Terbium - Terbium
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| Terbium | |||||||||||||||||||||||
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| Prononciation |
/ T ɜːr b i ə m / ( TUR -bee-əm ) |
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| Apparence | blanc argenté | ||||||||||||||||||||||
| Poids atomique standard A r, std (Tb) | 158,925 354 (8) | ||||||||||||||||||||||
| Terbium dans le tableau périodique | |||||||||||||||||||||||
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| Numéro atomique ( Z ) | 65 | ||||||||||||||||||||||
| Grouper | groupe n/a | ||||||||||||||||||||||
| Période | période 6 | ||||||||||||||||||||||
| Bloquer | f-bloc | ||||||||||||||||||||||
| Configuration électronique | [ Xe ] 4f 9 6s 2 | ||||||||||||||||||||||
| Électrons par coquille | 2, 8, 18, 27, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||
| Propriétés physiques | |||||||||||||||||||||||
| Phase à STP | solide | ||||||||||||||||||||||
| Point de fusion | 1629 K (1356 °C, 2473 °F) | ||||||||||||||||||||||
| Point d'ébullition | 3396 K (3123 °C, 5653 °F) | ||||||||||||||||||||||
| Densité (près de rt ) | 8,23 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
| quand liquide (au mp ) | 7,65 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||
| Température de fusion | 10,15 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
| Chaleur de vaporisation | 391 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||
| Capacité calorifique molaire | 28,91 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||
La pression de vapeur
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| Propriétés atomiques | |||||||||||||||||||||||
| États d'oxydation | 0, +1, +2, +3 , +4 (un oxyde faiblement basique ) | ||||||||||||||||||||||
| Électronégativité | Échelle de Pauling : 1.2 (?) | ||||||||||||||||||||||
| Énergies d'ionisation | |||||||||||||||||||||||
| Rayon atomique | empirique : 177 h | ||||||||||||||||||||||
| Rayon covalent | 194±17h | ||||||||||||||||||||||
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| Autres propriétés | |||||||||||||||||||||||
| Occurrence naturelle | primordial | ||||||||||||||||||||||
| Structure en cristal | hexagonale compacte (hcp) |
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| Vitesse du son tige mince | 2620 m/s (à 20 °C) | ||||||||||||||||||||||
| Dilatation thermique | à rt , poly : 10,3 µm/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
| Conductivité thermique | 11,1 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||
| Résistivité électrique | , poly : 1.150 µΩ⋅m (à rt ) | ||||||||||||||||||||||
| Commande magnétique | paramagnétique à 300 K | ||||||||||||||||||||||
| Susceptibilité magnétique molaire | +146 000 × 10 −6 cm 3 /mol (273 K) | ||||||||||||||||||||||
| Module d'Young | forme : 55.7 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Module de cisaillement | forme : 22,1 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Module de vrac | forme : 38,7 GPa | ||||||||||||||||||||||
| Coefficient de Poisson | forme : 0,261 | ||||||||||||||||||||||
| Dureté Vickers | 450-865 MPa | ||||||||||||||||||||||
| dureté Brinell | 675-1200 MPa | ||||||||||||||||||||||
| Numero CAS | 7440-27-9 | ||||||||||||||||||||||
| Histoire | |||||||||||||||||||||||
| Appellation | après Ytterby (Suède), où il a été extrait | ||||||||||||||||||||||
| Découverte et premier isolement | Carl Gustav Mosander (1843) | ||||||||||||||||||||||
| Principaux isotopes du terbium | |||||||||||||||||||||||
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Terbium est un élément chimique avec le symbole Tb et de numéro atomique 65. Il est un blanc-argenté, de terre rare métal qui est malléable , ductile , et suffisamment souple pour être coupé avec un couteau. Neuvième membre de la série des lanthanides , le terbium est un métal assez électropositif qui réagit avec l'eau en dégageant de l' hydrogène gazeux. Le terbium ne se trouve jamais dans la nature en tant qu'élément libre, mais il est contenu dans de nombreux minéraux , notamment la cérite , la gadolinite , la monazite , la xénotime et l' euxénite .
Le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander a découvert le terbium comme élément chimique en 1843. Il l'a détecté comme une impureté dans l'oxyde d'yttrium , Y
2O
3. L'yttrium et le terbium, ainsi que l' erbium et l' ytterbium , tirent leur nom du village d' Ytterby en Suède. Le terbium n'a pas été isolé sous forme pure jusqu'à l'avènement des techniques d' échange d'ions .
