El terbio es un elemento químico con el símbolo Tb y número atómico 65. Es un metal de tierras raras de color blanco plateado que es maleable , dúctil y lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo. El noveno miembro de la serie de los lantánidos , el terbio es un metal bastante electropositivo que reacciona con el agua y genera gas hidrógeno . El terbio nunca se encuentra en la naturaleza como un elemento libre, pero está contenido en muchos minerales , como cerita , gadolinita , monacita , xenotima.y euxenita .
Terbio | |||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / T ɜr b i ə m / | ||||||||||||||||||||||
Apariencia | blanco plateado | ||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, std (Tb) | 158,925 354 (8) [1] | ||||||||||||||||||||||
Terbio en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | sesenta y cinco | ||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo n / a | ||||||||||||||||||||||
Período | período 6 | ||||||||||||||||||||||
Cuadra | f-bloque | ||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Xe ] 4f 9 6s 2 | ||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1629 K (1356 ° C, 2473 ° F) | ||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 3396 K (3123 ° C, 5653 ° F) | ||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 8,23 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 7,65 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 10,15 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 391 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 28,91 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | 0, [2] +1, +2, +3 , +4 (un óxido débilmente básico ) | ||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,2 (?) | ||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 177 pm | ||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 194 ± 5 pm | ||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de terbio | |||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | hexagonal compacto (hcp) | ||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 2620 m / s (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | a rt α, poli: 10,3 µm / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 11,1 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | α, poli: 1.150 µΩ⋅m (a rt ) | ||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético a 300 K | ||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | +146 000 × 10 −6 cm 3 / mol (273 K) [3] | ||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | Forma α: 55,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | Forma α: 22,1 GPa | ||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | Forma α: 38,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | forma α: 0,261 | ||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 450–865 MPa | ||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 675-1200 MPa | ||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-27-9 | ||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||
Nombrar | después de Ytterby (Suecia), donde se extrajo | ||||||||||||||||||||||
Descubrimiento y primer aislamiento | Carl Gustaf Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||
Principales isótopos del terbio | |||||||||||||||||||||||
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El químico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el terbio como elemento químico en 1843. Lo detectó como una impureza en el óxido de itrio , Y 2 O 3 . El itrio y el terbio, así como el erbio y el iterbio , llevan el nombre del pueblo de Ytterby en Suecia. El terbio no se aisló en forma pura hasta el advenimiento de las técnicas de intercambio iónico .
El terbio se utiliza para dopar fluoruro de calcio , tungstato de calcio y molibdato de estroncio , materiales que se utilizan en dispositivos de estado sólido y como estabilizador de cristal de pilas de combustible que funcionan a temperaturas elevadas. Como componente del Terfenol-D (una aleación que se expande y contrae cuando se expone a campos magnéticos más que cualquier otra aleación), el terbio se utiliza en actuadores , sistemas de sonar navales y sensores .
La mayor parte del suministro de terbio del mundo se utiliza en fósforos verdes. El óxido de terbio se encuentra en las lámparas fluorescentes y en los tubos de rayos catódicos de monitorización y televisión (CRT). Los fósforos de verde terbio se combinan con fósforos de azul de europio divalente y fósforo de rojo de europio trivalente para proporcionar tecnología de iluminación tricromática , una luz blanca de alta eficiencia utilizada para iluminación estándar en iluminación interior.
