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El terbio es un elemento químico que figura en la tabla periódica de los elementos con el número 65 y el símbolo Tb. Este metal de color plateado pertenece a la familia de los lantánidos. Está vinculado al grupo de las tierras raras al igual que la monacita y la bastnasita.
El terbio se utiliza en varias aplicaciones industriales. Forma parte de los componentes destinados a la fabricación de vidrios y fósforos para pantallas de televisión. Los fabricantes de lámparas fluorescentes y tubos catódicos también lo utilizan para desarrollar productos con alta eficiencia energética. Además, este mineral puede actuar como dopante para ciertos materiales fosforescentes, debido a su capacidad para emitir luz verde intensa. También tiene aplicaciones en la tecnología de almacenamiento de datos, en imanes permanentes y en superconductores. Perteneciendo a la familia de las tierras raras, se considera un elemento estratégico.
El terbio fue descubierto en Suecia, más precisamente cerca de Estocolmo en Ytterby. Su nombre le fue dado en referencia a este lugar. Comparte la misma etimología que los elementos químicos iterbio, erbio e itrio. Como gran parte de los lantánidos, este mineral se extrae principalmente de la arena de monacita. Su agotamiento preocupa a muchos científicos, ya que es un recurso no renovable.
El teniente Carl Axel Arrhenius descubrió una roca llamada “iterbita” en 1787. Posteriormente, fue bautizada como “gadolinita” en honor al químico finlandés Johan Gadolin. Este último realizó trabajos más avanzados en 1789 que condujeron a la identificación de un óxido. Anders Gustaf Ekeberg confirmó la veracidad de estos resultados en 1797. La nueva tierra fue entonces bautizada como “itria”.
A lo largo de los años, investigadores y químicos desarrollaron técnicas de cristalización fraccionada más eficientes. El sueco Carl Gustav Mosander las utilizó durante sus numerosas investigaciones en la década de 1840. Descubrió varias tierras raras como el didimio, el lantano y el cerio. Creía que la itria resultaba de la mezcla de varios elementos. Profundizando en la cuestión, descubre el itrio, un mineral blanco que da origen a sales incoloras.
Durante los diferentes procesos en laboratorio, Mosander también descubrió el odinio, una tierra amarilla que daba sales rosadas. El nombre elegido rinde homenaje al dios Odín de la mitología nórdica. El químico sueco realizó investigaciones adicionales en 1843 antes de hacer públicos sus descubrimientos. Estos consistían en fraccionar los oxalatos, permitiendo descubrir un tercer óxido. De color rosa, recibe el nombre de terbina.
En 1860, científicos cuestionaron los estudios realizados por Mosander. Nils Johan Berlin, un químico y mineralogista sueco, era uno de ellos. Sus trabajos permitieron identificar dos óxidos: el itrio y la erbina. Sin embargo, no logró aislar la terbina. Friedrich Otto Popp repitió los mismos experimentos en 1864 en Göttingen. Marc Delafontaine también realizó minuciosas investigaciones sobre el tema en Ginebra. Las conclusiones de ambos químicos fueron contradictorias.
Popp confirma la presencia del itrio. Sin embargo, afirma que el cerio y el didimio son óxidos ya conocidos. Por su parte, Delafontaine valida los resultados encontrados por Mosander.
Ante esta situación, Robert Bunsen y su asistente Johan Bahr retomaron el proceso de fraccionamiento en 1866. Realizaron sus investigaciones en la Universidad de Heidelberg aislando las sales de itrio y erbio. El espectro de absorción de estas era diferente al del didimio.
Todos estos trabajos dieron lugar a una gran confusión. Los nombres dados por Mosander incluso fueron intercambiados. A pesar de las pruebas que tenía Delafontaine, el terbio fue suprimido de la primera versión de la tabla periódica de los elementos. Esta fue desarrollada en 1869 por Dmitri Mendeléyev.
En 1872, los suecos Otto Magnus Höglund y Per Teodor Cleve intentaron verificar las afirmaciones de Delafontaine. Sin embargo, no lograron aislar otros óxidos aparte del erbio. Hubo que esperar las investigaciones realizadas por el astrónomo estadounidense Charles Augustus Young para demostrar la presencia del terbio en el espectro solar.
