テルビウムとは何ですか?
テルビウム(記号Tb)は周期表の元素65で、6周期のランタノイドです。 緑色蛍光体に使われる希土類元素で、磁場中で形状も変化します。 室温では固体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてテルビウムが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径176 pmです。これは0.176 nmなので、約2.84百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
テルビウムは、1629 Kから3503 Kまでの1874 Kの範囲で液体です。
物語
緑色蛍光体に使われる希土類元素で、磁場中で形状も変化します。
発見者: スウェーデンのストックホルムでCarl Gustaf Mosanderが発見(1843年)
命名の由来: スウェーデンのイッテルビー。この村は4種類の元素に名前を与えました
テルビウムの発見は、19世紀の分析化学における最も困難な成果の一つです。ストックホルムのカロリンスカ研究所で研究していたCarl Gustaf Mosanderは、1843年にイッテルビーの採石場産の鉱物ガドリン石の研究を始めました。この同じ採石場からはすでにイットリウムとエルビウムが発見されていましたが、Mosanderはさらに別の元素が隠れていると考えました。
原始的な分光技術と化学的沈殿法を用いて、Mosanderは当初「エルビア」と呼んだ物質を、苦労しながら3つの異なる成分に分離しました。この工程には数百回の結晶化が必要で、完了までにほぼ2年かかりました。彼は黄色の画分に新しい元素が含まれていることを確認し、イッテルビー村にちなんでテルビウムと命名しました。
Mosanderの発見は、国際的な科学界から懐疑的に受け止められました。テルビウムの化学的性質は他の希土類元素と非常によく似ていたため、それが本当に独立した元素なのか、多くの科学者が疑問を呈しました。Jean Charles Galissard de Marignacがテルビウムの元素としての存在を決定的に示す分光学的証拠を提出したのは、1886年になってからでした。
イッテルビー村は、4つの元素名、すなわちイットリウム、テルビウム、エルビウム、イッテルビウムの由来となった、唯一無二の場所です。この小さなスウェーデンの採石場は、地球上の他のどの場所よりも多くの元素名に貢献しており、世界中の化学愛好家にとって巡礼地となっています。
現在では、Mosanderが最初に得た「テルビウム」試料には複数の元素が含まれていたことが分かっています。純粋な金属テルビウムが単離されたのは1905年になってからで、フランスの化学者Henri Moissanが電気分解技術を用いて達成しました。テルビウム化合物を特徴づける鮮やかな緑色蛍光が完全に理解されたのは、量子力学によってランタノイドイオンの電子遷移が説明されてからです。
テルビウムの原子番号(65)はランタノイド系列のちょうど中央に位置しており、19世紀の発見者たちにはまったく知られていなかった独特の磁気的性質と光学的性質をもたらしています。現在では、それらの性質が数十億ドル規模の産業を支えています。
用途
テルビウムは、卓越した磁気的性質と光学的性質により高価格で取引される、最も価値の高い希土類元素の一つです。デジタル時代において、テルビウムはデータ記憶技術に不可欠となっており、その磁気光学的性質によってコンピューターのメモリシステムに革新的な進歩をもたらしています。
テルビウムを基にした磁気光学記憶材料は、従来のシステムと比較して記憶密度を10~15倍に高め、デジタル記憶容量に革命をもたらしました。これらの材料は次世代光記憶装置の基盤となっており、レーザー光によって磁気の向きを変えるテルビウム特有の能力が、超高密度データ記憶ソリューションを実現します。
三波長蛍光ランプ(省エネルギー電球)では、テルビウムは重要な蛍光体活性化剤として働き、544 nmの波長で鮮やかな緑色発光を生み出します。ユウロピウム(赤色)とセリウム(青色)を組み合わせることで、テルビウムは白色光の理想的なスペクトルを作り出しながら、白熱電球より75%少ないエネルギーで動作します。現代のLED蛍光体では、優れた演色性を得るためにテルビウム化合物への依存が高まっています。
ネオジム・鉄・ホウ素磁石にテルビウムを添加すると、温度安定性と保磁力が大幅に向上します。テルビウムをごく少量(2~5%)加えるだけで、動作温度を80°Cから200°C超まで高められるため、極限の性能が求められる電気自動車のモーター、風力タービン発電機、航空宇宙用途に不可欠です。
テルビウムの非常に大きな磁気モーメントは、ソナーシステム、アクチュエーター、超高精度位置決め装置に使われる磁歪合金で極めて有用です。テルフェノール-D(テルビウム・鉄・ジスプロシウム合金)は、既知の物質の中で室温における磁歪が最大であり、水中音響や振動制御システムへの応用を可能にします。
