Dysprosium - Dysprosium

Dysprosium,  66 Dy
Dy chips.jpg
Dysprosium
Výslovnost / D ɪ s p r z i ə m / ( Disable PrOH -zee-əm )
Vzhled stříbřitě bílá
Standardní atomová hmotnost A r, std (Dy) 162,500 (1)
Dysprosium v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Dy

Srov
terbiumdysprosiumholmium
Atomové číslo ( Z ) 66
Skupina skupina n/a
Doba období 6
Blok   f-blok
Konfigurace elektronů [ Xe ] 4f 10 6s 2
Elektrony na skořápku 2, 8, 18, 28, 8, 2
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 1680  K (1407 ° C, 2565 ° F)
Bod varu 2840 K (2562 ° C, 4653 ° F)
Hustota (blízko  rt ) 8,540 g / cm 3
při kapalině (při  mp ) 8,37 g / cm 3
Teplo fúze 11,06  kJ/mol
Teplo odpařování 280 kJ/mol
Molární tepelná kapacita 27,7 J/(mol · K)
Tlak páry
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 1378 1523 (1704) (1954) (2304) (2831)
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy 0, +1, +2, +3 , +4 (slabě zásaditý oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,22
Ionizační energie
Atomový poloměr empirické: 178  hod
Kovalentní poloměr 192 ± 19 hodin
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální linie dysprosia
Další vlastnosti
Přirozený výskyt prvotní
Krystalická struktura šestihranný uzavřený (hcp)
Šestihranná uzavřená krystalová struktura pro dysprosium
Rychlost zvuku tenký prut 2710 m/s (při 20 ° C)
Teplotní roztažnost α, poly: 9,9 µm/(m⋅K) ( rt )
Tepelná vodivost 10,7 W/(m⋅K)
Elektrický odpor α, poly: 926 nΩ⋅m ( rt )
Magnetické uspořádání paramagnetický při 300 K.
Molární magnetická citlivost 103 500 x 10 -6  cm 3 / mol (293,2 K)
Youngův modul α forma: 61,4 GPa
Tažný modul α forma: 24,7 GPa
Hromadný modul α forma: 40,5 GPa
Poissonův poměr α forma: 0,247
Vickersova tvrdost 410–550 MPa
Tvrdost podle Brinella 500–1050 MPa
Číslo CAS 7429-91-6
Dějiny
Objev Lecoq de Boisbaudran (1886)
První izolace Georges Urbain (1905)
Hlavní izotopy dysprosia
Izotop Hojnost Poločas rozpadu ( t 1/2 ) Režim rozpadu Produkt
154 Dy syn 3,0 x 10 6  y α 150 Gd
156 Dy 0,056% stabilní
158 Dy 0,095% stabilní
160 Dy 2,329% stabilní
161 Dy 18,889% stabilní
162 Dy 25,475% stabilní
163 Dy 24,896% stabilní
164 Dy 28,260% stabilní
Kategorie Kategorie: Dysprosium
| Reference

Dysprosium je chemický prvek se symbolem Dy a atomovým číslem 66. Jedná se o prvek vzácných zemin s kovovým stříbrným leskem. Dysprosium se v přírodě nikdy nenachází jako volný prvek, ačkoli se nachází v různých minerálech, jako je xenotime . Přirozeně se vyskytující dysprosium se skládá ze sedmi izotopů , z nichž nejhojnější je 164 Dy.

Dysprosium byl poprvé identifikován v roce 1886 Paulem Émile Lecoq de Boisbaudranem , ale nebyl izolován v čisté formě až do vývoje technik iontové výměny v 50. letech minulého století. Dysprosium má relativně málo aplikací, kde jej nelze nahradit jinými chemickými prvky. Používá se pro svůj vysoký tepelný absorpční průřez neutrony při výrobě řídicích tyčí v jaderných reaktorech , pro vysokou magnetickou citlivost ( χ v5,44 × 10 −3 ) v aplikacích pro ukládání dat a jako součást Terfenol-D (magnetostrikční materiál). Rozpustné soli dysprosia jsou mírně toxické, zatímco nerozpustné soli jsou považovány za netoxické.

Charakteristika

Fyzikální vlastnosti

Ukázka dysprosia

Dysprosium je prvek vzácných zemin a má kovový jasný stříbrný lesk. Je docela měkký a lze jej obrobit bez jiskření, pokud je zabráněno přehřátí. Fyzikální vlastnosti dysprosia mohou být velmi ovlivněny i malým množstvím nečistot.

Dysprosium a holmium mají nejvyšší magnetickou sílu prvků, zejména při nízkých teplotách. Dysprosium má jednoduché feromagnetické uspořádání při teplotách pod 85 K (−188,2 ° C). Nad 85 K (-188,2 ° C) přechází do šroubovicového antiferomagnetického stavu, ve kterém jsou všechny atomové momenty v určité vrstvě bazální roviny rovnoběžné a orientované v pevném úhlu k momentům sousedních vrstev. Tento neobvyklý antiferomagnetismus se při 179 K (-94 ° C) transformuje do neuspořádaného ( paramagnetického ) stavu.

