El terbio es un elemento químico ; tiene el símbolo Tb y el número atómico 65. Es un metal de tierras raras de color blanco plateado , maleable y dúctil . El terbio, el noveno miembro de la serie de los lantánidos , es un metal bastante electropositivo que reacciona con el agua y desprende gas hidrógeno . El terbio nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre, pero está contenido en muchos minerales , incluidos 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 la llegada de las técnicas de intercambio iónico .
El terbio se utiliza para dopar fluoruro de calcio , tungstato de calcio y molibdato de estroncio en dispositivos de estado sólido y como estabilizador de cristales 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 , en sistemas de sonar naval y en sensores .
La mayor parte del suministro mundial de terbio se utiliza en fósforos verdes . El óxido de terbio se utiliza en lámparas fluorescentes y tubos de rayos catódicos (CRT) para 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 que se utiliza para la iluminación estándar en interiores.
El terbio es un metal de tierras raras de color blanco plateado que es maleable , dúctil y lo suficientemente blando como para cortarlo con un cuchillo. [8] Es relativamente estable en el aire en comparación con los lantánidos anteriores y más reactivos de la primera mitad de la serie de los lantánidos. [9] El terbio existe en dos cristales alótropos con una temperatura de transformación de 1289 °C entre ellos. [8] Los 65 electrones de un átomo de terbio están dispuestos en la configuración electrónica [Xe]4f 9 6s 2 . Los once electrones 4f y 6s son de valencia . Sólo 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 7 medio llena permite una mayor ionización de un cuarto electrón en presencia de electrones muy altos. Agentes oxidantes fuertes como el gas flúor . [8]
El catión terbio (III) es brillantemente fluorescente , de un brillante color amarillo limón que es el resultado de una fuerte línea de emisión verde en combinación con otras líneas naranja y roja. La variedad ittrofluorita del mineral fluorita debe en parte su fluorescencia de color amarillo cremoso al terbio. El terbio se oxida fácilmente y, por lo tanto, se utiliza en su forma elemental específicamente para la investigación. Se han aislado átomos individuales de terbio implantándolos en moléculas de fullereno . Los iones trivalentes Eu3+ y Tb3+ se encuentran entre los iones lantánidos que han atraído más atención debido a su fuerte luminosidad y gran pureza de color. [10] [11]
El terbio tiene un orden ferromagnético simple a temperaturas inferiores a 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 con respecto a los momentos de capas adyacentes. capas. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado paramagnético desordenado a 230 K. [12]
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. [13]
El terbio también se oxida fácilmente en el aire para formar un óxido mixto de terbio (III, IV) : [13]
El estado de oxidación más común del terbio es +3 (trivalente), como TbCl.
3. En estado sólido, también se conoce el terbio tetravalente, en compuestos como el TbO 2 y el TbF 4 . [14] En solución, el terbio normalmente forma especies trivalentes, pero puede oxidarse al estado tetravalente con ozono en condiciones acuosas altamente básicas. [15]
La coordinación y la química organometálica 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 tricapeada . También se conocen complejos de terbio con un número de coordinación más bajo, típicamente con ligandos voluminosos como la bis(trimetilsililamida) , que forma el complejo Tb[N(SiMe 3 ) 2 ] 3 de tres coordenadas .
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 voluminosos de tipo ciclopentadienilo. [16] [17] [18] También se conocen algunos compuestos de coordinación que contienen terbio en su estado tetravalente. [19] [20] [21]
Como la mayoría de los elementos de tierras raras y lantánidos , el terbio suele encontrarse en el estado de oxidación +3. Al igual que el cerio y el praseodimio , el terbio también puede formar un estado de oxidación +4, aunque es inestable en agua. [22] Sin embargo, es posible que el terbio también se encuentre en los estados de oxidación 0, +1 y +2.