Le terbium est utilisé pour doper le fluorure de calcium, le tungstate de calcium et le molybdate de strontium , des matériaux utilisés dans les dispositifs à semi-conducteurs , et comme stabilisateur cristallin des piles à combustible qui fonctionnent à des températures élevées. En tant que composant du Terfenol-D (un alliage qui se dilate et se contracte lorsqu'il est exposé à des champs magnétiques plus que tout autre alliage), le terbium est utilisé dans les actionneurs , dans les systèmes de sonars navals et dans les capteurs .
La majeure partie de l'approvisionnement mondial en terbium est utilisée dans les phosphores verts. L' oxyde de terbium se trouve dans les lampes fluorescentes et les tubes cathodiques (CRT) de télévision et de moniteur . Les phosphores vert terbium sont combinés avec des phosphores bleu europium divalents et des phosphores rouges europium trivalents pour fournir une technologie d'éclairage trichromatique , une lumière blanche à haute efficacité utilisée pour l'éclairage standard dans l'éclairage intérieur.
Caractéristiques
Propriétés physiques
Terbium est un blanc argenté terre rare métal qui est malléable , ductile et suffisamment doux pour être coupé avec un couteau. Il est relativement stable dans l'air par rapport aux lanthanides antérieurs plus réactifs de la première moitié de la série des lanthanides. Le terbium existe dans deux allotropes cristallins avec une température de transformation de 1289 °C entre eux. Les 65 électrons d'un atome de terbium sont disposés dans la configuration électronique [Xe]4f 9 6s 2 ; normalement, seuls trois électrons peuvent être retirés avant que la charge nucléaire ne devienne trop importante pour permettre une ionisation supplémentaire, mais dans le cas du terbium, la stabilité de la configuration [Xe]4f 7 à moitié remplie permet une ionisation supplémentaire d'un quatrième électron en présence d'agents oxydants très forts tels que le fluor gazeux.
Le cation terbium(III) est brillamment fluorescent , dans une couleur jaune citron brillante qui est le résultat d'une forte raie d'émission verte en combinaison avec d'autres raies orange et rouge. La variété yttrofluorite de la fluorine minérale doit sa fluorescence jaune crème en partie au terbium. Le terbium s'oxyde facilement, et est donc utilisé sous sa forme élémentaire spécifiquement pour la recherche. Des atomes de terbium isolés ont été isolés en les implantant dans des molécules de fullerène .
Le terbium a un ordre ferromagnétique simple à des températures inférieures à 219 K. Au-dessus de 219 K, il se transforme en un état antiferromagnétique hélicoïdal dans lequel tous les moments atomiques d'une couche plane de base particulière sont parallèles et orientés à un angle fixe par rapport aux moments de couches. Cet antiferromagnétisme inhabituel se transforme en un état paramagnétique désordonné à 230 K.
Propriétés chimiques
Le terbium métallique est un élément électropositif et s'oxyde en présence de la plupart des acides (comme l'acide sulfurique), de tous les halogènes et même de l'eau.
- 2 To(s) + 3 H
2DONC
4→ 2 To 3+ + 3 SO2−
4 + 3H
2?? - 2 To(s) + 6 H
2O → 2 Tb(OH)
3 + 3H
2??
Le terbium s'oxyde également facilement dans l'air pour former un oxyde mixte de terbium(III,IV) :
- 8 To + 7 O
2 → 2 To
4O
7
L'état d'oxydation le plus courant du terbium est +3 (trivalent), tel que TbCl
3. A l'état solide, le terbium tétravalent est également connu, dans des composés tels que le TbO
2et TbF
4. En solution, le terbium forme généralement des espèces trivalentes, mais peut être oxydé à l'état tétravalent avec de l' ozone dans des conditions aqueuses très basiques.
La coordination et la chimie organométallique du terbium sont similaires à celles des autres lanthanides. Dans des conditions aqueuses, le terbium peut être coordonné par neuf molécules d' eau , qui sont disposées dans une géométrie moléculaire prismatique trigonale tricoiffée . Des complexes de terbium avec un nombre de coordination inférieur sont également connus, généralement avec des ligands volumineux comme le bis(triméthyl-silylamide) , qui forme le Tb[N(SiMe
3)
2]
3 complexe.
La plupart des complexes de coordination et organométalliques contiennent du terbium à l'état d'oxydation trivalent. Des complexes divalents (Tb 2+ ) sont également connus, généralement avec des ligands de type cyclopentadiényle volumineux. Quelques composés de coordination contenant du terbium à l'état tétravalent sont également connus.
