El terbio es un elemento químico de color blanco plateado y número atómico 65. Es un metal de tierras raras maleable y dúctil . El terbio, el noveno miembro de la serie de los lantánidos , es un metal bastante electropositivo que reacciona con el agua, desprendiendo gas hidrógeno . El terbio nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre, pero está contenido en muchos minerales , entre ellos 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 impureza en el óxido de itrio , Y2O3 . El itrio y el terbio, así como el erbio y el iterbio , reciben su 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 celdas de combustible que funcionan a temperaturas elevadas. Como componente del Terfenol-D (una aleación que se expande y se contrae cuando se expone a campos magnéticos más que cualquier otra aleación), el terbio se utiliza en actuadores , en sistemas de sonar navales y en sensores . El terbio se considera no peligroso, aunque su papel biológico y su toxicidad no se han investigado en profundidad.
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 (TRC) 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 que se utiliza en la iluminación interior.
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 más reactivos de la primera mitad de la serie de los lantánidos. [9] El terbio existe en dos alótropos cristalinos 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 . Solo se pueden eliminar tres electrones antes de que la carga nuclear se vuelva 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 agentes oxidantes muy fuertes como el gas flúor . [8]
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 utiliza en su forma elemental específicamente para la investigación. Se han aislado átomos individuales de terbio implantándolos en moléculas de fulerenos . Los iones trivalentes Eu 3+ y Tb 3+ se encuentran entre los iones de lantánidos que han atraído la mayor atención debido a su fuerte luminosidad y gran pureza de color. [10] [11]
El terbio presenta un ordenamiento ferromagnético simple a temperaturas inferiores a 219 K. Por encima de 219 K, pasa a un estado antiferromagnético helicoidal en el que todos los momentos atómicos de una capa particular del plano basal son paralelos y están orientados en un ángulo fijo respecto de los momentos de las capas adyacentes. Este antiferromagnetismo se transforma en un estado paramagnético desordenado a 230 K. [12]
El metal terbio es un elemento electropositivo y se oxida en presencia de la mayoría de los ácidos (como el ácido sulfúrico), todos los halógenos y agua. [13]
El terbio 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 en TbCl
3En estado sólido, el terbio tetravalente también se conoce en compuestos como TbO 2 y TbF 4 . [14] En solución, el terbio normalmente forma especies trivalentes, pero se puede oxidar al estado tetravalente con ozono en condiciones acuosas altamente básicas. [15]
La química organometálica y de coordinación del terbio es similar a la de otros lantánidos. En condiciones acuosas, el terbio puede coordinarse mediante nueve moléculas de agua , que están dispuestas en una geometría molecular prismática trigonal tricapada . También se conocen complejos de terbio con un número de coordinación más bajo, típicamente con ligandos voluminosos como la bis(trimetil-sililamida) , que forma el complejo tricoordinado Tb[N(SiMe 3 ) 2 ] 3 .
La mayoría de los complejos de coordinación y organometálicos contienen terbio en estado de oxidación trivalente. También se conocen complejos divalentes (Tb 2+ ), generalmente 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]
Al igual que la mayoría de los elementos de tierras raras y los lantánidos , el terbio se encuentra generalmente en el estado de oxidación +3. Al igual que el cerio y el praseodimio , el terbio también puede formar un estado de oxidación +4, [22] aunque es inestable en agua. [23] Es posible que el terbio se encuentre en los estados de oxidación 0, [24] [25] +1, [26] y +2 [22] .