Caracteristicas
Propiedades físicas
El terbio es un metal de tierras raras de color blanco plateado que es maleable , dúctil y lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo. [4] Es relativamente estable en el aire en comparación con los primeros lantánidos más reactivos de la primera mitad de la serie de lantánidos. [5] El terbio existe en dos cristales alótropos con una temperatura de transformación de 1289 ° C entre ellos. [4] Los 65 electrones de un átomo de terbio están dispuestos en la configuración electrónica [Xe] 4f 9 6s 2 ; normalmente, solo se pueden eliminar tres electrones antes de que la carga nuclear sea demasiado grande para permitir una mayor ionización, pero en el caso del terbio, la estabilidad de la configuración de [Xe] 4f 7 medio llena permite una mayor ionización de un cuarto electrón en presencia de agentes oxidantes muy fuertes como el gas flúor . [4]
El catión terbio (III) es brillantemente fluorescente , de un color amarillo limón brillante que es el resultado de una fuerte línea de emisión verde en combinación con otras líneas en naranja y rojo. La variedad itrofluorita del mineral fluorita debe su fluorescencia de color amarillo cremoso en parte al terbio. El terbio se oxida fácilmente y, por lo tanto, se usa en su forma elemental específicamente para la investigación. Se han aislado átomos de terbio individuales implantándolos en moléculas de fullereno . [6]
El terbio tiene un orden ferromagnético simple a temperaturas por debajo de 219 K. Por encima de 219 K, se convierte en un estado antiferromagnético helicoidal en el que todos los momentos atómicos en una capa del plano basal particular son paralelos y están orientados en un ángulo fijo a los momentos adyacentes. capas. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado paramagnético desordenado a 230 K. [7]
Propiedades químicas
El terbio metálico es un elemento electropositivo y se oxida en presencia de la mayoría de los ácidos (como el ácido sulfúrico), todos los halógenos e incluso el agua. [8]
- 2 Tb (s) + 3 H 2 SO 4 → 2 Tb 3+ + 3 SO2−
4+ 3 H 2 ↑ - 2 Tb + 3 X 2 → 2 TbX 3 (X = F , Cl , Br , I )
- 2 Tb (s) + 6 H 2 O → 2 Tb (OH) 3 + 3 H 2 ↑
El terbio también se oxida fácilmente en el aire para formar una mezcla de óxido de terbio (III, IV) : [8]
- 8 Tb + 7 O 2 → 2 Tb 4 O 7
El estado de oxidación más común del terbio es +3 (trivalente), como TbCl3. En estado sólido, también se conoce el terbio tetravalente, en compuestos como TbO 2 y TbF 4 . [9] En solución, el terbio forma típicamente especies trivalentes, pero puede oxidarse al estado tetravalente con ozono en condiciones acuosas muy básicas. [10]
La coordinación y la química organometálica del terbio es similar a la de otros lantánidos. En condiciones acuosas, el terbio puede ser coordinado por nueve moléculas de agua , que están dispuestas en una geometría molecular prismática trigonal tricapada . También se conocen complejos de terbio con menor número de coordinación, típicamente con ligandos voluminosos como bis (trimetilsililamida) , que forma el complejo de tres coordenadas Tb [N (SiMe 3 ) 2 ] 3 .
La mayoría de los complejos organometálicos y de coordinación contienen terbio en estado de oxidación trivalente. También se conocen complejos divalentes (Tb 2+ ), normalmente con ligandos de tipo ciclopentadienilo voluminosos. [11] [12] [13] También se conocen algunos compuestos de coordinación que contienen terbio en su estado tetravalente. [14] [15] [16]
Compuestos
El terbio se combina con nitrógeno, carbono, azufre, fósforo, boro, selenio, silicio y arsénico a temperaturas elevadas, formando varios compuestos binarios como TbH 2 , TbH 3 , TbB 2 , Tb 2 S 3 , TbSe, TbTe y TbN . [17] En esos compuestos, la Tb presenta principalmente los estados de oxidación +3 y, a veces, +2. Los halogenuros de terbio (II) se obtienen recociendo los halogenuros de Tb (III) en presencia de Tb metálico en recipientes de tantalio. El terbio también forma sesquicloruro Tb 2 Cl 3 , que puede reducirse aún más a TbCl mediante el recocido a 800 ° C. Este cloruro de terbio (I) forma plaquetas con una estructura en capas similar al grafito. [18]
Otros compuestos incluyen
- Cloruros : TbCl 3
- Los bromuros : TBBR 3
- Yoduros : TbI 3
- Fluoruros : TbF 3 , TbF 4
El fluoruro de terbio (IV) es un agente fluorante fuerte, que emite flúor atómico relativamente puro cuando se calienta [19] en lugar de la mezcla de vapores de fluoruro emitidos por CoF 3 o CeF 4 .
