Terbio

El terbio es un elemento químico con el símbolo Tb y el número atómico 65. Es un metal de tierra rara de color blanco plateado que es maleable y dúctil. El noveno miembro de la serie de los lantánidos, el terbio es un metal bastante electropositivo que reacciona con el agua, produciendo hidrógeno gaseoso. El terbio nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre, pero está contenido en muchos minerales, como la cerita, la gadolinita, la monacita, la xenotima y la euxenita.

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 el fluoruro de calcio, el tungstato de calcio y el molibdato de estroncio en dispositivos de estado sólido, y como estabilizador de cristal de celdas 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 usa en actuadores, en sistemas de sonar navales y en sensores.

La mayor parte del suministro mundial de terbio se utiliza en fósforos verdes. El óxido de terbio se encuentra en las lámparas fluorescentes y en los tubos de rayos catódicos (CRT) de televisores y monitores. Los fósforos verdes de terbio se combinan con fósforos azules de europio divalentes y fósforos rojos de europio trivalentes para proporcionar tecnología de iluminación tricromática, una luz blanca de alta eficiencia utilizada para iluminación estándar en iluminación interior.

Características

Propiedades físicas

Terbium es un metal de tierra rara de color blanco plateado que es maleable, dúctil y lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo. Es relativamente estable en el aire en comparación con los lantánidos anteriores más reactivos de la primera mitad de la serie de los lantánidos. El terbio existe en dos cristales alótropos con una temperatura de transformación de 1289 °C entre ellos. Los 65 electrones de un átomo de terbio están dispuestos en la configuración electrónica [Xe]4f 6s; 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 [Xe]4f medio llena permite una mayor ionización de un cuarto electrón en presencia de agentes oxidantes muy fuertes como el gas flúor.

El catión terbio(III) es brillantemente fluorescente, en 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 de itrofluorita del mineral fluorita debe su fluorescencia de color amarillo cremoso en parte al terbio. Terbium 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.

El terbio tiene un ordenamiento ferromagnético simple a temperaturas por debajo de 219 K. Por encima de 219 K, se convierte en un estado helicoidal antiferromagnético en el que todos los momentos atómicos en una capa del plano basal en particular son paralelos y están orientados en un ángulo fijo a los momentos de adyacentes. capas. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado paramagnético desordenado a 230 K.

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 agua.2 Tb (s) + 3 H ₂ SO ₄ → 2 Tb + 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 un óxido mixto de terbio (III, IV):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. En solución, el terbio típicamente forma especies trivalentes, pero puede oxidarse al estado tetravalente con ozono en condiciones acuosas altamente básicas.

La química organometálica y de coordinación del terbio es similar a la de otros lantánidos. En condiciones acuosas, el terbio puede estar 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, normalmente 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 el estado de oxidación trivalente. También se conocen complejos divalentes (Tb), normalmente con ligandos voluminosos de tipo ciclopentadienilo. También se conocen algunos compuestos de coordinación que contienen terbio en su estado tetravalente.

Estados de oxidación

Como la mayoría de los elementos de tierras raras y los lantánidos, el terbio generalmente se encuentra en el estado de oxidación +3. Sin embargo, es posible que el terbio también se encuentre en los estados de oxidación 0, +1, +2 y +4.

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. En esos compuestos, la Tb exhibe 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 se puede reducir aún más a TbCl recociendo a 800 °C. Este cloruro de terbio (I) forma plaquetas con una estructura en capas similar al grafito.

Otros compuestos incluyen

• Cloruros: TbCl ₃
• Bromuros: TbBr ₃
• Yoduros: TbI ₃
• Fluoruros: TbF ₃, TbF ₄

El fluoruro de terbio (IV) es un agente de fluoración fuerte que emite flúor atómico relativamente puro cuando se calienta, en lugar de la mezcla de vapores de fluoruro emitidos por CoF ₃ o CeF ₄.

Isótopos

El terbio natural se compone de su único isótopo estable, el terbio-159; el elemento es así mononucleídico y monoisotópico. Se han caracterizado treinta y seis radioisótopos, siendo el más pesado el terbio-171 (con una masa atómica de 170,95330(86) u) y el más ligero el terbio-135 (masa exacta desconocida). Los radioisótopos sintéticos de terbio más estables 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 estos tienen vidas medias que son menos de medio minuto. El modo de decaimiento primario antes del isótopo estable más abundante,Tb, es la captura de electrones, lo que da como resultado la producción de isótopos de gadolinio, y el modo principal después es la desintegración beta menos, lo que da como resultado isótopos de disprosio.

