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Terbium

Chemie und Physik des chemischen Elements Terbium.



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

Bezeichnung:Terbium Symbol:Tb Ordnungszahl:65 Atommasse:158,925354(8) u Periodensystem-Stellung:Lanthanoide, 6. Periode, f-Block. Gruppen-Zugehörigkeit:Seltene Erden. Entdeckung:1843 - Carl Gustaf Mosander. Bedeutung des Namens:Abgeleitet von Ytterby, einem schwedischen Ort, bei dem Tb erstmals aufgefunden wurde. Englischer Name:Terbium CAS-Nummer:7440-27-9 InChI-Key:GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N

 

Das Terbium-Atom

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

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f
Tb65[Xe] 4f9 6s2 22626102610262

 

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 eV2. IE: 11,52 eV3. IE: 21,91 eV4. IE: 39,37 eV5. IE: eV6. 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.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
51996870882527514

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
1968176816111276,91241,1

 

NINIINIIINIVNVNVINVII
4s4p1/24p3/24d3/24d5/24f5/24f7/2
396,0322,4284,1150,5150,57,72,4

 

OIOIIOIIIOIVOV
5s5p1/25p3/25d3/25d5/2
45,628,722,6

 

Weitere Daten

Atomradius:225 pm (berechnet)
175 pm (empirisch, nach Slater)
Kovalente Radien:194(5) pm (nach Cordero et al.)
168 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
135 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
Van-der-Waals-Radius:166 pm Molvolumen:19,30 cm3 mol-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ωK: 0,935; ωL1: 0,107; ωL2: 0,186; ωL3: 0,175 Coster-Kronig-Übergänge:F12: 0,182; F13: 0,285; F23: 0,148

 

Spektrallinien des Terbiums

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

Terbium-Spektrallinien

 

 

Chemie des Terbiums

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

Elektronegativität:1,20 nach PaulingElektronaffinität:1,165 eV bzw. 112,4 kJ mol-1Oxidationsstufen:+3 (+4, +1, +2)

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-2,31+ IIITerbium(III)-KationTb3++ 3 e-TbTerbium0

 

Material- und physikalische Eigenschaften des Terbiums

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

Schmelzpunkt:1356 °C Schmelzenthalpie (molar):10,15 kJ mol-1 Siedepunkt:3230 °C Verdampfungsenthalpie:391 kJ mol-1 Wärmekapazität:28,91 J mol-1 K-1 (molar)
0,182 J g-1 K-1 (spezifisch)
Thermische Leitfähigkeit:11,1 W m-1 K-1 Wärmeausdehnung:10,3 μm m-1 K-1 bei 25 °C Elektrische Leitfähigkeit:0,870 × 106 A V-1 m-1 Elektrischer Widerstand:1,150 μΩ m bei 25 °C Dichte:8,23 g cm-3
7,65 g cm-3 (flüssig, am Schmelzpunkt)
Elastizitätsmodul:55,7 GPa, α-Tb (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):39,9 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,0251 GPa-1 300 K Poisson-Zahl:0,261 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:hexagonal dichteste Packung - hcp Härte:nach Vickers: 0,863 GPa
nach Brinell: 0,677 GPa
Magnetismus:paramagnetisch Magnetische Suszeptibilität:0,11 cm3 mol-1 Curie-Temperatur:218 K Neel-Temperatur:230 K Schallgeschwindigkeit:2620 m s-1 bei 20 °C

 

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.

 

Geochemie, Vorkommen, Verteilung

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.

Erdkruste:1,2 mg kg-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Erdmantel:105 ppb Meerwasser:0,00000014 mg L-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Sonnensystem:0,000000060 (bezogen auf Silicium, Si=1)

 

Literatur und Quellen

[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.

 

Externe Informationsangebote

Die nachfolgende Liste enthält einige interessante Informationsangebote zum Terbium und zu den Terbiumverbindungen anderer Anbieter, für dessen Inhalte die jeweiligen Seitenbetreiber verantwortlich sind.



Geschichtliches zum Thema / historische Dokumente

Die Entdeckung der Seltenerdmetalle
Eine unter didaktischen Gesichtspunkten erstellte Zusammenfassung. Werner Thum



Gruppenelemente - Informationen

Lanthanoid Trennung
Gewinnung und Trennung von Lanthanoiden. FH Münster - Format: PDF

Lanthanoide
Allgemeines, Trennung, Gewinnung, Eigenschaften, 4f-Orbitale etc.. Universität Bielefeld

Lanthanoide
Vorlesungsmaterialien: Chemie der Metalle. Universität Freiburg

Lanthanoide
Entdeckung der Lanthanoide; Besonderheiten der Lanthanoide; Elektronenkonfigurationen; Ionenaustauscherverfahren; Lanthanoidenkontraktion; Oxidationsstufen; Verwendung. Universität Bayreuth



Einzelne Verbindungen

Terbium und Terbiumverbindungen
Chemikalien-Datenbank: physikalische und chemische Eigenschaften, Sicherheitsdatenblätter, kommerziell verfügbaren Stoffen und Verbindungen; verschiedene Suchkriterien einschließlich Struktursuche

Terbiumverbindungen
Liste und Eigenschaften



Mineralogie

Geochemie der Seltenen Erden
Umfassendes Vorlesungsskript - Format: PDF

Seltenerdmineralien
Auflistung und prozentuale Zusammensetzung der einzelnen in der Natur auftretenden, Seltene Erden enthaltenen Mineralien

Terbiumhaltige Minerale
Informationen zum Terbium und den Terbiummineralien. Mineralien Atlas



Dissertationen

Terbiumcarbid
Synthese, strukturelle und physikalische Charakterisierung von Seltenerdcarbiden. Dissertation, 2007. Universität Köln

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 14.02.2019.



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