Isótopos
El terbio natural está compuesto por su único isótopo estable , terbio-159; el elemento es, por tanto, mononuclídico y monoisotópico . Se han caracterizado treinta y seis radioisótopos , siendo el más pesado el terbio-171 (con masa atómica de 170,95330 (86) u ) y el más ligero el terbio-135 (masa exacta desconocida). [20] Los radioisótopos sintéticos más estables del terbio son el terbio-158, con una vida media de 180 años, y el terbio-157, con una vida media de 71 años. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias que son mucho menos de un cuarto de año, y la mayoría de ellos tienen vidas medias que son menos de medio minuto. [20] El modo de desintegración primario antes del isótopo estable más abundante, 159 Tb, es la captura de electrones , que da como resultado la producción de isótopos de gadolinio , y el modo primario después es la desintegración beta menos , lo que resulta en isótopos de disprosio . [20]
El elemento también tiene 27 isómeros nucleares , con masas de 141-154, 156 y 158 (no todos los números de masa corresponden a un solo isómero). Los más estables son el terbio-156m, con una vida media de 24,4 horas, y el terbio-156m2, con una vida media de 22,7 horas; esto es más largo que las vidas medias de la mayoría de los estados fundamentales de los isótopos de terbio radiactivo, excepto aquellos con números de masa 155-161. [20]
Historia
El químico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el terbio en 1843. Lo detectó como una impureza en el óxido de itrio , Y 2 O 3 . El itrio lleva el nombre del pueblo de Ytterby en Suecia . El terbio no se aisló en forma pura hasta el advenimiento de las técnicas de intercambio iónico . [21] [22] [23] : 701 [24] [21] [25] [26]
Mosander primero separó itria en tres fracciones, todas nombradas por el mineral: itria, erbia y terbia. "Terbia" era originalmente la fracción que contenía el color rosa, debido al elemento ahora conocido como erbio . "Erbia" (que contiene lo que ahora se conoce como terbio) originalmente era la fracción que era esencialmente incolora en solución. Se observó que el óxido insoluble de este elemento estaba teñido de marrón.
Los trabajadores posteriores tuvieron dificultades para observar la "erbia" incolora menor, pero era imposible pasar por alto la fracción rosa soluble. Las discusiones iban y venían sobre si existía la erbia. En la confusión, los nombres originales se invirtieron y el intercambio de nombres se atascó, de modo que la fracción rosa se refería finalmente a la solución que contenía erbio (que en solución es rosa). Ahora se cree que los trabajadores que utilizaron sulfatos de sodio o potasio dobles para eliminar la ceria de la itria perdieron inadvertidamente el terbio en el precipitado que contenía ceria. Lo que ahora se conoce como terbio era solo alrededor del 1% del itrio original, pero eso fue suficiente para impartir un color amarillento al óxido de itrio. Así, el terbio era un componente menor en la fracción original que lo contenía, donde estaba dominado por sus vecinos inmediatos, gadolinio y disprosio .