Delafontaine continuó sus investigaciones hasta encontrar rastros del mineral en la samarskita. Consideró bautizarlo “mosandrio” para rendir homenaje a Mosander. Finalmente, conservó el nombre “terbina” después de consultar con su compatriota Jean Charles Galissard de Marignac.
Este último realizó trabajos de fraccionamiento en la gadolinita en 1878 y logró aislar la erbina amarilla. El estadounidense John Lawrence Smith también descubrió la tierra amarilla en la samarskita. Le atribuyó el nombre de “mosandrum”. Estas diferentes investigaciones provocaron una disputa entre los tres científicos. La publicación del químico británico Henry Enfield Roscoe en 1882 permitió ratificar estos descubrimientos de manera definitiva.
Como todos los lantánidos, el terbio es un metal dúctil y maleable que puede ser cortado con un cuchillo. Existe bajo dos formas alotrópicas y cambia de fase a una temperatura de 1.289 °C.
El elemento químico 65 posee una estructura cristalina en empaquetamiento compacto hexagonal. A menos de 54,15 °C (su punto Curie), tiene una disposición simple. Alcanza el estado antiferromagnético helicoidal por encima de esta temperatura. Todos los elementos magnéticos están orientados según un ángulo fijo. Giran alrededor del eje c como una hélice o un tornillo. El terbio comparte estas características específicas con el disprosio. Ambos tienen una magnetostricción elevada.
El terbio III es un catión que presenta una fuerte fluorescencia de color verde. Esta resulta de una transición 5D4 → 7F5, que genera una banda de emisión principal situada a 545 nm. Tiene una vida útil de 0,1 a 2 ms.
En los compuestos sólidos, el elemento químico 65 tiene principalmente una valencia de III. Sin embargo, también se conoce una valencia de IV para este metal en ciertos compuestos como el dióxido de terbio (TbO2) y el tetrafluoruro de terbio (TbF4). Además, existen varios óxidos no estequiométricos de terbio que tienen una composición aproximada de Tb4O7. En solución, el mineral se encuentra únicamente en forma trivalente: [Tb(H2O)n]3+.
Puede formar diversos compuestos binarios con diferentes elementos como:
El terbio es un elemento químico muy reactivo, combinándose fácilmente con el oxígeno y los halógenos. En contacto con los ácidos, produce sales. Asociado con ligandos orgánicos e inorgánicos, forma diversos compuestos útiles en diferentes aplicaciones químicas.
El terbio es un elemento mononucleídico y monoisotópico en la naturaleza, con un solo isótopo estable, el 159Tb. Sin embargo, existen 36 radioisótopos sintéticos de este mineral que han sido caracterizados, desde el terbio 135 hasta el terbio 171. Entre ellos, los más estables son el terbio 158, que tiene una vida media de 180 años, y el terbio 157 con una vida media de 71 años. Dos principales modos de fragmentación se utilizan en estos radioisótopos: la captura electrónica y la desintegración beta menos. Si el primero produce isótopos de gadolinio, el segundo conduce a la fabricación de isótopos de disprosio.
Además de estos radioisótopos, el terbio también posee 27 isómeros nucleares. El más estable es el 156mTb con una vida media de 24,4 horas.
El elemento químico 65 también está presente con otras tierras raras en diferentes minerales como:
Este mineral también ha sido detectado en la materia estelar. Aunque es relativamente raro en la corteza terrestre, su abundancia se estima en aproximadamente 1,2 miligramos por kilogramo. Por lo tanto, es dos veces más común que la plata. Se extrae principalmente de minerales que contienen tierras raras.
China es el principal productor mundial de terbio. Este último se utiliza en una variedad de aplicaciones, especialmente en la fabricación de imanes permanentes para motores eléctricos. También está presente en lámparas fluorescentes así como en pantallas de cristal líquido para televisores y ordenadores.
En 2018, los principales recursos mineros se encontraban en varios países, especialmente China, Estados Unidos y Brasil. El terbio también está presente en India, Sri Lanka y Australia. Se considera un elemento raro y precioso. Sus reservas se estiman en aproximadamente 300.000 toneladas. La producción mundial no supera las 10 toneladas al año (según los datos de 2001).
