Terbijum
Terbijum (Tb, lat. terbium), jeste hemijski elemenat iz grupe lantanoida sa atomskim brojem 65.[3][4] Jedan je od 4 elemenata koji su dobili ime po švedskom selu [|Iterbi]]ju. Gadolinijum je zastupljen u Zemljinoj kori u količini od 1,1 ppm. Najvažniji mineral mu je monacit: (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr,Tb)PO4.
 | |||||||||||||||||||||||
| Opšta svojstva | |||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ime, simbol | terbijum, Tb | ||||||||||||||||||||||
| Izgled | srebrnasto beo | ||||||||||||||||||||||
| U periodnome sistemu | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
| Atomski broj (Z) | 65 | ||||||||||||||||||||||
| Grupa, perioda | grupa N/D, perioda 6 | ||||||||||||||||||||||
| Blok | f-blok | ||||||||||||||||||||||
| Kategorija | lantanoid | ||||||||||||||||||||||
| Rel. at. masa (Ar) | 158,92535(2)[1] | ||||||||||||||||||||||
| El. konfiguracija | |||||||||||||||||||||||
po ljuskama | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||
| Fizička svojstva | |||||||||||||||||||||||
| Tačka topljenja | 1629 K (1356 °C, 2473 °F) | ||||||||||||||||||||||
| Tačka ključanja | 3396 K (3123 °C, 5653 °F) | ||||||||||||||||||||||
| Gustina pri s.t. | 8,23 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||
| tečno st., na t.t. | 7,65 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||
| Toplota fuzije | 10,15 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
| Toplota isparavanja | 391 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
| Mol. topl. kapacitet | 28,91 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||
Napon pare
| |||||||||||||||||||||||
| Atomska svojstva | |||||||||||||||||||||||
| Elektronegativnost | 1,2 (?) | ||||||||||||||||||||||
| Energije jonizacije | 1: 565,8 kJ/mol 2: 1110 kJ/mol 3: 2114 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
| Atomski radijus | 177 pm | ||||||||||||||||||||||
| Kovalentni radijus | 194±5 pm | ||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||
| Ostalo | |||||||||||||||||||||||
| Kristalna struktura | zbijena heksagonalna (HCP) | ||||||||||||||||||||||
| Brzina zvuka tanak štap | 2620 m/s (na 20 °C) | ||||||||||||||||||||||
| Topl. širenje | α, poli: 10,3 µm/(m·K) (na s.t.) | ||||||||||||||||||||||
| Topl. vodljivost | 11,1 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||
| Elektrootpornost | α, poli: 1,150 µΩ·m (na s.t.) | ||||||||||||||||||||||
| Magnetni raspored | paramagnetičan na 300 K | ||||||||||||||||||||||
| Magnetna susceptibilnost (χmol) | +146.000·10−6 cm3/mol (273 K)[2] | ||||||||||||||||||||||
| Jangov modul | α forma: 55,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Modul smicanja | α forma: 22,1 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Modul stišljivosti | α forma: 38,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Poasonov koeficijent | α forma: 0,261 | ||||||||||||||||||||||
| Vikersova tvrdoća | 450–865 MPa | ||||||||||||||||||||||
| Brinelova tvrdoća | 675–1200 MPa | ||||||||||||||||||||||
| CAS broj | 7440-27-9 | ||||||||||||||||||||||
| Istorija | |||||||||||||||||||||||
| Imenovanje | po Iterbiju (Švedska), gde je iskopan | ||||||||||||||||||||||
| Otkriće i prva izolacija | Karl Gustaf Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||
| Glavni izotopi | |||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||
To je srebrenasti, retki zemni metal, dosta dobro kovan, duktilan i veoma mekak da se može rezati nožem. On je deveti član serije hemijskih elemenata zvanih lantanoidi. Terbijum je prilično elektropozitivan metal koji reagira s vodom, izdvajajući iz nje gasoviti vodonik. U prirodi se ne može naći u slobodnom, elementarnom stanju već je sadržan u mnogim mineralima kao što su cerit, gadolinit, monacit, ksenotim i euksenit. Švedski hemičar Karl Gustaf Mosander je 1843. otkrio terbijum u vidu zasebnog elementarnog jedinjenja, tako što je zapazio određene nečistoće u itrijum oksidu, Y2O3. Oba ova elementa, itrijum i terbijum dobili su ime po selu Iterbiju u Švedskoj. Međutim, čisti elementarni metal nije dobijen sve do pojave jonsko-izmenjivačkih tehnika.
