El terbio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso s (captura lenta de neutrones) que ocurre en estrellas AGB (gigantes asintóticas) de baja a media masa. A diferencia del europio, que está dominado por el proceso r, el terbio muestra una contribución significativa del proceso s, estimada en aproximadamente 70-80% de su abundancia solar. El resto proviene del proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos explosivos como las supernovas. Este origen mixto pero dominado por el proceso s lo clasifica entre las "tierras raras intermedias".
La abundancia cósmica del terbio es de aproximadamente 1,7×10⁻¹² veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace aproximadamente 1,4 veces más abundante que el gadolinio pero 5 a 6 veces menos abundante que el cerio. Esta rareza relativa se explica por su posición en el "valle" de las abundancias de tierras raras pesadas y por el hecho de que su núcleo tiene un número impar de protones (65), lo que tiende a reducir su abundancia según la regla de Oddo-Harkins (los elementos con Z par son generalmente más abundantes que sus vecinos con Z impar).
El terbio es un trazador importante del proceso s en astrofísica. Su abundancia relativa en comparación con otros lantánidos en estrellas de diferentes generaciones permite cuantificar la contribución de las estrellas AGB al enriquecimiento químico de la Galaxia. Las estrellas enriquecidas en elementos del proceso s (como las estrellas de bario) suelen mostrar relaciones Tb/Eu elevadas, características de una nucleosíntesis dominada por el proceso s en lugar del proceso r. El estudio del terbio en estrellas pobres en metales ayuda a datar la aparición de las primeras estrellas AGB en el Universo.
La detección del terbio en las atmósferas estelares es particularmente difícil debido a la debilidad y el solapamiento de sus líneas espectrales con las de otros elementos. Las líneas del ion Tb II (terbio una vez ionizado) son las más accesibles, pero requieren espectros de alta resolución y alta relación señal/ruido. A pesar de estas dificultades, el terbio ha sido detectado en algunas estrellas del halo galáctico y en estrellas enriquecidas en elementos del proceso s. Estas detecciones proporcionan restricciones valiosas sobre los modelos de nucleosíntesis estelar y sobre la eficiencia relativa de los procesos s y r en la producción de tierras raras pesadas.
El terbio recibe su nombre del pueblo sueco de Ytterby, ubicado en la isla de Resarö cerca de Estocolmo. Este pequeño pueblo tiene una cantera de feldespato y cuarzo que proporcionó varios minerales que contienen tierras raras. Ytterby es famoso por dar su nombre a no menos de cuatro elementos: itrio (Y), terbio (Tb), erbio (Er) e iterbio (Yb). El nombre "terbio" se formó por analogía con los otros elementos descubiertos en los minerales de esta localidad.
El terbio fue descubierto en 1843 por el químico sueco Carl Gustaf Mosander (1797-1858), quien trabajaba en el Instituto Karolinska de Estocolmo. Mosander estudiaba un mineral de itria (óxido de itrio) de Ytterby. Tras múltiples cristalizaciones fraccionadas, logró separar este óxido en tres compuestos distintos que llamó itria (blanca), erbia (rosa) y terbia (amarilla). La "terbia" que había aislado contenía principalmente óxido de terbio, aunque la purificación completa del elemento llevó varias décadas más.
Durante varios años, hubo confusión con respecto a los nombres "terbia" y "erbia". Algunos químicos intercambiaron las denominaciones, atribuyendo el nombre "terbia" a lo que hoy llamamos erbia (óxido de erbio) y viceversa. No fue hasta finales del siglo XIX que la nomenclatura se fijó definitivamente según el descubrimiento original de Mosander. El aislamiento del terbio metálico relativamente puro se logró por primera vez en 1905 por el químico francés Georges Urbain, quien utilizó la electrólisis de sales fundidas de terbio.
El terbio está presente en la corteza terrestre con una concentración promedio de aproximadamente 1,2 ppm (partes por millón), lo que lo convierte en uno de los lantánidos más raros, comparable al lutecio y al tulio. Es aproximadamente 5 veces menos abundante que el gadolinio. Los principales minerales que contienen terbio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Tb)CO₃F) y la monacita ((Ce,La,Nd,Tb,Th)PO₄), donde representa típicamente del 0,02 al 0,1% del contenido total de tierras raras, y la xenotima (YPO₄) donde puede estar más concentrado.
