铽

化学元素铽符号：Tb

铽

铽（英文名：Terbium），元素符号Tb，原子量158.924。稀土元素，第六周期ⅢB族，原子序数65，[0][7]铽外观为银灰色金属，不溶于水，可溶于酸，高温下易被空气氧化，化，[8]化学活性较强，可与多种元素反应。[9]铽可应用于三基色荧光粉、稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁光存储材料技术领域中。[10]1839年，瑞典化学家贝采里乌斯（Jöns Jakob Berzelius）的原助手莫桑德尔（Mosander C.G）开始寻找尚未被科学家发现的剩余元素。[11]借助三段式沉淀的分离方法，莫桑德尔在1843年成功的从意忒耳比镇（Ytterby）所产的矿石中分离出了铽土。在当时，莫桑德尔将分离出的铽土命名为氧化铒（erbia）。而后德拉封腾（Delafontaine）及斯密司（J.L.Smith）等人的对这种物质进行了重复验证，确认是发现了新元素；于1877年将原来的氧化铒改称为氧化铽，其中所含的新元素命名为铽，以纪念意忒耳比镇。[12][13]

铽tè（英文名：Terbium），元素符号Tb，原子量158.924。稀土元素，第六周期ⅢB族，原子序数65，[1][8]铽外观为银灰色金属，不溶于水，可溶于酸，高温下易被空气氧化，化，[9]化学活性较强，可与多种元素反应。[10]铽可应用于三基色荧光粉、稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁光存储材料技术领域中。[11]

铽的发现

1839年，瑞典化学家贝采里乌斯（Jöns Jakob Berzelius）的原助手莫桑德尔（Mosander C.G）开始寻找尚未被科学家发现的剩余元素。[12]借助三段式沉淀的分离方法，莫桑德尔在1843年成功的从意忒耳比镇（Ytterby）所产的矿石中分离出了铽土。在当时，莫桑德尔将分离出的铽土命名为氧化铒（erbia）。而后德拉封腾（Delafontaine）及斯密司（J.L.Smith）等人的对这种物质进行了重复验证，确认是发现了新元素；于1877年将原来的氧化铒改称为氧化铽，其中所含的新元素命名为铽，以纪念意忒耳比镇。[13][14]

铽的分布

铽是镧lán系稀土元素，在地壳中的丰度很低，仅为1.1ppm，在稀土元素丰度中位列第14位，仅仅高于铥diū、镥lǔ和钷pǒ，常常以化合物的形式存在于磷钇yǐ矿和黑稀金矿内，少量存在于磷铈shì钍tǔ砂和硅铍钇矿中，通常与其他稀土元素共存。[15][11]

电子结构

铽的电子结构
铽的电子结构

铽的电子结构为[Xe]4f96s2。[16]铽的+3价离子半径为0.923Å，原子半径则为1.782Å。[7]

晶体结构

铽有两种晶体结构，分别为六密方堆积体结构和体心立方堆积体结构。在常温下，铽一般呈现为铽六密方堆积体结构。而在高温常压条件下，铽元素的晶体结构将会发生转变，由六密方堆积体结构转变为体心立方堆积体。[17][18]

同位素

铽有一种天然存在的稳定同位素，Tb-159；25种人工放射性同位素，Tb-140~158，Tb-160~165；其中寿命最长的放射性同位素是Tb-158，寿命为2180年；寿命最短的同位素是Tb-142，寿命为0.60秒。[19]

以下是铽常见的同位素：[20]

铽的常见同位素(类型为普朗克能量量子化假说中的最小能量值类型)
铽的常见同位素(类型为普朗克能量量子化假说中的最小能量值类型)

物理性质

铽单质
铽单质

铽的盐类化合物为无色，氧化物呈白色；[21]其金属单质呈银灰色，质地柔软，具有延展性；[22]有荧光性可发射离子荧光；[23]不溶于水，可溶于酸，电阻率为0.01145Ω·m。铽的相对密度为8.23，熔点为1360±4℃，沸点为3123℃。[24][16]温度会影响铽在磁性上的性质，铽在室温条件下具有顺磁性，而温度下降至-52.15℃之后，铽的铁磁性将展露出来。[25]

化学性质

铽属于稀土金属元素，化学活性较强[10]。常见的化合价为+3和+4。[7]室温时在空气中较稳定，在高温下则很容易被氧化，与水反应很缓慢。[17]金属铽可与含碳气体、卤素、酸、氮、磷及其他元素起作用。[26][10]

