Диспрозий - Dysprosium

Диспрозий,  66 Дн
Dy chip.jpg
Диспрозий
Произношение / Д ɪ ы р г г я ə м / ( дис- ЧЕРН -zee-əm )
Появление серебристо-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Dy) 162 500 (1)
Диспрозий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
-

Dy

Cf
тербийдиспрозийгольмий
Атомный номер ( Z ) 66
Группа группа н / д
Период период 6
Блокировать   f-блок
Электронная конфигурация [ Xe ] 4f 10 6s 2
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 28, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1680  К (1407 ° C, 2565 ° F)
Точка кипения 2840 К (2562 ° С, 4653 ° F)
Плотность (около  rt ) 8,540 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 8,37 г / см 3
Теплота плавления 11,06  кДж / моль
Теплота испарения 280 кДж / моль
Молярная теплоемкость 27,7 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 1378 1523 (1704) (1954) (2304) (2831)
Атомные свойства
Состояния окисления 0, +1, +2, +3 , +4 , (слабо основной оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 1,22
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирические: 178  м
Ковалентный радиус 192 ± 19 часов
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии диспрозия
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура гексагональный плотноупакованный (hcp)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура диспрозия
Скорость звука тонкого стержня 2710 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение α, поли: 9,9 мкм / (м⋅K) ( rt )
Теплопроводность 10,7 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление α, поли: 926 nΩ⋅m ( к.т. )
Магнитный заказ парамагнитный при 300 К
Молярная магнитная восприимчивость +103 500 × 10 -6  см 3 / моль (293,2 К)
Модуль для младших α-форма: 61,4 ГПа
Модуль сдвига α-форма: 24,7 ГПа
Объемный модуль α-форма: 40,5 ГПа
коэффициент Пуассона α форма: 0,247
Твердость по Виккерсу 410–550 МПа
Твердость по Бринеллю 500–1050 МПа
Количество CAS 7429-91-6
История
Открытие Лекок де Буабодран (1886)
Первая изоляция Жорж Урбен (1905)
Основные изотопы диспрозия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
154 Дн син 3,0 × 10 6  лет α 150 Gd
156 Дн 0,056% стабильный
158 Дн 0,095% стабильный
160 Дн 2,329% стабильный
161 Dy 18,889% стабильный
162 Дн 25,475% стабильный
163 Dy 24,896% стабильный
164 Дн 28,260% стабильный
Категория Категория: Диспрозий
| использованная литература

Диспрозий - это химический элемент с символом Dy и атомным номером 66. Это редкоземельный элемент с металлическим серебряным блеском. Диспрозий никогда не встречается в природе как свободный элемент, хотя он содержится в различных минералах, таких как ксенотим . Встречающийся в природе диспрозий состоит из семи изотопов , самый распространенный из которых - 164 Dy.

Диспрозий был впервые идентифицирован в 1886 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном , но он не был выделен в чистом виде до тех пор, пока в 1950-х годах не были разработаны методы ионного обмена . Диспрозий имеет относительно немного областей применения, где он не может быть заменен другими химическими элементами. Он используется из-за высокого сечения поглощения тепловых нейтронов при создании регулирующих стержней в ядерных реакторах , из-за своей высокой магнитной восприимчивости ( χ v5,44 × 10 -3 ) в приложениях для хранения данных, а также как компонент Терфенол-Д (магнитострикционный материал). Растворимые соли диспрозия умеренно токсичны, в то время как нерастворимые соли считаются нетоксичными.

Характеристики

Физические свойства

Образец диспрозия

Диспрозий - это редкоземельный элемент с металлическим ярким серебряным блеском. Он довольно мягкий и может обрабатываться без искрообразования, если не допускать перегрева. На физические характеристики диспрозия может сильно повлиять даже небольшое количество примесей.

Диспрозий и гольмий обладают самой высокой магнитной силой среди элементов, особенно при низких температурах. Диспрозий имеет простое ферромагнитное упорядочение при температурах ниже 85 К (-188,2 ° С). Выше 85 К (-188,2 ° C) он переходит в спиральное антиферромагнитное состояние, в котором все атомные моменты в конкретном базисном плоском слое параллельны и ориентированы под фиксированным углом к ​​моментам соседних слоев. Этот необычный антиферромагнетизм переходит в неупорядоченное ( парамагнитное ) состояние при 179 К (-94 ° C).