La producción mundial de óxido de terbio (Tb₄O₇) es de aproximadamente 10 a 15 toneladas por año, lo que lo convierte en una de las tierras raras menos producidas en términos de masa. Debido a su rareza y aplicaciones de alto valor, el terbio es una de las tierras raras más caras, con precios típicos de 1.000 a 2.000 dólares por kilogramo de óxido (o más durante picos de demanda). China domina la producción con más del 90% del total mundial.
El terbio metálico se produce principalmente mediante reducción metalotérmica del fluoruro de terbio (TbF₃) con calcio metálico en atmósfera inerte de argón. La producción anual mundial de terbio metálico es de aproximadamente 5 a 10 toneladas. El reciclaje del terbio de lámparas fluorescentes usadas y imanes es técnicamente posible y económicamente interesante debido a su alto precio, pero la infraestructura de reciclaje a gran escala sigue siendo limitada.
El terbio (símbolo Tb, número atómico 65) es el noveno elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 65 protones, 94 neutrones (para el único isótopo estable \(\,^{159}\mathrm{Tb}\)) y 65 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f⁹ 6s². Esta configuración le confiere al terbio sus propiedades magnéticas y luminiscentes características.
El terbio es un metal gris plateado, maleable, dúctil y lo suficientemente blando como para ser cortado con un cuchillo. Tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. El terbio es fuertemente paramagnético y se vuelve antiferromagnético por debajo de 230 K (-43 °C), luego ferromagnético por debajo de 220 K (-53 °C). Su temperatura de Curie es de 222 K (-51 °C). Aunque estas temperaturas están muy por debajo de la temperatura ambiente, el terbio es crucial en aleaciones magnetostrictivas como el Terfenol-D (Tb-Dy-Fe) que exhiben propiedades magnéticas excepcionales a temperatura ambiente.
El terbio se funde a 1356 °C (1629 K) y hierve a 3230 °C (3503 K). Como la mayoría de los lantánidos, tiene puntos de fusión y ebullición elevados. El terbio sufre una transformación alotrópica a 1289 °C donde su estructura cristalina cambia de hexagonal compacta (HC) a cúbica centrada en el cuerpo (CC). Su conductividad eléctrica es pobre, aproximadamente 30 veces menor que la del cobre. El terbio también exhibe magnetorresistencia gigante a bajas temperaturas.
El terbio es relativamente estable en aire seco a temperatura ambiente, pero se oxida lentamente para formar óxido Tb₄O₇ (una mezcla de Tb₂O₃ y TbO₂). Se oxida más rápidamente cuando se calienta. El terbio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de terbio(III) Tb(OH)₃ y desprender hidrógeno. Se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos. El terbio metálico debe almacenarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte para evitar la oxidación gradual.
Punto de fusión del terbio: 1629 K (1356 °C).
Punto de ebullición del terbio: 3503 K (3230 °C).
Temperatura de Curie del terbio: 222 K (-51 °C) - ferromagnético por debajo.
Temperatura de Néel (transición antiferromagnética): 230 K (-43 °C).
Estructura cristalina a temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Terbio-159 — \(\,^{159}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 94 | 158,925346 u | ≈ 100 % | Estable | Único isótopo estable natural del terbio. Tiene 94 neutrones y es ligeramente fisionable. |
| Terbio-157 — \(\,^{157}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 92 | 156,924023 u | Sintético | ≈ 71 años | Radiactivo (CE). Utilizado en investigación y como fuente para la producción de isótopos médicos. |
| Terbio-158 — \(\,^{158}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 93 | 157,925413 u | Sintético | ≈ 180 años | Radiactivo (CE, β⁺). Emisor gamma utilizado en investigación y análisis por activación neutrónica. |
| Terbio-160 — \(\,^{160}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 95 | 159,927167 u | Sintético | ≈ 72,3 días | Radiactivo (β⁻). Producido en reactores nucleares, utilizado en investigación y medicina nuclear. |
| Terbio-161 — \(\,^{161}\mathrm{Tb}\,\) | 65 | 96 | 160,929369 u | Sintético | ≈ 6,91 días | Radiactivo (β⁻). Emisor beta de baja energía, estudiado para aplicaciones en terapia dirigida (radioterapia). |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El terbio tiene 65 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f⁹ 6s² tiene nueve electrones en la subcapa 4f. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(27) P(2), o de forma completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁹ 5s² 5p⁶ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 27 electrones distribuidos en 5s² 5p⁶ 4f⁹ 5d⁰. Los nueve electrones 4f le confieren al terbio sus propiedades magnéticas y luminiscentes características.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del terbio.