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 , Tb2S3 , TbSe , TbTe y TbN . [27] En estos compuestos, el Tb exhibe principalmente el estado de oxidación +3, y el estado +2 aparece raramente. 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 el sesquicloruro Tb 2 Cl 3 , que puede reducirse aún más a TbCl mediante recocido a 800 °C; este compuesto, cloruro de terbio (I), forma plaquetas con una estructura similar al grafito en capas. [28]
El fluoruro de terbio (IV) es el único haluro que puede formar el terbio tetravalente. Tiene fuertes propiedades oxidantes y 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) . [29] Se puede obtener haciendo reaccionar el cloruro de terbio (III) o el fluoruro de terbio (III) con gas flúor a 320 °C: [30]
Cuando se mezclan 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 y una estructura en capas compuesta por [TbF 8 ] 4− y Cs + 11-coordinado . [31] El compuesto BaTbF 6 , un cristal ortorrómbico con grupo espacial Cmma , se puede preparar con un método similar. El compuesto [TbF 8 ] 4− también existe. [32]
El óxido de terbio (III) o terbia es el principal óxido de terbio y se presenta como un sólido insoluble en agua de color marrón oscuro. Es ligeramente higroscópico [33] y es el principal compuesto de terbio que se encuentra en los minerales y arcillas que contienen tierras raras. [34]
Otros compuestos incluyen:
El terbio natural está compuesto por su único isótopo estable , el terbio-159; por lo tanto, el elemento es mononucleídico y monoisotópico . [35] Se han caracterizado treinta y nueve radioisótopos , [36] siendo el más pesado el terbio-174 y el más ligero el terbio-135 (ambos con masa exacta desconocida). [7] 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 tres meses, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a medio minuto. [7] El modo de desintegración primario antes del isótopo estable más abundante, 159 Tb, es la captura de electrones , que resulta en la producción de isótopos de gadolinio , y el modo primario después es la desintegración beta menos , que resulta en isótopos de disprosio . [7]
El elemento también tiene 31 isómeros nucleares , con masas de 141-154, 156, 158, 162 y 164-168 (no cada número másico corresponde a un solo isómero). [36] Los más estables de ellos 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 radiactivos del terbio, excepto aquellos con números másicos de 155-161. [7]
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 . [37] [38]
El químico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el terbio en 1843. [39] [40] Lo detectó como una impureza en el óxido de itrio , Y 2 O 3 , entonces conocido como itria. El itrio, el erbio y el terbio reciben su nombre del pueblo de Ytterby en Suecia . [41] [42] El terbio no se aisló en forma pura hasta la llegada de las técnicas de intercambio iónico . [43]
Mosander separó por primera vez la 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", el óxido que contiene lo que ahora se conoce como terbio, originalmente era la fracción que era amarilla o naranja oscura en solución. [39] [41] Se observó que el óxido insoluble de este elemento estaba teñido de marrón, [44] [45] [33] y se observó que los óxidos solubles después de la combustión eran incoloros. [46] Hasta la llegada del análisis espectral, se discutía si la erbia siquiera existía. El análisis espectral de Marc Delafontaine permitió identificar los elementos por separado y sus óxidos, [43] pero en sus publicaciones, los nombres de erbio y terbio se intercambiaron, [47] después de un breve período en el que el terbio pasó a llamarse "mosandrum", en honor a Mosander. [48] Los nombres han permanecido intercambiados desde entonces. [41]
Los primeros años de preparación del terbio (como óxido de terbio) fueron difíciles. Los óxidos metálicos de la gadolinita y la samarskita se disolvieron en ácido nítrico y la solución se separó aún más utilizando ácido oxálico y sulfato de potasio . Hubo una gran dificultad para separar el erbio del terbio; en 1881, se observó que no había un método satisfactorio para separar los dos. [46] En 1914, se habían utilizado diferentes disolventes para separar el terbio de sus minerales anfitriones, pero el proceso de separación del terbio de sus elementos vecinos, el gadolinio y el disprosio , se describió como "tedioso", pero posible. [49] Los métodos modernos de extracción de terbio se basan en el proceso de extracción líquido-líquido desarrollado por Werner Fischer et al., en 1937. [50]
El terbio se encuentra junto con otros elementos de tierras raras en muchos minerales, entre ellos 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 un 1 % o más de terbio). La abundancia de terbio en la corteza se estima en 1,2 mg/kg. [27] Aún no se ha encontrado ningún mineral con predominio de terbio. [51]