テルビウム同位体は医用画像処理の造影剤として使われます。また、X線増感紙に含まれるテルビウム活性化蛍光体は、患者の放射線被ばくを低減しながら画質を向上させます。標的がん治療や診断用画像処理剤に向けた高度なテルビウム化合物も開発されています。
テルビウムは最も高価な希土類元素の一つ($800~2000/kg)ですが、その卓越した性質により、高付加価値用途では経済的に利用できます。希少性が高いため、リサイクル技術や代替材料の研究が促進されています。
新たな用途には、量子コンピューター部品、高度なフォトニックデバイス、次世代固体照明などがあります。科学者たちは、超高密度データ記憶や量子情報処理に向けて、テルビウムを基にした単分子磁石を研究しています。
起源
地殻に1.2 mg/kg存在し、51%の元素より存在度が高い
テルビウムは地殻中で最も存在量の少ない希土類元素の一つで、平均濃度はわずか1.2 ppmです。この極端な希少性と複雑な抽出工程が相まって、テルビウムは最も価値の高い希土類商品の一つとなっています。
中国(世界生産量の85%): 内モンゴルのバヤンオボ鉱山が、商業用テルビウムの大部分を生産しています。江西省と広東省にある中国南部のイオン吸着型粘土鉱床は、テルビウムを含む重希土類元素に特に富んでいます。
オーストラリア: マウント・ウェルド鉱床には、バストネサイト鉱体中に相当量のテルビウム埋蔵量があります。Lynas Corporationがマレーシアの施設でこの鉱石を処理しています。
米国: カリフォルニア州のマウンテン・パス鉱山とワイオミング州のベア・ロッジ・プロジェクトには、テルビウムを含むバストネサイト鉱床があります。
テルビウムの抽出には、ランタノイド同士の化学的性質が似ているため、高度な多段階分離工程が必要です。イオン交換クロマトグラフィーや、特定のキレート剤を用いた溶媒抽出によって、テルビウムを他の希土類元素から分離できます。最終精製では、99.9%の純度を達成するために、数百段階の分離が必要になることがあります。
テルビウムは高価で希少なため、永久磁石や蛍光体からのリサイクルがますます重要になっています。高度な湿式冶金工程によって、使用済み製品からテルビウムを回収できますが、現在の世界全体のリサイクル率は5%未満にとどまっています。
取り扱い
テルビウム金属とその化合物には中程度の安全上のリスクがあり、標準的な実験室での予防措置が必要です。強い毒性はありませんが、ばく露を防ぎ、安全な実験室作業を確保するため、適切な取り扱い手順に従う必要があります。
火災の危険: テルビウム金属粉末は自然発火性があり、空気中で自然に発火することがあります。不活性雰囲気(アルゴンまたは窒素)中で保管し、酸化剤から遠ざけてください。
粉じんの吸入: 酸化テルビウムの粉じんは呼吸器を刺激することがあります。粉末状化合物を扱うときは、換気のよい場所で作業するか、ドラフトチャンバーを使用してください。
テルビウム化合物は、密閉性の高い容器に入れ、涼しく乾燥した環境で保管してください。金属粉末は酸化を防ぐため、不活性雰囲気中で保管する必要があります。強酸、強塩基、酸化性物質から遠ざけてください。
テルビウムを含む廃棄物は、価値が高く希少であるため、リサイクル用に分別して回収する必要があります。希土類材料に関する所属機関の廃棄物処分手順に従ってください。
簡単な回答
テルビウム(記号Tb)は周期表の元素65で、6周期のランタノイドです。 緑色蛍光体に使われる希土類元素で、磁場中で形状も変化します。 室温では固体です。
[Xe] 4f⁹ 6s²で、2, 8, 18, 27, 8, 2という分布の電子殻が6個あります。テルビウムの融点は1629 K(1355.9 °C)、沸点は3503 K(3229.9 °C)です。
テルビウムの標準原子量は158.925 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
テルビウムの密度は8.23 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、テルビウムの塊は約8.2倍重いです。
テルビウムのポーリング電気陰性度は1.2です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 このように低い値は、最外殻の電子を容易に放出して陽イオンを形成することを意味します。
テルビウムは1843年にCarl Gustav Mosanderによって発見されました。 スウェーデンのYtterbyにちなんで名付けられました。
地球の地殻におけるテルビウムの割合は約1.2 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。