Химические свойства

Металлический диспрозий сохраняет свой блеск на сухом воздухе, однако он медленно тускнеет на влажном воздухе и легко горит с образованием оксида диспрозия (III) :

4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3

Диспрозий довольно электроположителен и медленно реагирует с холодной водой (и довольно быстро с горячей водой) с образованием гидроксида диспрозия:

2 Dy (т) + 6 H 2 O (л) → 2 Dy (OH) 3 (водн.) + 3 H 2 (г)

Металлический диспрозий активно реагирует со всеми галогенами при температуре выше 200 ° C:

2 Dy (s) + 3 F 2 (g) → 2 DyF 3 (s) [зеленый]
2 Dy (s) + 3 Cl 2 (г) → 2 DyCl 3 (s) [белый]
2 Dy (s) + 3 Br 2 (g) → 2 DyBr 3 (s) [белый]
2 Dy (s) + 3 I 2 (g) → 2 DyI 3 (s) [зеленый]

Диспрозий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих желтые ионы Dy (III), которые существуют в виде комплекса [Dy (OH 2 ) 9 ] 3+ :

2 Dy (т) + 3 H 2 SO 4 (водн.) → 2 Dy 3+ (водн.) + 3 SO2-
4
(водн.) + 3 H 2 (г)

Полученное соединение, сульфат диспрозия (III), заметно парамагнитен.

Соединения

Сульфат диспрозия, Dy 2 (SO 4 ) 3

Галогениды диспрозия, такие как DyF 3 и DyBr 3 , имеют тенденцию приобретать желтый цвет. Оксид диспрозия , также известный как диспрозия, представляет собой белый порошок, обладающий сильными магнитными свойствами , в большей степени, чем оксид железа.

Диспрозий соединяется с различными неметаллами при высоких температурах с образованием бинарных соединений с различным составом и степенями окисления +3, а иногда и +2, например DyN, DyP, DyH 2 и DyH 3 ; DyS, DyS 2 , Dy 2 S 3 и Dy 5 S 7 ; DyB 2 , DyB 4 , DyB 6 и DyB 12 , а также Dy 3 C и Dy 2 C 3 .

Карбонат диспрозия, Dy 2 (CO 3 ) 3 , и сульфат диспрозия, Dy 2 (SO 4 ) 3 , образуются в результате аналогичных реакций. Большинство соединений диспрозия растворимы в воде, хотя тетрагидрат карбоната диспрозия (Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O) и декагидрат оксалата диспрозия (Dy 2 (C 2 O 4 ) 3 · 10H 2 O) нерастворимы в воде. Два наиболее распространенных карбоната диспрозия, Dy 2 (CO 3 ) 3 · 2–3H 2 O (аналог минерала тенгерит- (Y)) и DyCO 3 (OH) (аналог минералов козоит- (La) и козоит - (Nd), как известно, образуются через плохо упорядоченную (аморфную) фазу предшественника с формулой Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O. Этот аморфный предшественник состоит из высокогидратированных сферических наночастиц диаметром 10–20 нм, которые исключительно стабильны при сухой обработке при температуре окружающей среды и высоких температурах.

Изотопы

Встречающийся в природе диспрозий состоит из семи изотопов : 156 Dy, 158 Dy, 160 Dy, 161 Dy, 162 Dy, 163 Dy и 164 Dy. Все они считаются стабильными, хотя 156 Dy теоретически может подвергаться альфа-распаду с периодом полураспада более 1 × 10 18  лет. Из встречающихся в природе изотопов 164 Dy является наиболее распространенным ( 28%), за ним следует 162 Dy (26%). Наименее распространенным является 156 Dy при 0,06%.

Также было синтезировано 29 радиоизотопов с атомной массой от 138 до 173. Наиболее стабильным из них является 154 Dy с периодом полураспада примерно 3 × 10 6  лет, за которым следует 159 Dy с периодом полураспада 144,4 сут. Наименее стабильным является 138 Dy с периодом полураспада 200 мс. Как правило, изотопы, которые легче , чем изотопы , как правило , устойчивых к распаду , прежде всего, β + распад, в то время как те , которые тяжелее , как правило, распадаются на бета - распад . Однако 154 Dy распадается в основном за счет альфа-распада, а 152 Dy и 159 Dy распадаются в основном за счет захвата электронов . Диспрозий также имеет по крайней мере 11 метастабильных изомеров с атомной массой от 140 до 165. Наиболее стабильным из них является 165m Dy с периодом полураспада 1,257 минуты. 149 Dy имеет два метастабильных изомера, второй из которых, 149m2 Dy, имеет период полураспада 28 нс.

