Terbium

Terbium - chemisches Zeichen Tb, Ordnungszahl 65 - ist ein silbergraues, duktiles, schmiedbares, in zwei Modifikationen auftretendes, metallisches, chemisches Element aus der Gruppe der Lanthanoide und der Seltenen Erden.

Der größte Teil des weltweit kommerziell verwendeten Terbiums wird in in Form des Oxids als grüner Leuchtstoff eingesetzt. Die Kombination aus grünen Tb-Leuchtstoffne mit zweiwertigen blauen und dreiwertigen roten Europium-Leuchtstoffen ergibt ein hocheffizientes trichromatisches, weißes Licht, das zum Beispiel für Innenbeleuchtungen eingesetzt wird.

Entdeckt wurde das chemische Element in Jahre 1843 von dem schwedischen Chemiker Carl Gustaf Mosander als Verunreinigung in Yttriumoxid. Erbium, Yttrium, Ytterbium und Terbium sind nach dem Dorf Ytterby in Schweden benannt. In reiner Form konnte das Terbium erst mit der Einführung von Ionenaustauschverfahren isoliert werden.

 

Übersicht: Allgemeine Daten zum Terbium

 

Das Tb-Atom - und damit das chemische Element Terbium - besitzt 65 positiv geladene Protonen im Atomkern und - im ungeladenen Tb-Atom - die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle.

Für Unterschiede bei den Atomkernen sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Terbium-Isotope zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Terbium-Vorkommen bestehen aus nur einem Tb-Nuklid, das damit zu den mononukliden Elementen zählt.. Die relative Atommasse des Terbiums wird mit 158,925354(8) u angegeben.

 

Elektronenkonfiguration

Symbol

OZ

Kurzform

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

6s

6p

6d

6f

Tb

65

[Xe] 4f9 6s2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

2

6

2

 

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Terbium-Atom zu trennen.

1. IE:

5,8638 eV

2. IE:

11,52 eV

3. IE:

21,91 eV

4. IE:

39,37 eV

5. IE:

eV

6. IE:

eV

 

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Terbium-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p1/2	2p3/2
51996	8708	8252	7514

 

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p1/2	3p3/2	3d3/2	3d5/2
1968	1768	1611	1276,9	1241,1

 

NI	NII	NIII	NIV	NV	NVI	NVII
4s	4p1/2	4p3/2	4d3/2	4d5/2	4f5/2	4f7/2
396,0	322,4	284,1	150,5	150,5	7,7	2,4

 

OI	OII	OIII	OIV	OV
5s	5p1/2	5p3/2	5d3/2	5d5/2
45,6	28,7	22,6

 

Weitere Daten

 

Ionenradius

Ionenradien der Tb(III)- und Tb(IV)-Kationen in pm:

Ion	KoZ	Ieffektiv	Ikristall	Anmerkungen
Tb3+ Tb3+ Tb4+ Tb4+	6 8 6 8	92,3 104 76 88	106,3   90

 

Spektrallinien des Terbiums

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Terbiums mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

 

 

In den Terbium-Verbindungen liegt das Element überwiegend im Oxidationszustand +III vor. Eine vierwertige Variante ist das dunkelrote Terbiumdioxid TbO₂, welches durch Reaktion des gemischten Terbium(III,IV)-oxids mit atomaren Sauerstoff bei 350 Grad Celsius darstellbar ist.

An der Luft ist das reine Metall durch Passivierung mit einer Oxidschicht beständig. An der Flamme verbrennt es zum gemischten Terbium(III,IV)-oxid:

8 Tb + 7 O₂ → 2 Tb₄O₇.

Auf Grund seines elektropositiven Charakters reagiert Terbium langsam mit kaltem und schneller mit heißem Wasser unter Wasserstoff-Entwicklung und Bildung des Tb(III)-Kations zu Terbiumhydroxid:

2 Tb + 6 H₂O → 2 Tb(OH)₃ + 3 H₂↑.

 

Chemische Daten

 

Standardpotentiale

Normalpotential des Terbiums:

E0 (V)	Nox	Name Ox.	Ox.	e-	⇔	Red.	Name Red.	Nox
-2,31	+ III	Terbium(III)-Kation	Tb3+	+ 3 e-	⇔	Tb	Terbium	0
3,1	+ IV	Terbium(IV)-Kation	Tb4+	+ 4 e-	⇔	Tb (s)	Terbium	0

 

Die nachfolgende Tabelle führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen metallischen α-Terbiums auf.

 

Bei 1289 Grad Celsius bildet sich eine weitere Modifikation, das β-Terbium.

Unterhalb von 218 K zeigt das Metall eine einfache ferromagnetische Ordnung. Oberhalb von 218 K geht es in einen helicalen antiferromagnetischen Zustand über, in dem alle Atommomente in einer bestimmten Basisebene parallel angeordnet und in einem festen Winkel zu den Momenten der benachbarten Schichten ausgerichtet sind. Dieser ungewöhnliche Antiferromagnetismus verwandelt sich bei 230 K in den ungeordneten paramagnetischen Zustand.

 

Unter den 17 Metallen, die zu den Seltenen Erden gezählt werden, steht das Terbium an 14. Stelle der Häufigkeit in der Erdkruste; anschaulich entspricht dies in etwa einem Teelöffel reinen Metalls auf 63000 Kilogramm Erdmaterial. Auf Grund seines unedlen Charakters tritt der Grundstoff nur in gebundenem Zustand in der Natur auf.

Spezielle Minerale, in denen das Terbium dominiert, sind nicht bekannt; vielmehr tritt es in kleineren Konzentrationen mit anderen Seltenermetallen in einer Vielzahl von Erzen auf, wie zum Beispiel Monazit, Euxenit, Verit, Gadolinit, Cerit, Xenotim und anderen. Zur Zusammensetzung dieser Minerale siehe unter Seltenerd-Mineralien.

 

[1] - W. C. Thoburn, S. Legvold, F. H. Spedding:
Magnetic Properties of Terbium Metal.
In: Physical Review, 1958, DOI 10.1103/PhysRev.112.56.

[2] - Geng Deng:
Terbium Glows Green.
In: Nature Chemistry, 2018, DOI 10.1038/nchem.2914, open access.

 

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Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 15.05.2020.

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