El terbio tiene efectivamente 11 electrones de valencia: nueve electrones 4f⁹ y dos electrones 6s². El terbio presenta principalmente el estado de oxidación +3, que es con mucho el más estable y común. En este estado, el terbio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Tb³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f⁸. Este ion tiene ocho electrones en la subcapa 4f y presenta una luminiscencia verde intensa característica.
El terbio también puede formar compuestos en el estado de oxidación +4, aunque estos son mucho menos estables y requieren condiciones oxidantes. El ion Tb⁴⁺ tiene la configuración [Xe] 4f⁷ (semi-llena), lo que le confiere cierta estabilidad, similar a la del ion Gd³⁺. Los compuestos de terbio(IV) como el TbO₂ (dióxido de terbio) existen pero son oxidantes poderosos y se descomponen fácilmente, liberando oxígeno. Algunos compuestos raros de terbio(II) también se han sintetizado en condiciones extremas, pero son muy inestables.
La química del terbio está dominada por el estado +3. El ion Tb³⁺ tiene un radio iónico de 106,3 pm (para un número de coordinación 8) y forma complejos incoloros o ligeramente coloreados (amarillo pálido) en solución acuosa. Su química de coordinación es rica, con una preferencia por los ligandos donadores de oxígeno. Las propiedades luminiscentes de Tb³⁺ se explotan particularmente en aplicaciones tecnológicas.
El terbio metálico se oxida lentamente en aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa de óxido que protege parcialmente el metal subyacente. Cuando se calienta por encima de 150-200 °C, la oxidación se acelera y el terbio se quema para formar principalmente el óxido mixto Tb₄O₇ (que corresponde a Tb₂O₃·TbO₂): 8Tb + 7O₂ → 2Tb₄O₇. En forma de polvo fino, el terbio es pirofórico y puede encenderse espontáneamente en el aire. El óxido de terbio(III) Tb₂O₃ se puede obtener reduciendo Tb₄O₇ bajo una atmósfera de hidrógeno a alta temperatura.
El terbio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de terbio(III) Tb(OH)₃ y liberar gas hidrógeno: 2Tb + 6H₂O → 2Tb(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita como un sólido blanco gelatinoso con baja solubilidad. Como con otros lantánidos, la reacción no es tan vigorosa como con los metales alcalinos o alcalinotérreos, pero es notable y puede observarse a largo plazo si el metal está expuesto a la humedad.
El terbio reacciona con todos los halógenos para formar los trihaluros correspondientes: 2Tb + 3F₂ → 2TbF₃ (fluoruro blanco); 2Tb + 3Cl₂ → 2TbCl₃ (cloruro blanco). El terbio se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con liberación de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Tb³⁺: 2Tb + 6HCl → 2TbCl₃ + 3H₂↑.
El terbio reacciona con el hidrógeno a temperaturas moderadas (300-400 °C) para formar TbH₂, luego TbH₃ a temperaturas más altas. Con el azufre, forma el sulfuro Tb₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro TbN, y con el carbono para formar el carburo TbC₂. El terbio también forma muchos complejos de coordinación con ligandos orgánicos, explotados en particular en marcadores luminiscentes y materiales ópticos.
La propiedad más notable del terbio es su intensa luminiscencia verde. El ion Tb³⁺ es uno de los iones de lantánidos más luminiscentes, emitiendo luz verde brillante principalmente alrededor de 545 nm (transición ⁵D₄ → ⁷F₅) cuando es excitado por UV (generalmente alrededor de 254 nm o 365 nm). Esta emisión verde pura con alto rendimiento cuántico (hasta 90% en matrices óptimas como óxidos o fluoruros) hace del terbio el fósforo verde estándar para muchas aplicaciones. La emisión en realidad consiste en varias líneas estrechas que corresponden a transiciones a diferentes niveles ⁷FJ (J=6,5,4,3...), siendo la línea a 545 nm la más intensa.