Terbijum se koristi kao dopant za kalcijum fluorid, kalcijum volframat i stroncijum molibdat, materijale koji se koriste u uređajima u čvrstom stanju te kao stabilizatori kristala gorivih ćelija koje rade pri povišenim temperaturama. Kao jedan od sastojaka terfenola-D (legure koja se širi i skuplja pri delovanju magnetnog polja, više od bilo koje druge poznate legure), terbijum se koristi i u pogonskim elementima u raznim mašinama, pomorskim sonarnim sistemima i senzorima. Najveći deo svetske proizvodnje terbijuma koristi se u zelenom fosforu. Terbijum-oksid upotrebljava se u fluorescentnim svetiljkama, televizorima i računarskim CRT monitorima. Terbijumski zeleni fosfori se kombinuju sa dvovalentnim evropijumskim plavim fosforima i trovalentnim crvenim fosforima, čime se omogućava trihromatska svetlosna tehnologija, kao i veoma efikasno belo svetlo, pogodno za standardno osvetljenje prostorija.
Istorija
urediŠvedski hemičar Karl Gustaf Mosander otkrio je terbijum 1843. godine. Tada je zapazio novi element kao nečistoću u uzorku itrijum oksida, Y2O3. Itrijum je dobio ime prema nazivu sela Iterbija u Švedskoj. Terbijum nije izolovan u svom čistom, elementarnom obliku sve do pojave jonsko-izmenjivačkih tehnika sredinom 20. veka.[5][5][6][7][8][9][10]
Mosander je prvi koji je razdvojio rudu zvanu itrija na tri sastojka, a sve ih je nazvao po nazivu rude: itrija, erbija i terbija. „Terbija” je prvobitno bio frakcija koja je sadržavala ružičastu boju, zbog elementa koji je danas poznat pod imenom erbijum. „Erbija” (sadrži element koji se danas naziva terbijum) prvobitno je bila frakcija koja je generalno bila bezbojna u rastvorima. Za nerastvorljivi oksid ovog elementa primećeno je da ima neznatne smeđe nijanse. Kasniji istraživači nisu u dovoljnoj meri uspeli da zapaze slabije obojenu frakciju „erbije”, ali rastvorljivu ružičastu frakciju nije bilo moguće ne primetiti. U daljnjem toku istraživanja izmenjivali su se argumenti „za” i „protiv” postojanja erbije. Osim toga, nastala je i zabuna oko imena, jer su prvobitna imena zamenjena, te su kasnije ružičastu frakciju nazivali rastvorom koji sadrži erbijum (a koji u rastvoru jeste ružičast). Danas se smatra da su tadašnji naučnici koristili dvostruki natrijum ili kalijum sulfat za uklanjanje „cerije” iz rude „itrije”, čime se nepovratno gubio terbijum u talogu koji je sadržao „ceriju”. Ono što je danas poznato kao element terbijum, bilo je samo oko 1% prvobitne rude „itrije”, ali je i to bilo sasvim dovoljno da stvori žućkastu boju itrijum-oksida. Stoga je terbijum bio manja komponenta prvobitnog uzorka u kojem se pojavljivao, a gde su „dominirali” njegovi susedi iz periodnog sistema: gadolinijum i disprozijum.