Se ha detectado terbio (como la especie Tb II ) en la atmósfera de KELT-9b , un planeta Júpiter caliente fuera del Sistema Solar . [52]
En la actualidad, las fuentes comerciales más ricas de terbio son las arcillas de adsorción iónica del sur de China ; [34] los concentrados con aproximadamente dos tercios de óxido de itrio en peso tienen aproximadamente un 1% de terbio. Se encuentran pequeñas cantidades de terbio en la bastnäsita y la monacita; cuando se procesan mediante extracción con solvente para recuperar los valiosos lantánidos pesados como concentrado de samario - europio - gadolinio , se recupera terbio en ellas. Debido a los grandes volúmenes de bastnäsita procesada en relación con las arcillas de adsorción iónica, una proporción significativa del suministro mundial de terbio proviene de la bastnäsita. [8]
En 2018, se descubrió un rico suministro de terbio en la costa de la isla Minamitori de Japón , y se afirma que el suministro es "suficiente para satisfacer la demanda mundial durante 420 años". [53]
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 como hidróxido y se elimina. 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 por cristalización. [27]
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 de hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. Luego, los iones de tierras raras se eliminan selectivamente mediante agentes complejantes adecuados . Al igual que con otras tierras raras, el metal terbio 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 . [27] [43]
En 2020, la demanda anual de terbio se estimó en 340 toneladas (750 000 lb). [34] El terbio no se distingue de otras tierras raras en los Resúmenes de productos minerales del Servicio Geológico de los Estados Unidos , que en 2024 estimó las reservas mundiales de minerales de tierras raras en 110 000 000 de toneladas (2,4 × 10 11 lb). [54]
El terbio se utiliza como dopante en el fluoruro de calcio , el tungstato de calcio y el molibdato de estroncio , materiales que se utilizan en dispositivos de estado sólido, y como estabilizador de cristales de celdas de combustible que funcionan a temperaturas elevadas, junto con ZrO 2 . [8] [55]
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 y otros dispositivos magnetomecánicos. El terfenol-D es una aleación de terbio que se expande o contrae en presencia de un campo magnético. [56] Tiene la magnetostricción más alta de todas las aleaciones . [57] Se utiliza para aumentar la constante de Verdet en las comunicaciones de fibra óptica de larga distancia. [58] [59] Los granates dopados con terbio también se utilizan en aisladores ópticos, lo que evita que la luz reflejada viaje de regreso a lo largo de la fibra óptica. [60]
Los óxidos de terbio se utilizan en fósforos verdes en lámparas fluorescentes, tubos de televisión en color, [8] y monitores de pantalla plana. [61] El terbio, junto con todos los demás lantánidos excepto el lantano y el lutecio , es luminiscente en el estado de oxidación 3+. [62] 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 emiten una fluorescencia de un amarillo limón brillante) se combinan con fósforos azules de europio divalentes y fósforos rojos de europio trivalentes para proporcionar iluminación tricromática , que es, con mucho, el mayor consumidor de terbio del mundo. La iluminación tricromática proporciona una salida de luz mucho mayor para una cantidad dada de energía eléctrica que la iluminación incandescente . [8]
En 2023, se utilizaron compuestos de terbio para crear una red con un solo átomo de hierro que luego se examinó mediante un haz de rayos X de sincrotrón . Este fue el primer intento exitoso de caracterizar un solo átomo a niveles subatómicos. [63]
El terbio, al igual que muchos otros elementos de tierras raras, ha sido poco estudiado en términos de su toxicología e impactos ambientales . Existen pocos valores de referencia basados en la salud para una exposición segura al terbio. [64] La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional o la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales no han establecido valores en los Estados Unidos en los que la exposición al terbio se vuelva peligrosa, y no se considera una sustancia peligrosa según el Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos . [65]
Las revisiones de la toxicidad de los elementos de tierras raras ubican al terbio y sus compuestos como "de toxicidad baja a moderada", destacando la falta de estudios detallados sobre sus peligros [66] y la falta de demanda del mercado que impida la evidencia de toxicidad. [67]
Algunos estudios demuestran que la acumulación ambiental de terbio es peligrosa para los peces y las plantas. [68] [69] Las altas exposiciones al terbio pueden aumentar la toxicidad de otras sustancias que causan endocitosis en las células vegetales . [70]