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.

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.

Mosander primero separó la itria en tres fracciones, todas llamadas así por el mineral: itria, erbia y terbia. "Terbia" era originalmente la fracción que contenía el color rosa, debido al elemento que ahora se conoce 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 la fracción rosa soluble era imposible de pasar por alto. Los argumentos iban y venían sobre si erbia existía. En la confusión, los nombres originales se invirtieron y el intercambio de nombres se mantuvo, de modo que la fracción rosa se refirió finalmente a la solución que contenía erbio (que en solución es rosa). Ahora se cree que los trabajadores que utilizan sulfatos dobles de sodio o potasio para eliminar la ceria de la itria perdieron inadvertidamente el terbio en el precipitado que contenía la 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. Por lo tanto, el terbio era un componente menor en la fracción original que lo contenía, donde estaba dominado por sus vecinos inmediatos,

A partir de entonces, cada vez que se separaban otras tierras raras de esta mezcla, la fracción que daba el óxido marrón retenía el nombre de terbio, hasta que finalmente se obtenía el óxido marrón de terbio en forma pura. Los investigadores del siglo XIX no contaban con el beneficio de la tecnología de fluorescencia UV 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.

Ocurrencia

El terbio se encuentra 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), la xenotima (YPO ₄) y la euxenita ((Y,Ca, Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti) ₂ O ₆ con 1% o más de terbio). La abundancia de terbio en la corteza se estima en 1,2 mg/kg. Aún no se ha encontrado ningún mineral con dominancia de terbio.

Actualmente, las fuentes comerciales más ricas de terbio son las arcillas de adsorción de iones del sur de China; los concentrados con alrededor de dos tercios de óxido de itrio en peso tienen alrededor de 1% de terbia. Pequeñas cantidades de terbio ocurren en bastnasita y monacita; cuando estos se procesan mediante extracción con disolventes para recuperar los valiosos lantánidos pesados ​​como concentrado de samario-europio-gadolinio, se recupera terbio en ellos. Debido a los grandes volúmenes de bastnäsita procesada en relación con las arcillas de adsorción de iones, una proporción significativa del suministro mundial de terbio proviene de bastnäsita.

En 2018, se descubrió un rico suministro de terbio frente a la costa de la isla Minamitori de Japón, y el suministro declarado fue "suficiente para satisfacer la demanda mundial durante 420 años".

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 soda cáustica a pH 3–4. El torio precipita de la solución como 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 principales componentes, el cerio, cuyo óxido es insoluble en HNO ₃. El terbio se separa como una sal doble con nitrato de amonio por cristalización.

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 el intercambio con iones de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. A continuación, los iones de tierras raras se eliminan 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 tantalio se pueden eliminar mediante refundición al vacío, destilación, formación de amalgama o fusión por zonas.

Aplicaciones

El terbio se usa como dopante en fluoruro de calcio, tungstato de calcio y molibdato de estroncio, materiales que se usan en dispositivos de estado sólido, y como estabilizador de cristal de celdas de combustible que operan a temperaturas elevadas, junto con ZrO ₂.

Terbium también se usa en aleaciones y en la producción de dispositivos electrónicos. Como componente de Terfenol-D, el terbio se usa en actuadores, en sistemas de sonar navales, sensores, en el dispositivo SoundBug (su primera aplicación comercial) y otros dispositivos magnetomecánicos. Terfenol-D es una aleación de terbio que se expande o contrae en presencia de un campo magnético. Tiene la magnetoestricción más alta de cualquier aleación.

El óxido de terbio se usa en fósforos verdes en lámparas fluorescentes y tubos de TV en color. El borato de terbio y sodio se utiliza en dispositivos de estado sólido. La brillante fluorescencia permite que el terbio se use como sonda en bioquímica, donde se parece un poco al calcio en su comportamiento. Los fósforos "verdes" de terbio (que emiten un color amarillo limón brillante) se combinan con fósforos azules de europio divalentes y fósforos rojos de europio trivalentes para proporcionar la tecnología de iluminación tricromática que es, con mucho, el mayor consumidor de suministro de terbio del mundo. La iluminación tricromática proporciona una salida de luz mucho mayor para una cantidad determinada de energía eléctrica que la iluminación incandescente.

Terbium también se usa para detectar endosporas, ya que actúa como un ensayo de ácido dipicolínico basado en la fotoluminiscencia.

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. Terbium no tiene ningún papel biológico conocido.