Sin embargo, descubrimientos recientes han revelado la existencia de nuevos yacimientos de tierras raras en el este de Japón. Diferentes investigadores nipones han estimado que estos se sitúan en el sedimento marino, a profundidades de más de 5.000 metros. Su superficie es de 2.500 km2. Sus apreciaciones sugieren que estas zonas podrían contener más de 16 millones de toneladas de óxidos de tierras raras. Esto equivale a 420 años de suministro de terbio para todo el mundo. Además, estos sitios también podrían proporcionar 620 años de suministro mundial de Europio, 780 años de itrio y 730 años de disprosio.
Aunque estos recursos son considerables, su explotación está actualmente limitada por las dificultades de acceso a estos yacimientos y por su elevado costo. Estos yacimientos podrían tener implicaciones importantes para la seguridad energética y la estrategia económica de los países que dependen de estas reservas raras.
Los procesos de extracción del terbio son similares a los empleados para extraer otros lantánidos. Para separar el elemento de otras tierras raras, a menudo se utilizan métodos basados en el intercambio iónico. Son más fáciles y rápidos de implementar que las técnicas de cristalización fraccionada.
Para obtener este mineral, es posible producirlo a partir de su trifluoruro (TbF3). Los científicos también pueden recurrir a su tricloruro (TbCl3) anhidro realizando una reducción térmica con calcio metálico en un crisol de tántalo. El metal puede luego ser purificado por refundiciones al vacío.
En 2015, el precio de un gramo de terbio puro al 99,9% era de aproximadamente 40 dólares estadounidenses. El costo real de producción y extracción de este mineral varía en función de numerosos factores. Depende especialmente de la disponibilidad de materias primas, de los gastos energéticos, de las tarifas de mano de obra y de los gastos de transporte.
Debido a su rareza y sus propiedades únicas, este óxido es ampliamente utilizado en aplicaciones tecnológicas avanzadas. También encuentra su interés en medicina para producir fotografías de alta calidad durante la imagen por resonancia magnética (IRM).
Los iones trivalentes de varios lantánidos tienen la particularidad de fluorescer después de haber sido estimulados por rayos UV o por una descarga eléctrica. Gracias a esta propiedad, el terbio forma parte de los componentes de elección para el diseño de luminóforos. Es particularmente conocido por su fluorescencia verde.
Este mineral encuentra numerosas aplicaciones industriales como la tecnología de tubos catódicos para televisores y pantallas de ordenador. También se utiliza en la producción de tubos fluorescentes tricromáticos para iluminación y radiografía médica. En este último caso, el terbio sirve para convertir los rayos X en luz visible. Este proceso permite producir imágenes de alta calidad durante los exámenes radiográficos.
Este óxido sirve también en el diseño:
Su fluorescencia verde es particularmente apreciada para la producción de marcadores para imagen biológica y biología celular.
Este óxido es por tanto un elemento clave en numerosas tecnologías modernas. Sus propiedades únicas lo convierten en un recurso valioso para varios sectores de la economía mundial.
También se utiliza a menor escala en aplicaciones bioquímicas. Por ejemplo, se ha propuesto un método espectrofotométrico de detección de esporas bacterianas. Se basa principalmente en la adición de cloruro de terbio a un lisado de endosporas y permite producir ácido dipicolínico. Este marcador químico único de las esporas se une al ion terbio (III) para formar un complejo fluorescente intenso en el espectro visible. Esta técnica de detección permite identificar las esporas bacterianas en muestras ambientales como suelos, alimentos y aguas residuales.
Además, la fluorescencia verde del terbio protege los billetes de la moneda europea contra la falsificación. También permite preservar la autenticidad de otros productos como las tarjetas de crédito y los pasaportes.
El elemento químico 65 posee propiedades magnéticas muy interesantes. A temperatura ambiente, se presenta como un metal ferromagnético. Puede ser imantado en una dirección particular en presencia de un campo magnético externo.
Sin embargo, sufre una transición de fase a temperaturas más elevadas. Este proceso lo transforma en un metal antiferromagnético. Los momentos magnéticos de los átomos de terbio se organizan en una estructura ordenada. En cuanto a los momentos magnéticos de cada átomo, están orientados en sentido opuesto unos a otros.
El elemento químico 65 posee también una propiedad magnética llamada “anisotropía magnetocristalina”. Las propiedades magnéticas de este elemento químico están relacionadas con la dirección en la que los átomos están dispuestos en la estructura cristalina del material. Son responsables de la fuerte magnetización del óxido y explican la utilidad del mineral en la producción de imanes permanentes.
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