El terbio se combina con nitrógeno, carbono, azufre, fósforo, boro, selenio, silicio y arsénico a temperaturas elevadas, formando diversos compuestos binarios como TbH 2 , TbH 3 , TbB 2 , Tb2S3 , TbSe , TbTe y TbN . [23] En esos compuestos, Tb exhibe principalmente los estados de oxidación +3 y, a veces, +2. Los haluros de terbio (II) se obtienen recociendo haluros de Tb (III) en presencia de Tb metálico en contenedores de tantalio . El terbio también forma 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. [24]
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) . [25] Se puede obtener haciendo reaccionar cloruro de terbio (III) o fluoruro de terbio (III) con gas flúor a 320 °C: [26]
Cuando se mezclan TbF 4 y CsF en una relación 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 ] Cs + 4- y 11-coordinados . [27] El compuesto BaTbF 6 se puede preparar mediante un método similar. Es un cristal ortorrómbico, con grupo espacial Cmma . El compuesto [TbF 8 ] 4− también existe. [28]
Otros compuestos incluyen
El terbio natural está compuesto por su único isótopo estable , el terbio-159; el elemento es, por tanto, mononucleido 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 (con una masa exacta desconocida). [29] 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 inferiores a un cuarto de año, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a medio minuto. [29] El modo de desintegración principal 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 principal posterior es la desintegración beta menos , lo que resulta en isótopos de disprosio . [29]
El elemento también tiene 27 isómeros nucleares , con masas de 141 a 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; esta es una vida media más larga que la de la mayoría de los estados fundamentales de los isótopos radiactivos de terbio, excepto aquellos con números de masa entre 155 y 161. [29]
El terbio-149, con una vida media de 4,1 horas, es un candidato prometedor en la terapia alfa dirigida y la tomografía por emisión de positrones . [30] [31]
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 la llegada de las técnicas de intercambio iónico . [32] [33] [34] : 701 [35] [32] [36] [37]
Mosander primero separó la itria en tres fracciones, todas con el nombre del mineral: itria, erbia y terbia. "Terbia" era originalmente la fracción que contenía el color rosa, debido al elemento hoy 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 tenía un tinte marrón.
Los trabajadores posteriores tuvieron dificultades para observar la "erbia" menor e incolora, pero era imposible pasar por alto la fracción rosa soluble. Hubo discusiones de un lado a otro sobre la existencia de erbia. En la confusión, los nombres originales se invirtieron y el intercambio de nombres se mantuvo, de modo que la fracción rosa finalmente se refirió a la solución que contenía erbio (que en solución es rosa). Ahora se cree que los trabajadores que utilizaban sulfatos dobles de sodio o potasio 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 sólo alrededor del 1% de la itria 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, el gadolinio y el disprosio .
A partir de entonces, cada vez que se separaban otras tierras raras de esta mezcla, la fracción que daba el óxido marrón conservaba el nombre de terbio, hasta que finalmente se obtuvo el óxido marrón de terbio en forma pura. Los investigadores del siglo XIX no tuvieron el beneficio de la tecnología de fluorescencia UV para observar la fluorescencia de Tb (III) de color amarillo brillante o verde que habría hecho que el terbio fuera más fácil de identificar en mezclas o soluciones sólidas. [33]
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 terbio en la corteza se estima en 1,2 mg/kg. [23] Aún no se ha encontrado ningún mineral con predominio de terbio. [38]
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 en peso de óxido de itrio tienen aproximadamente un 1% de terbia. Se encuentran pequeñas cantidades de terbio en la bastnäsita y la monacita; cuando estos se procesan mediante extracción con disolventes para recuperar los valiosos lantánidos pesados como concentrado de samario , europio y gadolinio , se recupera terbio en ellos. Debido a los grandes volúmenes de bastnäsita procesada en comparación con las arcillas de adsorción de iones, una proporción significativa del suministro mundial de terbio proviene de bastnäsita. [8]
En 2018, se descubrió una rica oferta de terbio frente a la costa de la isla Minamitori de Japón , y la oferta declarada era "suficiente para satisfacer la demanda mundial durante 420 años". [39]
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 hasta un pH de 3 a 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 mediante 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 mediante cristalización. [23]
La rutina de separación más eficaz 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 de hidrógeno, amonio o cúpricos 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 . [23]
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 cristales de pilas de combustible que funcionan a temperaturas elevadas, junto con el ZrO 2 . [8]
El terbio también se utiliza en aleaciones y en la producción de dispositivos electrónicos. Como componente del 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. 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 . [40]
El óxido de terbio se utiliza en fósforos verdes en lámparas fluorescentes y tubos de televisión en color. El borato de terbio y sodio se utiliza en dispositivos de estado sólido . La brillante fluorescencia 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 tienen una fluorescencia de un 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 diferencia, el mayor consumidor de suministro de terbio del mundo. La iluminación tricromática proporciona una salida de luz mucho mayor para una determinada cantidad de energía eléctrica que la iluminación incandescente . [8]
El terbio también se utiliza para detectar endosporas , ya que actúa como ensayo de ácido dipicolínico basado en fotoluminiscencia . [41]
En 2023, se utilizaron compuestos de terbio para crear una red con un átomo de hierro (Fe), que luego se examinó mediante un haz de rayos X sincrotrón , para examinar un átomo a niveles subatómicos por primera vez. [42]
Se sabe poco sobre la toxicidad del terbio. La manipulación del terbio, al igual que la de otros lantánidos, debe realizarse con cuidado. [43]
