Диспрозий — химический элемент ; он имеет символ Dy и атомный номер 66. Это редкоземельный элемент из ряда лантаноидов с металлическим серебряным блеском. Диспрозий никогда не встречается в природе в свободном виде, хотя, как и другие лантаноиды, встречается в различных минералах, например в ксенотиме . Встречающийся в природе диспрозий состоит из семи изотопов , наиболее распространенным из которых является 164 Dy.
Диспрозий был впервые идентифицирован в 1886 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном , но в чистом виде он не был выделен до тех пор, пока в 1950-х годах не были разработаны методы ионного обмена . Диспрозий имеет относительно небольшое количество применений, в которых его нельзя заменить другими химическими элементами. Его используют из-за высокого сечения поглощения тепловых нейтронов при изготовлении стержней управления ядерных реакторов , из-за высокой магнитной восприимчивости ( χ v ≈5,44 × 10 -3 ) в приложениях для хранения данных и в качестве компонента Терфенола-Д ( магнитострикционного материала). Растворимые соли диспрозия слаботоксичны, а нерастворимые соли считаются нетоксичными.
Диспрозий — редкоземельный элемент , обладающий металлическим ярким серебряным блеском. Он довольно мягкий, и его можно обрабатывать без искр, если избегать перегрева. На физические характеристики диспрозия может сильно повлиять даже небольшое количество примесей. [7]
Диспрозий и гольмий обладают самой высокой магнитной силой среди элементов [8] , особенно при низких температурах. [9] Диспрозий имеет простое ферромагнитное упорядочение при температурах ниже 85 К (-188,2 ° C). 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 °С). [10]
Металлический диспрозий сохраняет свой блеск в сухом воздухе, однако он медленно тускнеет во влажном воздухе и легко горит с образованием оксида диспрозия (III) :
Диспрозий весьма электроположителен и медленно реагирует с холодной водой (и довольно быстро с горячей водой), образуя гидроксид диспрозия :
Гидроксид диспрозия разлагается с образованием DyO (OH) при повышенных температурах, который затем снова разлагается до оксида диспрозия (III). [11]
Металлический диспрозий энергично реагирует со всеми галогенами при температуре выше 200 ° C: [ нужна ссылка ]
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+ : [12]
Полученное соединение, сульфат диспрозия (III), является заметно парамагнитным.
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. [9]
Диспрозий соединяется с различными неметаллами при высоких температурах, образуя бинарные соединения с различным составом и степенью окисления +3, а иногда и +2, такие как 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 . [13]
Карбонат диспрозия Dy 2 (CO 3 ) 3 и сульфат диспрозия Dy 2 (SO 4 ) 3 образуются в результате сходных реакций. [14] 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. [15] [16] Два наиболее распространенных карбоната диспрозия, Dy 2 (CO 3 ) 3 ·2–3H 2 O (похож на минерал тенгерит-(Y)), и DyCO 3 (OH) (похож на минерал козоит -(La) и козоит-(Nd), как известно, образуются через плохо упорядоченную (аморфную) фазу-предшественник с формулой Dy 2 (CO 3 ) 3 ·4H 2 O. Этот аморфный предшественник состоит из сильно гидратированных сферических наночастиц Диаметром 10–20 нм, которые исключительно стабильны при сухой обработке при температуре окружающей среды и высоких температурах [17] .
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 теоретически стабильны только два последних: остальные теоретически могут подвергаться альфа-распаду. Из встречающихся в природе изотопов 164 Dy является наиболее распространенным (28%), за ним следует 162 Dy (26%). Наименее распространенным является 156 Dy (0,06%). [18] Диспрозий является самым тяжелым элементом, изотопы которого, по прогнозам, будут стабильными, а не стабильными по наблюдениям изотопами, которые, по прогнозам, будут радиоактивными.