История

В 1878 г. в эрбиевых рудах были обнаружены оксиды гольмия и тулия . Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран , работая с оксидом гольмия , отделил от него оксид диспрозия в Париже в 1886 году. Его процедура выделения диспрозия заключалась в растворении оксида диспрозия в кислоте с последующим добавлением аммиака для осаждения гидроксида. Он смог изолировать диспрозий от его оксида только после более чем 30 попыток его процедуры. На следующий, он назвал элемент диспрозия от греческого dysprositos (δυσπρόσιτος), что означает «трудно получить». Элемент не был изолирован в относительно чистой форме до тех пор, пока Фрэнк Спеддинг не разработал методы ионного обмена в Университете штата Айова в начале 1950-х годов.

Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых для ветряных турбин, было высказано мнение, что диспрозий будет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии. Но эта точка зрения подвергалась критике за непризнание того, что в большинстве ветряных турбин не используются постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

В 2021 году Dy превратился в двумерный сверхтвердый квантовый газ.

Вхождение

Ксенотайм

Хотя диспрозий никогда не встречаются как свободный элемент, он встречается во многих полезных ископаемых , в том числе ксенотима , фергусонита , гадолинита , эвксенита , polycrase , blomstrandine , монацита и бастназят , часто с эрбием и гольмием или другими редкоземельными элементами. Минерал с преобладанием диспрозия (то есть с преобладанием диспрозия над другими редкоземельными элементами в составе) до сих пор не обнаружен.

В их версии с высоким содержанием иттрия диспрозий является наиболее распространенным из тяжелых лантаноидов , составляя до 7-8% концентрата (по сравнению с примерно 65% для иттрия). Концентрация Dy в земной коре составляет около 5,2 мг / кг, а в морской воде - 0,9 нг / л.

Производство

Диспрозий получают в основном из монацитового песка, смеси различных фосфатов . Металл получается как побочный продукт при коммерческом извлечении иттрия. При выделении диспрозия большинство нежелательных металлов можно удалить магнитным способом или с помощью процесса флотации . Затем диспрозий можно отделить от других редкоземельных металлов с помощью процесса ионного обмена . Образующиеся ионы диспрозия затем могут реагировать либо с фтором, либо с хлором с образованием фторида диспрозия, DyF 3 , или хлорида диспрозия, DyCl 3 . Эти соединения можно восстановить, используя кальций или литий в следующих реакциях:

3 Ca + 2 DyF 3 → 2 Dy + 3 CaF 2
3 Li + DyCl 3 → Dy + 3 LiCl

Компоненты помещаются в танталовый тигель и обжигаются в атмосфере гелия . По мере развития реакции образующиеся галогенидные соединения и расплавленный диспрозий разделяются из-за различий в плотности. Когда смесь остынет, диспрозий можно отделить от примесей.

Ежегодно во всем мире производится около 100 тонн диспрозия, из которых 99% производится в Китае. Цены на диспрозий выросли почти в двадцать раз, с 7 долларов за фунт в 2003 году до 130 долларов за фунт в конце 2010 года. Цена увеличилась до 1400 долларов за килограмм в 2011 году, но упала до 240 долларов в 2015 году, в основном из-за незаконного производства в Китае, которое обходило правительственные ограничения.

В настоящее время большую часть диспрозия получают из ионно-адсорбционных глинистых руд южного Китая. По состоянию на ноябрь 2018 года пилотный завод Browns Range Project, расположенный в 160 км к юго-востоку от Холлс-Крик, Западная Австралия , производит 50 тонн (49 длинных тонн) в год.

По данным Министерства энергетики США , широкий спектр его текущих и прогнозируемых применений вместе с отсутствием какой-либо незамедлительной подходящей замены делает диспрозий самым важным элементом для новых технологий чистой энергии - даже их самые консервативные прогнозы предсказывают дефицит. диспрозия до 2015 г. По состоянию на конец 2015 г. в Австралии зарождалась отрасль по добыче редкоземельных элементов (включая диспрозий).

