselt wurden, behielt die Fraktion, die dem braunen Oxid den Namen Terbium gab, den Namen Terbium bei, bis schließlich das braune Oxid des Terbiums in reiner Form erhalten wurde. Die Forscher des 19. Jahrhunderts nutzten die UV-Fluoreszenztechnologie nicht, um die brillante gelbe oder grüne Tb(III)-Fluoreszenz zu beobachten, die die Identifizierung von Terbium in festen Mischungen oder Lösungen erleichtert hätte.
Auftreten
Terbium ist zusammen mit anderen Seltenerdelementen in vielen Mineralien enthalten, darunter Monazit ( (Ce,La,Th,Nd,Y)PO
4mit bis zu 0,03% Terbium), Xenotim ( YPO
4) und Euxenit ( (Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)
2Ö
6mit 1 % oder mehr Terbium). Die Krustenhäufigkeit von Terbium wird auf 1,2 mg/kg geschätzt. Es wurde noch kein Terbium-dominantes Mineral gefunden.
Derzeit sind die reichsten kommerziellen Quellen von Terbium der ionen Adsorption Tone von Süd-China ; die Konzentrate mit etwa zwei Drittel Yttriumoxid nach Gewicht haben etwa 1 % Terbia. Kleine Mengen Terbium kommen in Bastnäsit und Monazit vor; wenn diese durch Lösungsmittelextraktion verarbeitet werden , um die wertvollen Schwer Lanthaniden wie wiederherzustellen Samarium - Europium - Gadolinium Konzentrat wird Terbium darin zurückgewonnen. Aufgrund der großen Mengen an verarbeitetem Bastnäsit im Vergleich zu den ionenadsorbierenden Tonen stammt ein erheblicher Anteil des weltweiten Terbiumangebots aus Bastnäsit.
Im Jahr 2018 wurde eine reiche Terbium Versorgung vor der Küste entdeckt Japan ‚s Minamitori Insel , mit der angegebenen Versorgung ist‚genug , um die weltweite Nachfrage nach 420 Jahren gerecht zu werden‘.
Produktion
Zerkleinerte terbiumhaltige Mineralien werden mit heißer konzentrierter Schwefelsäure behandelt , um wasserlösliche Sulfate von Seltenen Erden herzustellen. Die sauren Filtrate werden mit Natronlauge teilweise auf pH 3–4 neutralisiert. Thorium fällt als Hydroxid aus der Lösung aus und wird entfernt. Danach wird die Lösung mit Ammoniumoxalat behandelt , um Seltene Erden in ihre unlöslichen Oxalate umzuwandeln . Die Oxalate werden durch Erhitzen zu Oxiden zersetzt. Die Oxide werden in Salpetersäure gelöst , die einen der Hauptbestandteile ausschließt, Cer, dessen Oxid in HNO . unlöslich ist
3. Terbium wird als Doppelsalz mit Ammoniumnitrat durch Kristallisation abgetrennt .
Die effizienteste Trennroutine für Terbiumsalz aus der Seltenerdsalzlösung ist der Ionenaustausch . Bei diesem Verfahren werden Seltenerd-Ionen an ein geeignetes Ionenaustauscherharz durch Austausch mit im Harz vorhandenen Wasserstoff-, Ammonium- oder Kupferionen sorbiert . Die Seltenerd-Ionen werden dann durch geeignete Komplexbildner selektiv ausgewaschen. Wie bei anderen Seltenen Erden wird Terbiummetall durch Reduktion des wasserfreien Chlorids oder Fluorids mit Calciummetall hergestellt. Calcium- und Tantalverunreinigungen können durch Vakuumumschmelzen, Destillation, Amalgambildung oder Zonenschmelzen entfernt werden .
Anwendungen
Terbium als verwendeter Dotierstoff in Calciumfluorid , Calciumwolframat und Strontium Molybdat , Materialien , die in Festkörpervorrichtungen verwendet werden, und als einen Kristallstabilisator von Brennstoffzellen , die bei erhöhten Temperaturen arbeiten, zusammen mit ZrO
2.
Terbium wird auch in Legierungen und bei der Herstellung von elektronischen Geräten verwendet. Als Bestandteil von Terfenol-D wird verwendet Terbium in Aktoren , in Marinesonarsystemen, Sensoren , in dem Soundbug Gerät (seine erste kommerzielle Anwendung) und anderen magnetomechanische Geräten. Terfenol-D ist eine Terbiumlegierung, die sich bei Vorhandensein eines Magnetfelds ausdehnt oder zusammenzieht. Es hat die höchste Magnetostriktion aller Legierungen .
Terbium - Oxid wird in grün verwendet Phosphore in Leuchtstofflampen und Farbfernsehbildröhren. Natrium - Terbium - Borat wird in verwendeten Festkörpervorrichtungen. Die brillante Fluoreszenz ermöglicht den Einsatz von Terbium als Sonde in der Biochemie, wo es in seinem Verhalten etwas an Calcium erinnert . Terbium "grüne" Leuchtstoffe (die ein brillantes Zitronengelb fluoreszieren) werden mit zweiwertigen Europiumblauleuchtstoffen und dreiwertigen Europiumrotleuchtstoffen kombiniert, um die trichromatische Beleuchtungstechnologie bereitzustellen, die bei weitem der größte Verbraucher des weltweiten Terbiumangebots ist. Trichromatische Beleuchtung bietet eine viel höhere Lichtleistung für eine gegebene Menge an elektrischer Energie als Glühlampenbeleuchtung .
Terbium wird auch zum Nachweis von Endosporen verwendet , da es als ein auf Photolumineszenz basierender Assay für Dipicolinsäure dient .
Vorsichtsmaßnahmen
Wie die anderen Lanthanoide sind Terbiumverbindungen von geringer bis mäßiger Toxizität, obwohl ihre Toxizität nicht im Detail untersucht wurde. Terbium hat keine bekannte biologische Rolle.