65, Terbium (Tb)

Grube Ytterby (Schweden)

Das Element Terbium:

         
   
  Gd Tb Dy  
  Cm Bk Cf  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Terbium (Nukleosynthese): Terbium ist das 16. Reinelement; es hat nur ein einziges stabiles Isotop mit einer Massenzahl von 159. Dieses kann sowohl durch s-Prozesse (Rote Riesensterne) oder r-Prozesse (Supernovae) entstehen.

Die Terbium-Synthese
159Tb-Synthese:
(s-, r-Prozess)

158Gd + n → 159Tb + β- + 6,91 MeV

56Fe + 103n → 159Tb + 39β- + 840 MeV



Das zweite Isotop, welches unmittelbar in der Nähe der Betastabilitätslinie liegt, ist das Tb-157. Dieses zerfällt schon mit einer Halbwertszeit von 71 Jahren. Tb-158 hat eine Halbwertszeit von 180 Jahren. Es gibt keine weiteren Isotope des Elements, welche längere Halbwertszeiten haben.
Vorkommen von Terbium: Im Universum hat Terbium durchschnittlich mit 0,52 μg/kg Anteil am Aufbau (Rang 71). Am Aufbau der Erde ist es mit durchschnittlich 54 μg/kg beteiligt (Rang 64), in der Erdkruste findet es sich mit durchschnittlich 1,2 mg/kg (Rang 58). Damit ist es das viertseltenste (zwölfthäufigste) Lanthanoid - nur Lutetium, Thulium und Promethium sind noch seltener. Es ist damit in etwa so häufig zu finden wie Wolfram oder Molybdän.

Mineralische Vorkommen: Wie alle schweren Lanthanoide kommt auch das Terbium bevorzugt in Yttrium-Mineralien vor, da es in seinem Ionenradius diesem ähnlicher ist, als dem Lanthan. So sind Xenotim, Yttrium-Gadolinit, Monazitsand und Yttrium-Bastnäsit die wichtigsten Quellen zur Anreicherung und Reingewinnung des Elements. Es kommt auch in den Ceriterden vor, allerdings mit weit geringerer Konzentration.

Terbiumhaltige Mineralien.

Gadolinit (Y), (Y|Ln)2Fe(SiO5)2[1]

Xenotim, (Y|Yb)PO4[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Bastnäsit(Y), (Y|Ln)(CO3)F[3]


Terbium-Gewinnung:
Gleich den anderen schweren Lanthanoiden (Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium) wird Terbium aus Yttrium-Mineralien (Xenotim, Y-Bastnäsit, Y-Gadolinit) gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Terbium(III)fluorid bzw. -chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Terbium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[4]
Chemie von Terbium: Terbium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f9. Daher strebt das Element die Oxidationsstufe +3 oder +4 an. Im sauren Bereich sind Tb(IV)-Verbindungen sehr starke Oxidationsmittel. Tb(II)-Verbindungen sind mit Ausnahme des Iodis und des Hydrids unbekannt, es sind sehr starke Reduktionsmittel. Terbium(IV)fluorid zersetzt sich oberhalb 300°C zu Terbium(III)fluorid und elementares Fluor. Immerhin ist damit die vierwertige Stufe stabilder als bei Neodym, Praseodym oder Dysprosium. Cer(IV)-Analoge Komplexe sind bekannt, jedoch weitaus stärkere Oxidationsmittel, und damit in wässriger Lösung nicht beständig.

Reaktionen an der Luft: Bei Raumtemperatur ist Terbium gut an der Luft beständig. Es überzieht sich mit einer Schicht aus Terbium(III,IV)oxid, welche das darunterliegende Metall etwas vor Weiteroxidation schützt. Es kann daher an der Luft aufbewahrt werden. Beim Erhitzen verbrennt es gleichsam der anderen Lanthanoiden in stark exothermer Reaktion zu Terbium(III,IV)oxid.

8Tb + 7O2 → 2Tb4O7 + 7479,2 kJ


Reaktionen mit Wasser und Säuren: Von Feuchtigkeit und Wasser wird das Metall schnell angegriffen, es reagiert unter Wasserstoffentwicklung zu Terbium(III)hydroxid. Dieses ist zwar stark basisch, jedoch nur sehr schlecht in Wasser löslich - die Basizität liegt zwischen der von Calcium- und Aluminiumhydroxid. Aufgrund der Löslichkeit von knapp unter 0,15 mg/L hat die gesättigte Hydroxidlösung einen pH-Wert von etwa 7,8. Gleich den anderen Lanthanoid(III)-Ionen hydrolysiert auch das Hexaaquo-Terbium(III)-Ion unter Bildung von Hydronium-Ionen und Hydroxo-Terbium-Ionen, weswegen Terbium(III)-Salze, sofern das Anion nicht basisch reagiert, deutlich saure Reaktionen zeigen.

Hydrolyse von Terbium(III)hydroxid und Terbium(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Terbium(III)hydroxid:
{Tb(OH)3} [Tb(OH)2]+ + OH-; pKb = 5,20

b) Saure Reaktion von Terbium(III)-Ionen:
[Tb(H2O)9]3+ + H2O [Tb(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,90



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor und Chlor reagiert das Element bereits bei Raumtemperatur mit Feuererscheinung unter Bildung entsprechender Salze, mit Brom, Iod und Schwefel erst beim Erhitzen - ebenfalls unter stark exothermer Reaktion.

Terbium-Verbindungen

Terbium(III,IV)oxid[4]
Tb4O7

Fotomontage: Terbium(III)sulfat-8hydrat[5]
Tb2(SO4)3•8H2O

Tb-Sulfat unter UV-Licht[6]

Terbium(III)sulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Terbium bzw. von seinen Verbindungen: Ferromagnetismus. Unterhalb von -34°C wird Terbium ferromagnetisch, und hat dabei ein magnetisches Moment von 9,35 μB. Das ist fast der vierfache Wert des Eisens.

Flammenfärbung: Terbiumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine Flammenfärbung. Dabei ist die Flamme im heißeren Temperaturbereich rosa-violett, im kälteren eher gelb-orange gefärbt. Dies kommt dadurch zustande, dass der Teil der angeregten Elektronen, der in der heißen Zone auf das Grundniveau zurückfällt, höhere Energien (und damit kleinere Wellenlängen - Blauanteile) hat, als der Anteil, welcher erst weiter oben in der kälteren Zone emittiert (Rot-Anteile).

Sind die Salze durch größere Mengen an schweren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen gelblich-grünen Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[4]
Terbium-Salzes

Verwendung von Terbium und seinen Verbindungen :
  • Sicherheitsfarbe auf Banknoten: Terbium(III)verbindungen zeigen eine gelbgrüne Fluoroeszenz im UV-Licht. Daher werden bestimmte Motive auf den Euro-Banknoten mit Terbium(III)oxid imprägniert, auf der 100 €-Note beispielsweise der Sternenkranz in der Mitte.
Verwendung von Terbium

100€-Banknote[7]
Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Kouame. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Bildquelle: Hi-Res Images of Elements. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben. Bei Verwendung bitte einen Link auf die Webseite http://images-of-elements.com/terbium.php setzen.

[7] Eigenes Bild. Dieses Bild ist gemeinfrei, da es ein gültiges Zahlungsmittel abbildet.