Также было синтезировано двадцать девять радиоизотопов с атомной массой от 138 до 173. Наиболее стабильным из них является 154 Dy с периодом полураспада примерно 3 × 10.6 лет, за ним следует 159 Dy с периодом полураспада 144,4 дня. Наименее стабильным является 138 Dy с периодом полураспада 200 мс. Как правило, изотопы, которые легче стабильных изотопов, имеют тенденцию к распаду в основном за счет β + -распада, тогда как более тяжелые имеют тенденцию к распаду за счет β - распада . Однако 154 Dy распадается преимущественно за счет альфа-распада, а 152 Dy и 159 Dy распадаются преимущественно за счет захвата электронов . [18] Диспрозий также имеет по меньшей мере 11 метастабильных изомеров с атомной массой от 140 до 165. Наиболее стабильным из них является 165m Dy, период полураспада которого составляет 1,257 минут. 149 Dy имеет два метастабильных изомера, второй из которых, 149m2 Dy, имеет период полураспада 28 нс. [18]
В 1878 году в эрбиевых рудах были обнаружены оксиды гольмия и тулия . Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран , работая с оксидом гольмия , выделил из него оксид диспрозия в Париже в 1886 году. [19] [20] Его процедура выделения диспрозия включала растворение оксида диспрозия в кислоте, а затем добавление аммиака для осаждения гидроксида. . Ему удалось выделить диспрозий из его оксида только после более чем 30 попыток проведения процедуры. Добившись успеха, он назвал элемент диспрозием от греческого диспрозитос (δυσπρόσιτος), что означает «трудно достать». Элемент не был выделен в относительно чистой форме до тех пор, пока Фрэнк Спеддинг в Университете штата Айова не разработал методы ионного обмена в начале 1950-х годов. [8] [21]
Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых в ветряных турбинах, это утверждалось [ кем? ] что диспрозий станет одним из главных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии. Но эта точка зрения подверглась критике за неспособность признать, что большинство ветряных турбин не используют постоянные магниты, а также за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства. [22] [23]
В 2021 году Dy превратился в двумерный сверхтвёрдый квантовый газ. [24]
Хотя диспрозий никогда не встречается в свободном виде, он встречается во многих минералах , включая ксенотим , фергюсонит , гадолинит , эвксенит , поликраз , бломстрандин , монацит и бастнезит , часто с эрбием и гольмием или другими редкоземельными элементами. Минерал с преобладанием диспрозия (т. е. с преобладанием диспрозия в составе над другими редкоземельными элементами) пока не обнаружен. [25]
В их версии с высоким содержанием иттрия диспрозий оказывается наиболее распространенным из тяжелых лантаноидов , составляя до 7–8% концентрата (по сравнению с примерно 65% для иттрия). [26] [27] Концентрация Dy в земной коре составляет около 5,2 мг/кг, а в морской воде — 0,9 нг/л. [13]
Диспрозий получают преимущественно из монацитового песка — смеси различных фосфатов . Металл получается как побочный продукт при промышленной добыче иттрия. При выделении диспрозия большинство нежелательных металлов можно удалить магнитным способом или методом флотации . Затем диспрозий можно отделить от других редкоземельных металлов с помощью процесса ионного обмена. Образующиеся ионы диспрозия могут затем реагировать либо с фтором , либо с хлором с образованием фторида диспрозия DyF 3 или хлорида диспрозия DyCl 3 . Эти соединения можно восстановить с использованием металлов кальция или лития в следующих реакциях: [14]
Компоненты помещаются в танталовый тигель и обжигаются в атмосфере гелия . По мере развития реакции образующиеся галогенидные соединения и расплавленный диспрозий разделяются из-за разницы в плотности. Когда смесь остынет, диспрозий можно будет отделить от примесей. [14]
Ежегодно во всем мире производится около 100 тонн диспрозия, [28] причем 99% этого количества производится в Китае. [ 29] 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 . Китай, который обошел правительственные ограничения. [30]
В настоящее время большую часть диспрозия получают из ионно-адсорбционных глинистых руд южного Китая. [31] По состоянию на ноябрь 2018 года [обновлять]пилотный завод Browns Range Project, расположенный в 160 км к юго-востоку от Холлс-Крик, Западная Австралия , производил 50 тонн (49 длинных тонн) в год. [32] [33]
По данным Министерства энергетики США , широкий спектр его текущего и прогнозируемого использования, а также отсутствие какой-либо подходящей замены делает диспрозий единственным наиболее важным элементом для новых технологий чистой энергии; даже их самые консервативные прогнозы предсказывали дефицит диспрозия до 2015 года. [34] По состоянию на конец 2015 года в Австралии зарождалась индустрия добычи редкоземельных элементов (включая диспрозий). [35]