La aplicación que hizo famoso al terbio fue su uso como activador principal en los fósforos verdes de las lámparas fluorescentes "trifósforo" de alta eficiencia y buen rendimiento de color. El fósforo estándar es el fosfato de lantano y cerio dopado con terbio: LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺ (a menudo llamado LAP). En este material, los iones Ce³⁺ absorben eficientemente la radiación UV del mercurio (254 nm) y transfieren energía a los iones Tb³⁺ vecinos, que luego emiten luz verde brillante a 545 nm. Combinado con fósforos azules (BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺) y rojos (Y₂O₃:Eu³⁺), produce luz blanca de alta calidad con un índice de rendimiento de color (IRC) superior a 80.
El fósforo LaPO₄:Ce³⁺,Tb³⁺ tiene un rendimiento cuántico excepcional (casi 100% en condiciones óptimas), alta estabilidad térmica y química, y un color verde puro. Una lámpara fluorescente compacta típica de 20W contiene aproximadamente 50-100 miligramos de este fósforo, lo que corresponde a unos pocos miligramos de terbio. Esta aplicación representó durante décadas la mayor parte del consumo mundial de terbio, antes de ser reemplazada gradualmente por los LED. La eficacia luminosa de las lámparas trifósforo alcanza 80-100 lúmenes por vatio, 4 a 5 veces la de las lámparas incandescentes.
Con la llegada de los LED blancos, el terbio ha encontrado nuevas aplicaciones en los convertidores de fósforo. Para los LED verdes puros, se utilizan materiales como el silicato de estroncio y aluminio dopado con terbio (SrAl₂O₄:Tb³⁺) o YAG dopado con terbio. En los LED blancos, las mezclas de fósforos que contienen terbio (verde) con fósforos azules y rojos permiten un espectro completo y un alto IRC. La investigación está en curso para desarrollar fósforos dopados con terbio en nitruros u oxinitruros, que ofrecen una mejor estabilidad a altas temperaturas y una mayor eficiencia.
La magnetostricción es la propiedad de ciertos materiales de cambiar de forma o dimensiones bajo la influencia de un campo magnético. El Terfenol-D (nombre comercial derivado de TERbio, FE (hierro), Naval Ordnance Laboratory, y D para disprosio) es una aleación de composición aproximada Tb0,3Dy0,7Fe₂ que presenta una magnetostricción gigante a temperatura ambiente. Puede alargarse o contraerse hasta un 0,1 a 0,2% de su longitud bajo la acción de un campo magnético, lo que es aproximadamente 50 a 100 veces más que los materiales magnetostrictivos tradicionales como el níquel.
El Terfenol-D es una aleación basada en tierras raras (terbio y disprosio) y hierro. La combinación de terbio y disprosio permite ajustar las propiedades magnéticas para obtener una magnetostricción óptima a temperatura ambiente, al tiempo que minimiza la anisotropía magnética. El hierro proporciona el acoplamiento magnético. La aleación suele presentarse en forma de monocristales o materiales con textura direccional para maximizar el efecto en una dirección preferida. El contenido de terbio es crucial para el rendimiento pero contribuye significativamente al alto costo del material.
El Terfenol-D se utiliza en actuadores de precisión (transductores de sonar, inyectores de combustible de control magnético, sistemas de posicionamiento micro y nanométrico), sensores (sensores de fuerza y par, hidrófonos), transductores ultrasónicos (imagen médica, limpieza por ultrasonidos) y sistemas de control de vibraciones (amortiguación activa). Su capacidad para convertir la energía magnética en movimiento mecánico (y viceversa) con gran fuerza, respuesta rápida y alta precisión lo convierte en un material único para muchas aplicaciones de alta tecnología. Un actuador típico puede contener desde unos pocos gramos hasta varios cientos de gramos de Terfenol-D.
Los complejos orgánicos de terbio (generalmente con ligandos β-dicetonatos) exhiben una luminiscencia verde intensa bajo iluminación UV y una larga vida útil de fluorescencia (del orden de milisegundos), lo que los hace ideales para aplicaciones de seguridad. Se utilizan en tintas de impresión para billetes, pasaportes, tarjetas de identidad, etiquetas de productos farmacéuticos y de lujo. La luminiscencia verde del terbio a menudo se combina con la luminiscencia roja del europio para crear efectos de color complejos difíciles de reproducir.