与空气反应

金属铽可在空气中缓慢氧化失去光泽形成氧化铽。[26]

与水反应

金属铽具有很强的正电性，与冷水反应缓慢，与热水反应很快。[26]

与卤素反应

金属铽可与所有卤素反应形成卤化铽。[26]

与酸的反应

金属铽很容易溶解在稀硫酸中，形成淡粉红色的的溶液。[26]

三氧化二铽

三氧化二铽
三氧化二铽

三氧化二铽是氧化铽在氢气中加热形成的氧化物，外观呈白色固体，可溶于稀酸。[27]

氧化铽

铽的氧化物
铽的氧化物

氧化铽为非化学计量的化合物，近似化学式为Tb4O7。外观上呈暗棕色或黑色固体，不溶于水，可溶于热的浓酸。可由铽的草酸盐或硫酸盐经灼烧制得，常用作磷光体激活剂。[27]

氟化铽

氟化铽化学式为TbF3，可由氢氟酸与铽盐溶液混合制取，所得产物为无色的六方晶体，不溶于水和稀酸，可用于制取金属铽。[28][29]

四氟化铽

四氟fú化铽化学式为TbF4，在一定温度下，用金属铽或它的低价化合物与氟作用即可得到四氟化铽。四氟化铽易被还原，在溶液中可被还原为三价铽离子。在室温高真空下，四氟化铽自动分解失氟。[30][31]

铽的制备

制取稀土金属常用的方法有金属热还原法和熔盐电解法。[32]金属热还原法可分为直接还原法和中间合金法。[33]

直接还原法

直接还原法的原理是用金属钙作为还原剂直接还原铽的氟化物，此法一般要求在1450℃以上的高温下进行，对于工艺设备和操作的要求较高，反应式如下：[34]

由于在高温下设备材料与金属铽的作用加剧，此法还原的金属铽常被污染而纯度降低。[34]

中间合金法

中间合金法制取金属铽的实质依旧是用金属钙作为还原剂还原铽的氟化物，但是在还原物料中加入了一定数量的熔点较低而蒸气压较高的金属元素镁和助熔剂氯化钙，还原产物为低熔点的稀土-镁中间合金。相对于直接还原法，此法降低了还原产物的熔点，对工艺设备和操作要求较低；但是在还原过程进行的同时，还存在低熔Tb-Mg合金的生成过程和CaF2·CaCl2的造渣反应，反应式如下[34]

熔盐电解法

熔盐电解法是以无水氯化稀土为原料，用氯化钾（或氯化钠）作电解质，在高温下进行电解，制备金属铽。[35]此法生产成本低且可连续生产，但产品纯度较差。[36]

应用领域

由于铽元素的稀缺性，在其被发现的很长一段时间里并未被人类真正的利用起来。[11][37]但随着全球稀土开采提炼业和电子制造业的迅猛发展。铽元素作为稀土金属元素的一员重新被人们所重视。铽的优异理化性能不断得到挖掘，在高新电子和光学领域皆得到了广泛利用。[11][38]

三基荧光粉

硝酸铽六水合物
硝酸铽六水合物

铽元素拥有十四个4f电子轨道，在外界能量的激发下，铽离子核外的电子将会转变为激发态。随后，激发态的电子向基态跃迁，由此产生波长为545nm的绿光。因此，铽成为了几乎所有稀土绿色荧光粉材料（磷酸盐基质、硅酸盐基质、铈镁铝酸盐基质）的优良激活剂。而这一现象，成为上世纪80年代，世界上第一支紧凑型节能荧光灯发明的基础。[37][11]铽的荧光性质也广泛用于医学影像学领域，利用铽的荧光性质，X放射线转化为光学影像的清晰度和灵敏度得到较好提升。并且有效减少了放射线对人体的照射剂量，保护了患者的健康。[39]

永磁材料

因为铽具有良好的顺磁性，而在低温条件下则表现出铁磁性，在信息领域以及高新制造业，铽作为提升钕铁硼材料矫顽力和温度性能的重要添加剂，被广泛运用于永磁材料之中。以高纯度铽为靶材的直流磁控溅射法成为钕nǚ铁硼生产领域的主流工艺之一，铽在永磁材料中的作用进一步上升。[11][40]