Приложения

Диспрозий используется вместе с ванадием и другими элементами при производстве лазерных материалов и коммерческого освещения. Из-за высокого поперечного сечения поглощения тепловых нейтронов диспрозием, керметы из оксида диспрозия и никеля используются в управляющих стержнях, поглощающих нейтроны, в ядерных реакторах . Халькогениды диспрозия- кадмия являются источниками инфракрасного излучения, которое полезно для изучения химических реакций. Поскольку диспрозий и его соединения очень чувствительны к намагничиванию, они используются в различных приложениях для хранения данных, например, в жестких дисках . Диспрозий становится все более востребованным для постоянных магнитов, используемых в двигателях электромобилей и ветряных генераторах.

Магниты из неодима- железа-бора могут содержать до 6% неодима, замещенного диспрозием для повышения коэрцитивной силы для требовательных приложений, таких как приводные двигатели для электромобилей и генераторы для ветряных турбин. Эта замена потребует до 100 граммов диспрозия на каждый произведенный электромобиль. Основываясь на прогнозе Тойоты , который планирует 2 миллиона единиц в год, использование диспрозия в таких областях, как это, быстро исчерпало бы его доступные запасы. Замена диспрозия также может быть полезна в других применениях, поскольку она улучшает коррозионную стойкость магнитов.

Диспрозий - один из компонентов Терфенола-Д , наряду с железом и тербием. Терфенол-Д обладает самой высокой магнитострикцией при комнатной температуре из всех известных материалов, которая используется в преобразователях , широкополосных механических резонаторах и высокоточных инжекторах жидкого топлива.

Диспрозий используется в дозиметрах для измерения ионизирующего излучения . Кристаллы сульфата кальция или фторида кальция легированы диспрозием. Когда эти кристаллы подвергаются облучению, атомы диспрозия становятся возбужденными и люминесцентными . Люминесценцию можно измерить, чтобы определить степень воздействия, которому был подвергнут дозиметр.

Нановолокна из соединений диспрозия обладают высокой прочностью и большой площадью поверхности. Следовательно, их можно использовать для усиления других материалов и действовать как катализатор. Волокна из фторида оксида диспрозия могут быть получены нагреванием водного раствора DyBr 3 и NaF до 450 ° C при давлении 450  бар в течение 17 часов. Этот материал чрезвычайно прочен, выдерживает более 100 часов в различных водных растворах при температурах, превышающих 400 ° C, без повторного растворения или агрегации. Кроме того, диспрозий использовался для создания двумерного супертвердого тела в лабораторных условиях. Ожидается, что сверхтвердые тела будут проявлять необычные свойства, включая сверхтекучесть.

Иодид диспрозия и бромид диспрозия используются в металлогалогенных лампах высокой интенсивности . Эти соединения диссоциируют вблизи горячего центра лампы, высвобождая изолированные атомы диспрозия. Последние повторно излучают свет в зеленой и красной части спектра, тем самым эффективно производя яркий свет.

Несколько парамагнитных кристаллических солей диспрозия (диспрозий-галлий-гранат, DGG; диспрозий-алюминиевый гранат, DAG; диспрозий-железный гранат, DyIG) используются в холодильниках для адиабатического размагничивания .

Трехвалентный ион диспрозия (Dy 3+ ) был изучен из-за его люминесцентных свойств, понижающих сдвиг. Легированный Dy иттрий-алюминиевый гранат ( Dy: YAG ), возбужденный в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра, приводит к испусканию фотонов с большей длиной волны в видимой области. Эта идея легла в основу нового поколения белых светодиодов с УФ-накачкой.

Меры предосторожности

Как и многие порошки, порошок диспрозия может представлять опасность взрыва при смешивании с воздухом и при наличии источника воспламенения. Тонкие фольги вещества также могут воспламениться от искры или статического электричества . Пожары диспрозия нельзя тушить водой. Он может реагировать с водой с образованием легковоспламеняющегося газообразного водорода . Возгорание хлорида диспрозия можно тушить водой. Фторид диспрозия и оксид диспрозия негорючие. Нитрат диспрозия, Dy (NO 3 ) 3 , является сильным окислителем и легко воспламеняется при контакте с органическими веществами.

Растворимые соли диспрозия, такие как хлорид диспрозия и нитрат диспрозия, при проглатывании являются умеренно токсичными. Основываясь на токсичности диспрозия хлорида для мышей , считается, что употребление 500 граммов или более может быть фатальным для человека. Нерастворимые соли нетоксичны.

использованная литература

внешние ссылки