Composés
2(DONC
4)
3 (en haut), émet une fluorescence verte sous lumière ultraviolette (en bas)
Le terbium se combine avec l'azote, le carbone, le soufre, le phosphore, le bore, le sélénium, le silicium et l'arsenic à des températures élevées, formant divers composés binaires tels que le TbH
2, TbH
3, TbB
2, To
2S
3, TbSe , TbTe et TbN . Dans ces composés, le Tb présente principalement les états d'oxydation +3 et parfois +2. Les halogénures de terbium(II) sont obtenus par recuit d'halogénures de Tb(III) en présence de Tb métallique dans des récipients en tantale. Le terbium forme également du sesquichlorure Tb
2Cl
3, qui peut être encore réduit en TbCl par recuit à 800 °C. Ce chlorure de terbium(I) forme des plaquettes avec une structure en couches de type graphite.
D'autres composés comprennent
Le fluorure de terbium (IV) est un agent de fluoration puissant, émettant du fluor atomique relativement pur lorsqu'il est chauffé plutôt que le mélange de vapeurs de fluorure émis par le CoF
3ou CeF
4.
Isotopes
Le terbium naturel est composé de son seul isotope stable , le terbium-159 ; l'élément est donc mononucléidique et monoisotopique . Trente-six radio - isotopes ont été caractérisés, le plus lourd étant le terbium-171 (avec une masse atomique de 170,95330(86) u ) et le plus léger étant le terbium-135 (masse exacte inconnue). Les radio - isotopes synthétiques les plus stables du terbium sont le terbium-158, avec une demi-vie de 180 ans, et le terbium-157, avec une demi-vie de 71 ans. Tous les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies bien inférieures à un quart d'année, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies inférieures à une demi-minute. Le mode de désintégration primaire avant l'isotope stable le plus abondant, 159 Tb, est la capture d'électrons , qui entraîne la production d' isotopes de gadolinium , et le mode primaire après est la désintégration bêta moins , entraînant des isotopes de dysprosium .
L'élément a également 27 isomères nucléaires , avec des masses de 141-154, 156 et 158 (tous les nombres de masse ne correspondent pas à un seul isomère). Les plus stables d'entre eux sont le terbium-156m, avec une demi-vie de 24,4 heures, et le terbium-156m2, avec une demi-vie de 22,7 heures ; c'est plus long que les demi-vies de la plupart des états fondamentaux des isotopes radioactifs du terbium, à l'exception de ceux avec des nombres de masse 155-161.
Histoire
Le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander a découvert le terbium en 1843. Il l'a détecté comme une impureté dans l'oxyde d'yttrium , Y
2O
3. Yttrium tire son nom du village d' Ytterby en Suède . Le terbium n'a pas été isolé sous forme pure jusqu'à l'avènement des techniques d' échange d'ions .
Mosander a d'abord séparé l'yttria en trois fractions, toutes nommées pour le minerai : yttria, erbia et terbia. "Terbia" était à l'origine la fraction qui contenait la couleur rose, en raison de l'élément maintenant connu sous le nom d' erbium . "Erbia" (contenant ce qui est maintenant connu sous le nom de terbium) était à l'origine la fraction qui était essentiellement incolore en solution. L'oxyde insoluble de cet élément s'est révélé teinté de brun.
Les travailleurs ultérieurs ont eu des difficultés à observer le mineur incolore "erbia", mais la fraction rose soluble était impossible à manquer. Les arguments allaient et venaient pour savoir si l'erbia existait même. Dans la confusion, les noms d'origine se sont inversés et l'échange de noms est resté, de sorte que la fraction rose a finalement fait référence à la solution contenant de l'erbium (qui en solution, est rose). On pense maintenant que les travailleurs utilisant des sulfates doubles de sodium ou de potassium pour éliminer l'oxyde de cérium de l'yttria ont perdu par inadvertance le terbium dans le précipité contenant de l'oxyde de cérium. Ce qui est maintenant connu sous le nom de terbium ne représentait qu'environ 1% de l'yttria d'origine, mais cela était suffisant pour conférer une couleur jaunâtre à l'oxyde d'yttrium. Ainsi, le terbium était un composant mineur dans la fraction d'origine le contenant, où il était dominé par ses voisins immédiats, le gadolinium et le dysprosium .
Par la suite, chaque fois que d'autres terres rares ont été taquinées en dehors de ce mélange, quelle que soit la fraction qui a donné l'oxyde brun a conservé le nom de terbium, jusqu'à ce qu'enfin l'oxyde de terbium brun soit obtenu sous forme pure. Les chercheurs du XIXe siècle n'ont pas bénéficié de la technologie de fluorescence UV pour observer la fluorescence jaune ou verte brillante du Tb(III) qui aurait rendu le terbium plus facile à identifier dans les mélanges ou solutions solides.