Posle toga, kad god su druge retke zemlje izdvojene iz ove smese, a koja god od njih je davala smeđe okside, dobijala je ime terbijum, sve dok najzad nije dobijen smeđi oksid terbijuma u čistom obliku. Istraživači tokom 19. veka nisu imali mogućnosti ispitivanja uzoraka tehnologijom ultraljubičaste fluorescencije kako bi posmatrali jarko žutu ili zelenu fluorescenciju Tb(III), čime su mnogo lakše mogli identifikovati čvrste smeše ili rastvore.[6]
Osobine
urediFizičke
urediTerbijum je srebrnasto-sjajni retki zemni metal, lako kovan, duktilan i mek, tako da se može rezati nožem.[11] Relativno je postojan na vazduhu u odnosu na mnogo reaktivnije lantanoide iz prve polovine serije lantanoida.[12] Terbijum postoji u dva kristalna alotropa, a transinformacija između njih odvija se na temperaturi od 1289 °C.[11] Ukupno 65 elektrona u atomu terbijuma raspodeljeno je po orbitalama prema konfiguraciji [Xe]4f96s2. Obično, samo tri elektrona se mogu ukloniti pre nego što naboj jezgra postane isuviše velik da bi se dopustila daljnja jonizacija, međutim u slučaju terbijuma, stabilnost polu-popunjene [Xe]4f7 konfiguracije omogućava daljnju jonizaciju četvrtog elektrona u prisustvu vrlo snažnih oksidirajućih sredstava kao što je na primjer gas fluor.[11]
Katjoni terbijuma(III) pokazuju vrlo jaku fluorescenciju, sjajne limun žute boje, koja je rezultat snažne zelene emisijske linije u kombinaciji sa drugim linijama u narandžastom i crvenom delu spektra. Itrofluorit je varijetet minerala fluorita a koji svoju kremasto-žutu fluorescenciju jednim delom duguje i terbijumu. Terbijum se vrlo lako oksiduje pa se u svom elementarnom obliku koristi isključivo za istraživanja. Japanskim naučnicima je uspelo da pojedinačne atome terbijuma izoliraju tako što su ih uneli u molekule fulerena.[13] Terbijum ima jednostavni feromagnetni raspored pri temperaturi ispod 219 K. Iznad te temperature, prelazi u spiralno antimagnetno stanje u kojem su svi atomski momenti u određenoj baznoj ravni paralelni i usmereni pod stalnim uglom prema momentima susednih slojeva. Takva neobična antiferomagnetna transformacija prelazi u neuređeno paramagnetno stanje pri 230 K.[14]
Hemijske
urediNajčešće oksidaciono stanje terbijuma je +3, kao što je na primer u Tb
2O
3. Stanje +4 je poznato u jedinjenjima TbO2 i TbF4.[15][16] Terbijum lako sagoreva dajući mešani [[terbijum(III,IV) oksid|terbijum(III,IV) oksid]]:[17]
- 8 Tb + 7 O
2 → 2 Tb
4O
7
U rastvorima, terbijum gradi samo trovalentne jone. On je izrazito elektropozitivan te sporo reaguje u hladnoj vodi. Međutim, u vreloj vodi reaguje vrlo brzo istiskujući iz nje vodonik i gradeći terbijum-hidroksid:[17]
- 2 Tb + 6 H
2O → 2 Tb(OH)
3 + 3 H
2↑
Metalni terbijum reaguje sa svim halogenim elementima, dajući bele trihalide:[17]
Terbijum se vrlo lako rastvara u razblaženoj sumpornoj kiselini gradeći rastvore koji sadrže svetloružičaste jone terbijuma(III), a koji postoje u vidu kompleksa [Tb(OH2)9]3+:[17]
- 2 Tb (č) + 3 H
2SO
4 → 2 Tb3+
+ 3 SO2−
4 + 3 H
2↑
Izotopi
urediTerbijum koji se nalazi u prirodi sastoji se isključivo samo iz jednog stabilnog izotopa, terbijuma-159; stoga je ovo jedan od elemenata koji spadaju u mononuklidne i monoizotopske elemente. Osim toga, poznato je 36 radioaktivnih veštačkih izotopa, od kojih je najteži terbijum-171 (sa atomskom masom od 170,95330(86) u) dok je najlakši izotop terbijum-135.[18] Najstabilniji veštački radioizotop terbijuma je terbijum-158, čije vreme poluraspada iznosi 180 godina, a sledi terbijum-157, sa vremenom poluraspada od 71 godine. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od tri meseca, a velika većina od njih vremena poluraspada kraća od pola minute.[18] Osnovni način raspada izotopa lakših od stabilnog izotopa 159Tb je elektronski zahvat, kojim se dobijaju izotopi gadolinijuma, a osnovni način raspada težih izotopa jeste beta minus raspad, kojim se dobijaju izotopi disprozijuma.[18]