A partir de entonces, siempre que se separaron otras tierras raras de esta mezcla, la fracción que dio al óxido marrón retuvo el nombre de terbio, hasta que por fin, el óxido marrón de terbio se obtuvo en forma pura. Los investigadores del siglo XIX no se beneficiaron de la tecnología de fluorescencia ultravioleta para observar la fluorescencia de Tb (III) de color amarillo brillante o verde que habría facilitado la identificación del terbio en mezclas o soluciones sólidas. [22]
Ocurrencia
El terbio está contenido junto con otros elementos de tierras raras en muchos minerales, incluida la monacita ((Ce, La, Th, Nd, Y) PO 4 con hasta un 0,03% de terbio), xenotima (YPO 4 ) y euxenita ((Y, Ca, Er, La, Ce, U, Th) (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 con 1% o más de terbio). La abundancia de la corteza de terbio se estima en 1,2 mg / kg. [17] Aún no se ha encontrado ningún mineral con dominio de terbio. [27]
Actualmente, las fuentes comerciales más ricas de terbio son las arcillas de adsorción de iones del sur de China ; los concentrados con aproximadamente dos tercios de óxido de itrio en peso tienen aproximadamente un 1% de terbia. Pequeñas cantidades de terbio se encuentran en bastnäsite y monazite ; cuando se procesan mediante extracción con disolvente para recuperar los valiosos lantánidos pesados como concentrado de samario - europio - gadolinio , el terbio se recupera en ellos. Debido a los grandes volúmenes de bastnäsite procesados en relación con las arcillas de adsorción de iones, una proporción significativa del suministro mundial de terbio proviene del bastnäsite. [4]
En 2018, se descubrió un rico suministro de terbio frente a la costa de la isla de Minamitori en Japón , y el suministro declarado era "suficiente para satisfacer la demanda mundial durante 420 años". [28]
Producción
Los minerales triturados que contienen terbio se tratan con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con sosa cáustica a pH 3-4. El torio precipita de la solución en forma de hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles . Los oxalatos se descomponen en óxidos por calentamiento. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye uno de los componentes principales, el cerio, cuyo óxido es insoluble en HNO 3 . El terbio se separa como una sal doble con nitrato de amonio por cristalización. [17]
La rutina de separación más eficiente para la sal de terbio de la solución de sal de tierras raras es el intercambio iónico . En este proceso, los iones de tierras raras se absorben en una resina de intercambio iónico adecuada mediante intercambio con iones hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. A continuación, los iones de tierras raras se lavan selectivamente mediante agentes complejantes adecuados. Al igual que con otras tierras raras, el terbio metálico se produce reduciendo el cloruro o fluoruro anhidro con calcio metálico. Las impurezas de calcio y tántalo se pueden eliminar mediante fusión al vacío, destilación, formación de amalgama o fusión por zonas . [17]
Aplicaciones
El terbio se utiliza como dopante en fluoruro de calcio , tungstato de calcio y molibdato de estroncio , materiales que se utilizan en dispositivos de estado sólido, y como estabilizador de cristal de pilas de combustible que funcionan a temperaturas elevadas, junto con ZrO 2 . [4]
El terbio también se utiliza en aleaciones y en la producción de dispositivos electrónicos. Como componente de Terfenol-D , el terbio se utiliza en actuadores , en sistemas de sonar navales , sensores , en el dispositivo SoundBug (su primera aplicación comercial) y otros dispositivos magnetomecánicos. El terfenol-D es una aleación de terbio que se expande o contrae en presencia de un campo magnético. Tiene la magnetoestricción más alta de todas las aleaciones . [29]
El óxido de terbio se utiliza en fósforos verdes en lámparas fluorescentes y tubos de televisión en color. El borato de terbio de sodio se utiliza en dispositivos de estado sólido . La fluorescencia brillante permite que el terbio se utilice como sonda en bioquímica, donde se parece un poco al calcio en su comportamiento. Los fósforos "verdes" de terbio (que emiten fluorescencia con un amarillo limón brillante) se combinan con fósforos de azul europio divalente y fósforo rojo europio trivalente para proporcionar la tecnología de iluminación tricromática que es, con mucho, el mayor consumidor del suministro mundial de terbio. La iluminación tricromática proporciona una salida de luz mucho mayor para una cantidad determinada de energía eléctrica que la iluminación incandescente . [4]
El terbio también se utiliza para detectar endosporas , ya que actúa como un ensayo de ácido dipicolínico basado en fotoluminiscencia . [30]
Precauciones
Al igual que con los otros lantánidos , los compuestos de terbio tienen una toxicidad de baja a moderada, aunque su toxicidad no se ha investigado en detalle. El terbio no tiene ningún papel biológico conocido. [4]
Ver también
- Lista de elementos que enfrentan escasez
Referencias
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enlaces externos
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- Es elemental - terbio