Occurrence
Le terbium est contenu avec d'autres éléments des terres rares dans de nombreux minéraux, y compris la monazite ( (Ce,La,Th,Nd,Y)PO
4avec jusqu'à 0,03 % de terbium), xenotime ( YPO
4) et euxénite ( (Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)
2O
6avec 1% ou plus de terbium). L'abondance du terbium dans la croûte est estimée à 1,2 mg/kg. Aucun minéral à dominance de terbium n'a encore été trouvé.
Actuellement, les sources commerciales les plus riches en terbium sont les argiles à adsorption ionique du sud de la Chine ; les concentrés contenant environ les deux tiers en poids d'oxyde d'yttrium ont environ 1 % de terbia. De petites quantités de terbium sont présentes dans la bastnäsite et la monazite; lorsque ceux-ci sont traités par extraction au solvant pour récupérer les précieux lanthanides lourds sous forme de concentré de samarium - europium - gadolinium , le terbium y est récupéré. En raison des grands volumes de bastnäsite traités par rapport aux argiles à adsorption ionique, une proportion importante de l'approvisionnement mondial en terbium provient de la bastnäsite.
En 2018, une alimentation riche en terbium a été découvert au large des côtes du Japon de Minamitori île , avec l'offre déclarée étant « suffisant pour répondre à la demande mondiale de 420 ans ».
Production
Les minéraux contenant du terbium broyés sont traités avec de l'acide sulfurique concentré chaud pour produire des sulfates hydrosolubles de terres rares. Les filtrats acides sont partiellement neutralisés avec de la soude caustique à pH 3-4. Le thorium précipite hors de la solution sous forme d'hydroxyde et est éliminé. Après cela, la solution est traitée avec de l'oxalate d'ammonium pour convertir les terres rares en leurs oxalates insolubles . Les oxalates sont décomposés en oxydes par chauffage. Les oxydes sont dissous dans l'acide nitrique qui exclut l'un des principaux composants, le cérium, dont l'oxyde est insoluble dans le HNO
3. Le terbium est séparé sous forme de sel double avec du nitrate d'ammonium par cristallisation.
La routine de séparation la plus efficace pour le sel de terbium de la solution de sel de terre rare est l' échange d'ions . Dans ce procédé, les ions de terres rares sont sorbés sur une résine échangeuse d'ions appropriée par échange avec des ions hydrogène, ammonium ou cuivrique présents dans la résine. Les ions de terres rares sont ensuite lavés sélectivement par des agents complexants appropriés. Comme pour les autres terres rares, le terbium métallique est produit en réduisant le chlorure ou le fluorure anhydre avec du calcium métallique. Les impuretés de calcium et de tantale peuvent être éliminées par refusion sous vide, distillation, formation d'amalgame ou fusion de zone .
Applications
Le terbium est utilisé comme dopant dans le fluorure de calcium , le tungstate de calcium et le molybdate de strontium , des matériaux utilisés dans les dispositifs à semi-conducteurs, et comme stabilisateur cristallin des piles à combustible qui fonctionnent à des températures élevées, avec le ZrO
2.
Le terbium est également utilisé dans les alliages et dans la production d'appareils électroniques. En tant que composant du Terfenol-D , le terbium est utilisé dans les actionneurs , dans les systèmes de sonar navals , les capteurs , dans le dispositif SoundBug (sa première application commerciale) et d'autres dispositifs magnétomécaniques. Le terfénol-D est un alliage de terbium qui se dilate ou se contracte en présence d'un champ magnétique. Il a la magnétostriction la plus élevée de tous les alliages .
L' oxyde de terbium est utilisé dans les phosphores verts des lampes fluorescentes et des tubes de télévision couleur. Le borate de terbium de sodium est utilisé dans les appareils à semi-conducteurs . La fluorescence brillante permet au terbium d'être utilisé comme sonde en biochimie, où il ressemble quelque peu au calcium dans son comportement. Les phosphores "verts" de terbium (qui émettent une fluorescence jaune citron brillant) sont combinés avec des phosphores bleu europium divalents et des phosphores rouges europium trivalents pour fournir la technologie d'éclairage trichromatique qui est de loin le plus gros consommateur de l'approvisionnement mondial en terbium. L'éclairage trichromatique fournit un rendement lumineux beaucoup plus élevé pour une quantité donnée d'énergie électrique que l' éclairage à incandescence .
Le terbium est également utilisé pour détecter les endospores , car il agit comme un dosage de l'acide dipicolinique basé sur la photoluminescence .
Précautions
Comme pour les autres lanthanides , les composés de terbium sont de toxicité faible à modérée, bien que leur toxicité n'ait pas été étudiée en détail. Le terbium n'a pas de rôle biologique connu.