Тербий

Тербий
← Гадолиний | Диспрозий →
65 Tb ↓ Bk 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) 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 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
Tb 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.

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

Простое вещество тербий — мягкий металл серебристо-белого цвета.

История

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.

Происхождение названия

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

Подробнее см. Редкоземельные элементы

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

Месторождения

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.

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.

Физические свойства

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).

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.

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.

Температура плавления 1357 °C, по другим сведениям 1356 °C. Температура кипения 3227 °C, по другим сведениям 3230 °C.

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).

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.

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.

Изотопы

Основная статья: Изотопы тербия

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

Химические свойства

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.

Получение

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

Цены

Главным поставщиком редкоземельных элементов является Китай. Грамотно проводимая им ценовая политика привела к резкому повышению цен (в 5-10 раз) в 2010—2011 годах. Цена за один килограмм металлического тербия достигала 4400$, к 2016 году цена снизилась до 1000$ 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.

В России в 2014—2016 годах за металлический слиток весом 2 грамма и чистотой 99,9 % просили 150 евро.

Применение

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

Гигантский магнитострикционный эффект. Производство магнитострикционных сплавов

Сплав тербий-железо — лучший 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 интерес представляет титанат тербия и, в частности, его монокристалл.

Магнитные материалы

Монокристаллический сплав тербий-кобальт при температурах, близких к абсолютному нулю, является самым мощным магнитотвёрдым материалом (произведение магнитной энергии (BH)_max = 408 кДж/м³, что более чем в 5—7 раз выше, нежели у сплавов самарий-кобальт или железо-неодим-бор).

Термоэлектрические материалы

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

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

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 ⁷F_j, 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. 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

Сплавы тербия с гадолинием имеют характеристики, подходящие для конструирования магнитных холодильников.

Катализаторы

Оксид тербия применяется в качестве высокоэффективного катализатора окисления.

Электроника

Фторид тербия совместно с фторидами церия и иттрия используется в микроэлектронике в качестве просветляющего покрытия на кремнии.

Производство компьютеров

В последние годы в производстве компьютеров особое значение^{[прояснить]} приобрёл феррит тербия.

Биологическая роль

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.

Ссылки

• Тербий на Webelements
• Тербий в Популярной библиотеке химических элементов