Диспрозий используется в сочетании с ванадием и другими элементами при производстве лазерных материалов и коммерческого освещения. Из-за высокого сечения поглощения тепловых нейтронов диспрозием керметы оксида диспрозия и никеля используются в поглощающих нейтроны регулирующих стержнях в ядерных реакторах . [8] [36] Халькогениды диспрозия и кадмия являются источниками инфракрасного излучения, что полезно для изучения химических реакций. [7] Поскольку диспрозий и его соединения очень чувствительны к намагничиванию, они используются в различных приложениях для хранения данных, например, в жестких дисках . [37] Диспрозий становится все более востребованным в качестве постоянных магнитов, используемых в двигателях электромобилей и ветряных генераторах. [38]
Неодим -железо-борные магниты могут содержать до 6% неодима, замененного диспрозием [39] для повышения коэрцитивной силы для требовательных применений, таких как приводные двигатели для электромобилей и генераторы для ветряных турбин. Такая замена потребует до 100 граммов диспрозия на произведенный электромобиль. Учитывая прогнозируемый объем производства Toyota в 2 миллиона единиц в год, использование диспрозия в подобных целях быстро исчерпает его доступные запасы. [40] Замещение диспрозием также может быть полезно в других применениях, поскольку оно улучшает коррозионную стойкость магнитов. [41]
Диспрозий является одним из компонентов Терфенола-Д , наряду с железом и тербием. Терфенол-Д обладает самой высокой магнитострикцией при комнатной температуре среди всех известных материалов, [42] который используется в преобразователях , широкополосных механических резонаторах , [43] и высокоточных жидкотопливных форсунках. [44]
Диспрозий используется в дозиметрах для измерения ионизирующего излучения . Кристаллы сульфата или фторида кальция легированы диспрозием. Когда эти кристаллы подвергаются воздействию радиации, атомы диспрозия возбуждаются и люминесцируют . Люминесценцию можно измерить, чтобы определить степень воздействия, которому подвергся дозиметр. [8]
Нановолокна соединений диспрозия обладают высокой прочностью и большой площадью поверхности. Следовательно, их можно использовать для армирования других материалов и действовать в качестве катализатора. Волокна из фторида оксида диспрозия можно получить путем нагревания водного раствора DyBr 3 и NaF до 450 °C при давлении 450 бар в течение 17 часов. Этот материал чрезвычайно прочен: он выдерживает более 100 часов в различных водных растворах при температуре выше 400 °C без повторного растворения или агрегации. [45] [46] [47] Кроме того, диспрозий использовался для создания двумерного сверхтвердого тела в лабораторных условиях. Ожидается, что сверхтвердые вещества будут проявлять необычные свойства, включая сверхтекучесть. [48]
Йодид диспрозия и бромид диспрозия используются в металлогалогенных лампах высокой интенсивности . Эти соединения диссоциируют вблизи горячего центра лампы, выделяя изолированные атомы диспрозия. Последние переизлучают свет в зеленой и красной части спектра, тем самым эффективно создавая яркий свет. [8] [49]
Несколько парамагнитных кристаллических солей диспрозия (диспрозиево-галлиевый гранат, DGG; диспрозиево-алюминиевый гранат, DAG; диспрозиево-железный гранат, DyIG) используются в холодильниках с адиабатическим размагничиванием . [50] [51]
Трехвалентный ион диспрозия (Dy 3+ ) был изучен благодаря его понижающим люминесцентным свойствам. Алюмоиттриевый гранат, легированный диоксидом углерода ( Dy:YAG ), возбужденный в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра, приводит к излучению фотонов с большей длиной волны в видимой области. Эта идея легла в основу нового поколения белых светодиодов с УФ-накачкой. [52]
Стабильные изотопы диспрозия охлаждались лазером и удерживались в магнитооптических ловушках [53] для экспериментов по квантовой физике . Первые бозе- и ферми- квантовые вырожденные газы лантаноидов с открытой оболочкой были созданы с помощью диспрозия. [54] [55] Поскольку диспрозий обладает сильными магнитными свойствами — на самом деле это самый магнитный фермионный элемент и почти связан с тербием для большинства магнитных бозонных атомов [56] — такие газы служат основой для квантового моделирования с сильно диполярными атомами. [57]
Как и многие порошки, порошок диспрозия может представлять опасность взрыва при смешивании с воздухом и при наличии источника возгорания. Тонкие фольги вещества также могут воспламениться от искр или статического электричества . Пожары диспрозия невозможно потушить водой. Он может реагировать с водой с образованием легковоспламеняющегося газообразного водорода. [58] Пожары хлорида диспрозия можно тушить водой. [59] Фторид диспрозия и оксид диспрозия негорючи. [60] [61] Нитрат диспрозия, Dy(NO 3 ) 3 , является сильным окислителем и легко воспламеняется при контакте с органическими веществами. [9]
Растворимые соли диспрозия, такие как хлорид диспрозия и нитрат диспрозия, умеренно токсичны при проглатывании. Учитывая токсичность хлорида диспрозия для мышей , предполагается, что проглатывание 500 граммов и более может быть смертельным для человека (сравните смертельную дозу 300 граммов обычной поваренной соли для человека весом 100 килограммов). Нерастворимые соли нетоксичны. [8]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )