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Compuestos de terbio

Los compuestos de terbio se excitan con luz ultravioleta a 365 nm y emiten luz verde.

Los compuestos de terbio son compuestos formados por el metal lantánido terbio (Tb). El terbio generalmente exhibe el estado de oxidación +3 en estos compuestos, como en TbCl 3 , Tb(NO 3 ) 3 y Tb(CH 3 COO) 3 . También se conocen compuestos con terbio en el estado de oxidación +4, como TbO 2 y BaTbF 6 . [1] El terbio también puede formar compuestos en los estados de oxidación 0, [2] [3] +1 [4] y +2.

El ion terbio trivalente (Tb 3+ ) es generalmente incoloro en solución acuosa, y cuando es irradiado por ciertas longitudes de onda de luz ultravioleta (como 254 nm o 365 nm) en solución o forma cristalina, emitirá fluorescencia verde. Esta propiedad ha dado lugar a aplicaciones en campos como la óptica . [5] El ion terbio tetravalente (Tb 4+ ) no es luminiscente y su coexistencia con Tb 3+ reducirá la emisión verde de Tb 3+ . [6]

Propiedades de los compuestos de terbio

Calcogenuros

Óxidos

Óxido de terbio (III, IV)

El terbio tiene una variedad de óxidos. El más fácil de obtener es el óxido de terbio (III, IV) , que se puede producir por descomposición de compuestos de terbio como el hidróxido , [23] el oxalato [24] y el p-aminobenzoato. [25] El óxido de terbio (III, IV), debido a que contiene tanto terbio trivalente como tetravalente, se puede producir al reaccionar con ácido nítrico para producir nitrato de terbio , liberando oxígeno en el proceso: [23]

2 Tb 4 O 7 + 24 HNO 3 → 8 Tb (NO 3 ) 3 + 12 H 2 O + O 2 ↑

Se refluye en una mezcla de ácido acético y ácido clorhídrico, que puede separar el terbio trivalente y tetravalente: [26]

Tb4O7 + 6HCl → 2TbO2 + 2TbCl3 + 3H2O​​

Reacciona con diciandiamida a alta temperatura para obtener Tb 2 O 2 CN 2 . [27]

Otro óxido común de terbio es el óxido de terbio (III) , que se puede obtener a partir de la reducción de hidrógeno a partir de óxido de terbio (III, IV) a 1300 °C. [28] Un semiconductor de tipo p se forma después del dopaje con calcio . [29]

El óxido de terbio (IV) se puede preparar tratando el óxido de terbio (III, IV) con ácido clorhídrico diluido , [30] su hidrato TbO 2 ·xH 2 O se puede obtener oxidando el hidróxido de terbio (III) con persulfato de potasio en presencia de nitrato de plata . [31] El óxido de terbio (IV) puede formar cristales mixtos con óxido de praseodimio (IV) . [32]

Otrocalcogenuros

El sulfuro de terbio (III) es uno de los sulfuros de terbio, que se puede obtener al reaccionar con azufre en una proporción estequiométrica. [33] También se puede obtener al reaccionar óxido de terbio (III, IV) con disulfuro de carbono y sulfuro de hidrógeno a alta temperatura. [34] Reacciona con solución de ácido fluorhídrico para dar fluoruro de terbio (III) hemihidrato. [34] El seleniuro de terbio (III) se puede obtener por la reacción del poliseleniuro de terbio TbSe 1.9 con el metal terbio , que puede formar cristales negros en forma de aguja con estructura U 2 S 3 y grupo espacial Pnma . [35] Los monocalcogenuros de terbio, TbZ (Z = S , Se o Te ), se pueden preparar al reaccionar directamente el terbio con el calcógeno correspondiente . Estos calcogenuros son negros y tienen una estructura de NaCl . Tienen conductividad metálica y están constituidos por iones Ln 3+ y Z 2- con 1 electrón de cada catión deslocalizado en una banda de conducción . [17]

Haluros y complejos halógenos

Cloruro de terbio (III) hexahidrato

El terbio puede formar cuatro trihaluros en la forma TbX 3 (X=F, Cl, Br, I), que, excepto el fluoruro, son fácilmente solubles en agua y son electrolitos fuertes en agua. Se pueden preparar haciendo reaccionar el terbio con el halógeno correspondiente : [36]

2Tb(s) + 3F2 ( g) → 2TbF3 ( s) [una sustancia blanca]
2Tb(s) + 3Cl2 ( g) → 2TbCl3 ( s) [una sustancia blanca]
2Tb(s) + 3Br2 ( g) → 2TbBr3 ( s) [una sustancia blanca]
2Tb(s) + 3I 2 (g) → 2TbI 3 (s)

Los haluros de terbio anhidros se pueden preparar haciendo reaccionar óxidos o hidratos de haluros: [37]

Tb2O3 + 6NH4Cl → 2 TbCl3 + 3H2O + 6NH3 ↑​​
TbCl 3 ·6H 2 O + 6 SOCl 2 → TbCl 3 + 6 SO 2 ↑ + 12 HCl ↑

Los haluros de terbio (II) se obtienen mediante el recocido de haluros de Tb (III) en presencia de Tb metálico en recipientes de tantalio . El terbio también forma un sesquicloruro Tb 2 Cl 3 , que puede reducirse aún más a TbCl mediante recocido a 800 °C. Este cloruro de terbio (I) forma plaquetas con una estructura en capas similar al grafito. [38]

El fluoruro de terbio (IV) es el único haluro que puede formar el terbio tetravalente y tiene fuertes propiedades oxidantes. También es un fuerte agente fluorante , que emite flúor atómico relativamente puro cuando se calienta, en lugar de la mezcla de vapores de fluoruro emitidos por el fluoruro de cobalto (III) o el fluoruro de cerio (IV) . [39] Se puede obtener haciendo reaccionar el cloruro de terbio (III) o el fluoruro de terbio (III) con gas flúor a 320 °C: [40]

2 TbF3 + F2 → 2 TbF4

Cuando se mezcla TbF 4 y CsF en una proporción estequiométrica, en una atmósfera de gas flúor, se obtiene CsTbF 5 . Es un cristal ortorrómbico , con grupo espacial Cmca , con una estructura en capas compuesta por [TbF 8 ] 4− y Cs + 11-coordinado . [41] El compuesto BaTbF 6 se puede preparar con un método similar. Es un cristal ortorrómbico, con grupo espacial Cmma . También existe el compuesto [TbF 8 ] 4− . [42]

Compuestos de organoterbio

Los compuestos de organoterbio son una clase de compuestos metálicos orgánicos que contienen enlaces Tb-C. Los complejos de ciclopentadienilo de terbio se estudiaron en la etapa inicial. Se pueden preparar mediante la reacción de ciclopentadienuro de sodio y haluro de terbio anhidro en tetrahidrofurano , como: [43]

TbCl 3 + 3 C 5 H 5 Na → (C 5 H 5 ) 3Tb + 3 NaCl
TbI 2 + 2 (C 5 H i Pr 4 )Na → (C 5 H i Pr 4 )2Tb + 2 NaI

Sin embargo, este compuesto tiene un uso y un interés académico limitados. [44]

Al igual que los otros lantánidos, los enlaces σ metal-carbono se encuentran en alquilos de terbio como [TbMe 6 ] 3− y Tb[CH(SiMe 3 ) 2 ] 3 . [44] Los alquilos y arilos se pueden preparar por metátesis en tetrahidrofurano en soluciones de éter : [17]

TbCl3 +3LiR → TbR3 + 3LiCl
TbCl3 +4LiR → Li[ TbR4 ] + 3LiCl3

Otros compuestos

Sales de oxoácidos

El sulfato de terbio (III) (Tb 2 (SO 4 ) 3 ) es un cristal incoloro (izquierda) que emite fluorescencia verde bajo luz ultravioleta (derecha).
El acetato de terbio(III) reacciona con el carbonato de cesio para formar un precipitado de hidroxicarbonato de terbio, que reacciona con el exceso de carbonato de cesio y se disuelve nuevamente. La reacción se irradió con luz ultravioleta con una longitud de onda de 365 nm, que produce la luz verde característica del terbio.

El sulfato de terbio (III) se puede obtener mediante la reacción del óxido de terbio (III, IV) y el ácido sulfúrico concentrado . Puede cristalizar cristales octahidratos incoloros en agua , que es isoestructural con el compuesto de praseodimio correspondiente . [45] El anhidrato se puede obtener calentando el octahidrato, y se produce una reacción exotérmica cuando el anhidrato se rehidrata. [46] El hidróxido de terbio (III) se puede obtener haciendo reaccionar el terbio con agua . [36] Reacciona con ácidos para producir sales de terbio (III). Se descompone en TbO(OH) a una temperatura elevada y, al calentarse más, se descompondrá en óxido de terbio (III) . [11]

El nitrato de terbio (III) se puede obtener haciendo reaccionar óxido de terbio (III) con ácido nítrico y cristalizándolo. Los cristales se secan con ácido sulfúrico al 45~55% para obtener el hexahidrato. [47] La ​​sal básica TbONO 3 se puede obtener calentando el hidrato, y su anhidrato se puede obtener mediante la reacción de óxido de terbio (III) y tetróxido de dinitrógeno . [48] El fosfato de terbio (III) se puede obtener mediante la reacción de hidrogenofosfato de diamonio y nitrato de terbio (III), y la reacción produce un monohidrato hexagonal, que puede emitir la luz verde característica del terbio (543 nm) bajo la excitación de una longitud de onda de 355 nm. [49] También se puede obtener mediante la reacción de fosfato de sodio y cloruro de terbio (III) en solución, y el dihidrato precipitado se calcina a 800 °C para obtener la forma anhidra. [50] El arseniato de terbio (III) es un cristal ortorrómbico a 77 K con grupo espacial Fddd , y sufre una transición de fase a 27,7 K para formar un cristal tetragonal con grupo espacial I 4 1 / amd , [19] que es un ferroimán por debajo de 1,5 K. [19] Se puede producir haciendo reaccionar arseniato de sodio y cloruro de terbio (III). [51] El antimoniato de terbio (III) (TbSbO 4 ) es un cristal monoclínico con grupo espacial P2 1 /m (n.º 11). [20]

El carbonato de terbio (III) se puede obtener haciendo reaccionar el cloruro de terbio (III) con una solución saturada de dióxido de carbono en bicarbonato de sodio , y el producto también necesita lavarse con agua saturada con dióxido de carbono. [52] Los germanatos Tb III 13 (GeO 4 ) 6 O 7 (OH) y K 2 Tb IV Ge 2 O 7 se pueden sintetizar a alta temperatura y presión, y son cristales incoloros de sistemas trigonales y monoclínicos , respectivamente. [53] El tetrahidrato de acetato de terbio (III) puede perder hidratación a 60 °C, obteniendo el anhidrato a 180 °C, que comienza a descomponerse a 220 °C, formando óxido de terbio a 650 °C. [54]

El borato de terbio se puede obtener haciendo reaccionar el óxido de terbio con ácido bórico : [55]

2 Tb 4 O 7 + 8 H 3 BO 3 → 8 Tb BO 3 + 12 H 2 O + O 2 ↑

El monocristal de su fase hexagonal se puede obtener por el método de Czochralski ; también puede formar un sólido del sistema triclínico, que se puede obtener por el método sol-gel. [56] Los boratos compuestos TbFe3 ( BO3 ) 4 y TbAl3 ( BO3 ) 4 también se pueden obtener por un método similar. [57] [58] El óxido de terbio (III), el cloruro de terbio (III) y el trióxido de boro reaccionan en una solución de cloruro de cesio para obtener borato de oxicloruro de terbio Tb4O4Cl ( BO3 ) , que es un cristal monoclínico con grupo espacial P21 / n . [ 59 ] Tanto el aluminato Tb3Al5O12 [ 60 ] como el galato Tb3Ga5O12 [ 61 ] [62] se pueden utilizar como materiales magnetoópticos .

Pnictidas

Todos los pnictidos de terbio forman cristales del sistema cristalino cúbico , con el grupo espacial de Fm3m . [63] [64] [65] El fosfuro de terbio se puede obtener mediante la reacción de fosfuro de sodio y cloruro de terbio (III) anhidro a 700 a 800˚C. [66] Sufre una transición de fase a 40 GPa desde una estructura de NaCl a una estructura de CsCl . [67] Se puede sinterizar con sulfuro de zinc para hacer una capa de fósforo verde. [68]

Aleaciones

Sir William Crookes, el descubridor del victorium, en 1906

Terfenol-D

El terfenol-D es una aleación de terbio, hierro y disprosio , con la fórmula de Tb x Dy 1− x Fe 2 . Fue desarrollado inicialmente en la década de 1970 por el Laboratorio de Artillería Naval en los Estados Unidos. La tecnología para fabricar el material de manera eficiente se desarrolló en la década de 1980 en el Laboratorio Ames bajo un programa financiado por la Marina de los EE. UU. [69] Tiene la magnetostricción más alta de cualquier aleación, con hasta 0,002 m/m en saturación. [70] Posee una anisotropía magnetocristalina casi nula y, por lo tanto, exhibe una magnetostricción muy grande en campos magnéticos bajos. [71] El terfenol-D se utiliza principalmente por sus propiedades magnetoestrictivas, en las que cambia de forma cuando se expone a campos magnéticos en un proceso llamado magnetización . Se ha demostrado que el tratamiento térmico magnético mejora las propiedades magnetoestrictivas del terfenol-D en un esfuerzo de compresión bajo para ciertas proporciones de Tb y Dy. [72]