磁伸缩材料

材料在磁场作用下发生长度或体积变化的现象被称为磁致伸缩。铽元素具有承受高应变力的性质，因此被运用在该领域之中。20世纪末，美国第一次研制出了铽镝铁磁致伸缩材料。这种名叫terfenol-D的材料磁致伸缩系数，较一般磁致伸缩材料相比，可提高100-1000倍，因此铽镝铁磁致伸缩材料又被称为超磁致伸缩材料，该材料已被运用于水下勘探传感器领域和便携式扬声共振系统之中，可将任意介质变为扬声器。[37][11]

储存材料

铽元素在计算机储存领域的应用已达到成熟水平，有铽和铁混合制成的非晶态薄膜磁光光盘，相较于传统储存材料储存能力可提高10-15倍。铽制作的储存元件具有良好的可读写性，由其制作而成的高储存密度光盘，记录速度和读数敏感度都显著的得到了提升。在使用寿命方面，可实现数据反复删除写入数万次。[11][41]

农业领域

铽在农业领域，被广泛的运用在作农用稀土复合肥料和饲料添加剂领域。铽元素对提高农作物光合作用的速率、抑制农作物致病菌等领域都有良好的效果。但由于其具备一定的毒性，使用时应特别注意。[11][42]

安全事项

铽可以与水和空气发生缓慢的氧化反应，放射性同位素较多。且在危化品分类中属于F-高度易燃物品和T-有毒物品类，吸入粉尘、皮肤接触及吞食皆会引起中毒。危险品运输编号为UN 30894.1/PG 2。因此，在储藏时应特别注意，属有毒和易燃化学品。[43]

毒理

铽对于人类的毒理作用的研究较少，硝酸铽能诱发蚕豆根尖细胞产生微核。在3～24μg/mL浓度范围内，铽的毒理作用呈现剂量和效应正相关关系，有诱发染色体畸变的能力。而在3～12μg/mL浓度范围内呈剂量-效应关系，可以得知稀土元素铽会对蚕豆根尖造成一定的遗传毒性。[42]

放射性

铽的放射性损伤数据较少，在国际放射防护委员会第30号出版物第三部分的《工作人员的放射性核素摄入量限值 国际放射保护委员会第2专门委员会报告》中，依据临近的镧系元素铕yǒu在人肺中的滞留数据，将放射性铽吸入定为W类，即最大剂量为3x10-4。[44]在放射性沉积病理方面，静脉注射的铽主要沉积在肝肾和骨骼之中，肝肾中的铽代谢较快。而骨骼中的铽元素将长期沉积下去，对人体造成长期的影响。[45]

参考资料 45

  1. Terbium — webelements
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. Terbium: properties of free atoms — webelements
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  9. 参考 9
  11. https://jour.duxiu.com/JourDetail.jsp?dxNumber=100298271131&d=45DD58310769747E514B558379555A06&fenlei=1304050403
  12. 参考 12
  15. 参考 15
  19. 参考 19
  20. https://security.feishu.cn/link/safety?target=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2Furl%3Fsa%3Dt%26source%3Dweb%26rct%3Dj%26url%3Dhttps%3A%2F%2Fia800206.us.archive.org%2F16%2Fitems%2FCRC.Press.Handbook.of.Chemistry.and.Physics.85th.ed.eBook-LRN%2FCRC.Press.Handbook.of.Chemistry.and.Physics.85th.ed.eBook-LRN.pdf%26ved%3D2ahUKEwiRsffHz7_9AhWicGwGHUeCDNcQFnoECBAQAQ%26usg%3DAOvVaw2T_rxjui3yK5lYJEigxAsf&scene=ccm&logParams=%7B%22location%22%3A%22ccm_docs%22%7D&lang=zh-CN
  21. 参考 21
  23. 参考 23
  26. Terbium: reactions of elements — UK Department of Chemistry
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  38. https://jour.duxiu.com/JourDetail.jsp?dxNumber=100150262139&d=571E02AE382BD7722B0E6E8A55EB0317&fenlei=181001030604
  40. https://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbname=CDFD0911&filename=2010258382.nh
  41. https://jour.duxiu.com/JourDetail.jsp?dxNumber=100263441134&d=BB63E7C26017C2B599187310A0A8FB7A&fenlei=1304080105
  42. https://jour.duxiu.com/JourDetail.jsp?dxNumber=100192419943&d=E8A91AB82F877B0976895AE6A845C759&fenlei=1304050403
  43. 参考 43
  45. https://jour.duxiu.com/JourDetail.jsp?dxNumber=100023075593&d=F4ED974157466C6DBFF4ACA66CB9EC04&fenlei=160601%3B%7C181802
广告位：底部（ad-bottom）—— 请到中台「公共区块」编辑此内容