Ovaj element takođe ima i 27 nuklearnih izomera, sa masama od 141–154, 156 i 158 (svaki maseni broj ne odgovara isključivo samo jednom izomeru). Najstabilniji metastabilni izomeri su terbijum-156m, sa vremenom poluraspada od 24,4 sata te terbijum-156m2, sa vremenom poluraspada od 22,7 sati; to je duže od vremena poluraspada većine radioaktivnih izotopa terbijuma u osnovnom stanju, izuzev onih sa masenim brojevima 155–161.[18]
Reference
uredi- ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
- ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
- ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
- ^ a b Marshall, James L.; Marshall, Virginia R. (31. 10. 2014). „Northern Scandinavia: An Elemental Treasure Trove”. Science history : a traveler's guide. 1179. ACS Symposium Series. str. 209—257. ISBN 9780841230200. doi:10.1021/bk-2014-1179.ch011.
- ^ a b Gupta, C. K.; Krishnamurthy, Nagaiyar (2004). Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press. str. 5. ISBN 0-415-33340-7.
- ^ Weeks, Mary Elvira (1956). The discovery of the elements (6th izd.). Easton, PA: Journal of Chemical Education. str. 701.
- ^ Weeks, Mary Elvira (1932). „The discovery of the elements: XVI. The rare earth elements”. Journal of Chemical Education. 9 (10): 1751—1773. Bibcode:1932JChEd...9.1751W. doi:10.1021/ed009p1751.
- ^ Marshall, James L. Marshall; Marshall, Virginia R. Marshall (2015). „Rediscovery of the elements: The Rare Earths–The Beginnings” (PDF). The Hexagon: 41—45. Pristupljeno 30. 12. 2019.
- ^ Marshall, James L. Marshall; Marshall, Virginia R. Marshall (2015). „Rediscovery of the elements: The Rare Earths–The Confusing Years” (PDF). The Hexagon: 72—77. Pristupljeno 30. 12. 2019.
- ^ a b v Hammond, C. R. (2005). „The Elements”. Ur.: Lide, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics (86. izd.). Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5.
- ^ „Rare-Earth Metal Long Term Air Exposure Test”. Pristupljeno 5. 5. 2009.
- ^ Shimada T.; Ohno Y.; Okazaki T.; Sugai T. (2004). „Transport properties of C78, C90 and Dy@C82 fullerenes - nanopeapods by field effect transistors”. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 21 (2–4): 1089—1092. Bibcode:2004PhyE...21.1089S. doi:10.1016/j.physe.2003.11.197.
- ^ Jackson, M. (2000). „Magnetism of Rare Earth” (PDF). The IRM quarterly. 10 (3): 1. Arhivirano iz originala (PDF) 12. 7. 2017. g. Pristupljeno 27. 7. 2017.
- ^ Gruen, D.M.; Koehler, W.C.; Katz, J.J. (1. 4. 1951). „Higher Oxides of the Lanthanide Elements: Terbium Dioxide”. Journal of the American Chemical Society. 73 (4): 1475—9. doi:10.1021/ja01148a020.
- ^ Patnaik Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. str. 920—921. ISBN 0-07-049439-8. Pristupljeno 6. 6. 2009.
- ^ a b v g „Chemical reactions of Terbium”. Webelements. Pristupljeno 6. 6. 2009.
- ^ a b v g G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). „The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties” (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Arhivirano iz originala (PDF) 23. 09. 2008. g. Pristupljeno 20. 01. 2021.