Victoriano

Victorium [73] (también llamado monium, que significa "solo", porque sus líneas espectrales se encontraban solas al final del espectro ultravioleta [74] ) es una aleación de gadolinio y terbio, que fue identificada erróneamente como un elemento químico en 1898 por el químico inglés William Crookes . Identificó la nueva sustancia, basándose en un análisis de la fosforescencia única y otros fenómenos espectrales ultravioleta - visibles , como un nuevo elemento químico . Sin embargo, en 1905, el químico francés Georges Urbain había demostrado que esto era falso y, de hecho, una impureza de gadolinio y terbio. [75]

Aplicaciones

Los compuestos de terbio no tienen muchas aplicaciones. Sin embargo, los compuestos de terbio trivalente pueden emitir luz verde bajo excitación, como el óxido de terbio (III) que se puede utilizar en televisores de tubo de rayos catódicos . [76] Los compuestos de terbio también se utilizan en óptica debido a esta propiedad. [5] Además, los compuestos de terbio tienen otras aplicaciones. Por ejemplo, los compuestos basados ​​en TbFe2 se pueden utilizar como materiales magnetoestrictivos , [77] el Tb3Ga5O12 y el Tb3Al5O12 dieléctricos se pueden utilizar como materiales magnetoópticos , [60] [61] [62] el fluoruro de terbio (III) se utiliza para la producción de vidrios de fluoruro y películas delgadas electroluminiscentes y sulfuro de zinc luminiscente [78] y el gatifloxacino de terbio se puede utilizar como fármacos. [79] El fosfuro de terbio es un semiconductor utilizado en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia y en diodos láser y otros fotodiodos . [80] El CePO 4 :Tb (terbio dopado con fosfato de cerio) tiene una aplicación potencial en imágenes biológicas y etiquetado celular. [81]

Las aleaciones que contienen terbio se utilizan en la producción de dispositivos electrónicos, principalmente como un componente de Terfenol-D . La aleación se utiliza en actuadores , [82] en sensores , en el dispositivo SoundBug (su primera aplicación comercial), controladores de válvulas hidráulicas [83] y otros dispositivos magnetomecánicos. También se utiliza en sistemas de sonar navales. Su deformación también es mayor que la de otro material normalmente utilizado ( PZT8 ), lo que permite que los transductores Terfenol-D alcancen mayores profundidades para las exploraciones oceánicas que los transductores anteriores. [84] Su bajo módulo de Young trae algunas complicaciones debido a la compresión a grandes profundidades, que se superan en diseños de transductores que pueden alcanzar 1000 pies de profundidad y solo perder una pequeña cantidad de precisión de alrededor de 1 dB. [83] Debido a su alto rango de temperatura, Terfenol-D también es útil en transductores acústicos de pozos profundos donde el entorno puede alcanzar altas presiones y temperaturas como los pozos de petróleo. El terfenol-D también se puede utilizar para controladores de válvulas hidráulicas debido a sus propiedades de alta tensión y alta fuerza. [83] De manera similar, también se han considerado actuadores magnetoestrictivos para su uso en inyectores de combustible para motores diésel debido a las altas tensiones que se pueden producir. [85]

Imágenes de compuestos de terbio

Compuestos de terbio
  • Acetato de terbio tetrahidratado (Tb(CH3COO)3·4H2O)
    Acetato de terbio tetrahidratado (Tb(CH 3 COO) 3 ·4H 2 O)
  • Cloruro de terbio (III) hexahidrato (TbCl3·6H2O)
    Cloruro de terbio (III) hexahidrato (TbCl 3 ·6H 2 O)
  • Hidróxido de terbio(III) (Tb(OH)3)
    Hidróxido de terbio(III) (Tb(OH) 3 )
  • Fosfato de terbio (III) (TbPO4)
    Fosfato de terbio (III) (TbPO 4 )
  • Óxido de terbio (III, IV) (Tb4O7)
    Óxido de terbio (III, IV) (Tb 4 O 7 )
  • Sulfato de terbio (III) (Tb2(SO4)3)
    Sulfato de terbio (III) (Tb 2 (SO 4 ) 3 )
  • Nitrato de terbio hexahidratado (Tb(NO3)3·6H2O)
    Nitrato de terbio hexahidrato (Tb(NO 3 ) 3 ·6H 2 O)

Véase también

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