Las nanopartículas o microesferas dopadas con terbio pueden incorporarse en materiales (plásticos, pinturas, tintas) para crear marcadores invisibles a simple vista pero detectables por fluorescencia bajo UV. Estos marcadores permiten la trazabilidad de productos, la autenticación y la prevención de falsificaciones. La firma espectral única del terbio (líneas estrechas características) permite una identificación sin ambigüedades. Sistemas más sofisticados utilizan proporciones específicas de iones de tierras raras (incluyendo terbio) para crear "códigos de barras" luminiscentes.
Los quelatos de terbio (por ejemplo, con EDTA o derivados) presentan una fluorescencia de larga duración, lo que permite su detección utilizando técnicas de medición de tiempo resuelto. Este método elimina eficientemente la fluorescencia de fondo de corta duración de los componentes biológicos, aumentando significativamente la sensibilidad de los ensayos. Los inmunoensayos de fluorescencia resuelta en el tiempo (TRFIA) que utilizan terbio se emplean para medir hormonas, marcadores tumorales, antígenos virales, etc., con límites de detección muy bajos.
Los complejos de terbio se estudian como agentes de contraste para la imagen por resonancia magnética (IRM), aunque son menos efectivos que los basados en gadolinio. El terbio-161 (⁶¹Tb) es un isótopo radiactivo emisor beta que se estudia para la radioterapia dirigida de cánceres (teragnóstico), especialmente cuando se acopla a moléculas que se dirigen específicamente a las células tumorales. La investigación sobre nanopartículas dopadas con terbio para imagen óptica y tratamiento también está activa.
El terbio y sus compuestos presentan una toxicidad química moderada, similar a la de otros lantánidos. Las sales solubles de terbio pueden causar irritación cutánea, ocular y de las vías respiratorias. La inhalación de polvo de compuestos de terbio puede provocar irritación pulmonar. Los estudios toxicológicos indican una toxicidad aguda baja a moderada, con dosis letales medias (DL50) para las sales de terbio típicamente superiores a 500-1000 mg/kg en roedores por vía oral. No se han demostrado claramente efectos cancerígenos, mutagénicos o teratogénicos para el terbio.
Al igual que otros lantánidos, el terbio ingerido o inyectado se acumula principalmente en el hígado y el esqueleto óseo. Su vida media biológica es larga (varios años para la fracción ósea). El terbio no tiene un papel biológico conocido y no se considera un elemento esencial. Debido a su uso directo limitado en humanos (excepto como trazadores en investigación), la exposición de la población general es extremadamente baja y proviene principalmente de fuentes ambientales difusas.
Las principales preocupaciones ambientales están asociadas con la extracción y el refinamiento de tierras raras en general, no específicamente con el terbio. La extracción de un kilogramo de terbio requiere el procesamiento de varias cientos de toneladas de mineral, generando grandes volúmenes de residuos, aguas ácidas y, a veces, residuos radiactivos (torio, uranio). Los sitios mineros pueden tener impactos significativos en los suelos, las aguas y la salud de los trabajadores si las prácticas no están controladas.
El terbio está clasificado como "materia prima crítica" por la Unión Europea y los Estados Unidos debido a su importancia económica, aplicaciones estratégicas (defensa, alta tecnología) y la alta concentración geográfica de su producción (China). Por lo tanto, el reciclaje del terbio de lámparas fluorescentes usadas, imanes y desechos electrónicos es una prioridad para asegurar el suministro y reducir el impacto ambiental. Las técnicas de reciclaje (hidrometalurgia, pirometalurgia) son operativas pero requieren infraestructuras de recolección y clasificación eficientes. Las tasas actuales de reciclaje son bajas (menos del 1%) pero se espera que aumenten con las regulaciones sobre residuos de equipos eléctricos y electrónicos (RAEE) y el aumento de los precios.
La exposición laboral al terbio se produce principalmente en plantas de producción de tierras raras, fabricación de fósforos y instalaciones de reciclaje. No existen límites específicos de exposición laboral para el terbio en la mayoría de los países. Se aplican recomendaciones generales para los polvos de tierras raras (típicamente 5-10 mg/m³ para polvo respirable). Se requieren equipos de protección individual (mascarillas, guantes) y ventilación adecuada en entornos donde es probable la presencia de polvo o aerosoles de compuestos de terbio.