Chemické vlastnosti

Dysprosium metal zachovává svůj lesk na suchém vzduchu, ale ve vlhkém vzduchu se pomalu kazí a snadno hoří za vzniku oxidu dysprosia (III) :

4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3

Dysprosium je poměrně elektropozitivní a pomalu reaguje se studenou vodou (a poměrně rychle s horkou vodou) za vzniku hydroxidu dysprosia:

2 Dy (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Dy (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)

Dysprosium metal energicky reaguje se všemi halogeny při teplotě vyšší než 200 ° C:

2 Dy (s) + 3 F 2 (g) → 2 DyF 3 (s) [zelená]
2 Dy (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 DyCl 3 (s) [bílý]
2 Dy (s) + 3 Br 2 (g) → 2 DyBr 3 (s) [bílý]
2 Dy (s) + 3 I 2 (g) → 2 DyI 3 (s) [zelená]

Dysprosium se snadno rozpouští ve zředěné kyselině sírové za vzniku roztoků obsahujících žluté ionty Dy (III), které existují jako komplex [Dy (OH 2 ) 9 ] 3+ :

2 Dy (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Dy 3+ (aq) + 3 SO2-
4
(aq) + 3 H 2 (g)

Výsledná sloučenina, síran dysprosium (III), je znatelně paramagnetická.

Sloučeniny

Dysprosium sulfate, Dy 2 (SO 4 ) 3

Halogenidy dysprosia, jako jsou DyF 3 a DyBr 3 , mají tendenci nabývat žluté barvy. Dysprosium oxid , také známý jako dysprosia, je bílý prášek, který je vysoce magnetický , více než oxid železa.

Dysprosium kombinuje s různými nekovů při vysokých teplotách za vzniku binární sloučeniny s různého složení a oxidačních stavů +3 a někdy +2, jako je Dyn, DYP, DyH 2 a DyH 3 ; DyS, DyS 2 , Dy 2 S 3 a Dy 5 S 7 ; DyB 2 , DyB 4 , DyB 6 a DyB 12 , stejně jako Dy 3 C a Dy 2 C 3 .

Dysprosium karbonát, Dy 2 (CO 3 ) 3 , a dysprosium sulfát, Dy 2 (SO 4 ) 3 , jsou důsledkem podobných reakcí. Většina sloučenin dysprosia je rozpustná ve vodě, ačkoli tetrahydrát uhličitanu dysprosium (Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O) a dekahydrát oxalátu dysprosium (Dy 2 (C 2 O 4 ) 3 · 10 H 2 O) jsou ve vodě nerozpustné. Dva z nejhojnějších uhličitanů dysprosia, Dy 2 (CO 3 ) 3 · 2–3H 2 O (podobný minerálu tengerit- (Y)) a DyCO 3 (OH) (podobný minerálům kozoite- (La) a kozoite -(Nd), je známo, že se tvoří prostřednictvím špatně uspořádané (amorfní) prekurzorové fáze se vzorcem Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O. Tento amorfní prekurzor se skládá z vysoce hydratovaných sférických nanočástic o průměru 10–20 nm, jsou mimořádně stabilní za sucha při okolních a vysokých teplotách.

Izotopy

Přirozeně se vyskytující dysprosium se skládá ze sedmi izotopů : 156 Dy, 158 Dy, 160 Dy, 161 Dy, 162 Dy, 163 Dy a 164 Dy. Všechny jsou považovány za stabilní, i když 156 Dy může teoreticky podstoupit alfa rozpad s poločasem rozpadu více než 1 × 10 18  let. Z přirozeně se vyskytujících izotopů je nejhojnější 164 Dy s 28%, následováno 162 Dy s 26%. Nejméně hojný je 156 Dy při 0,06%.

Bylo také syntetizováno dvacet devět radioizotopů v rozmezí atomové hmotnosti od 138 do 173. Nejstabilnější z nich je 154 Dy s poločasem rozpadu přibližně 3 × 106 6  let, následováno 159 Dy s poločasem rozpadu 144,4 dne. Nejméně stabilní je 138 Dy s poločasem 200 ms. Obecným pravidlem je, že izotopy, které jsou lehčí než stabilní izotopy, mají tendenci se rozpadat primárně rozpadem β + , zatímco těžší izotopy mají sklon k rozpadu β - rozpadem . Nicméně, 154 Dy rozpadá primárně alfa rozpad, a 152 Dy a 159 Dy rozpad především elektronového záchytu . Dysprosium má také nejméně 11 metastabilních izomerů v rozmezí atomové hmotnosti od 140 do 165. Nejstabilnější z nich je 165 m Dy, který má poločas rozpadu 1,257 minuty. 149 Dy má dva metastabilní izomery, z nichž druhý, 149m2 Dy, má poločas rozpadu 28 ns.

Dějiny

V roce 1878 bylo zjištěno , že erbiové rudy obsahují oxidy holmia a thulia . Francouzský chemik Paul Émile Lecoq de Boisbaudran při práci s oxidem holmium z něj v Paříži v roce 1886 oddělil oxid dysprosium. Jeho postup izolace dysprosia zahrnoval rozpuštění oxidu dysprosia v kyselině a poté přidání amoniaku za účelem vysrážení hydroxidu. Izolovat dysprosium od jeho oxidu dokázal až po více než 30 pokusech o jeho postup. Když uspěl, pojmenoval prvek dysprosium z řeckého dysprositos (δυσπρρσσιτος), což znamená „těžko dostupné“. Prvek byl izolován v relativně čisté formě až po vývoji technik iontové výměny Frankem Speddingem na Iowské státní univerzitě na počátku 50. let minulého století.

Vzhledem ke své roli v permanentních magnetech používaných pro větrné turbíny se tvrdí, že dysprosium bude jedním z hlavních objektů geopolitické soutěže ve světě využívajícím obnovitelnou energii. Tato perspektiva však byla kritizována za to, že nerozpoznala, že většina větrných turbín nepoužívá permanentní magnety, a že podcenila sílu ekonomických pobídek pro rozšířenou produkci.

V roce 2021 se z Dy stal 2dimenzionální supersolidový kvantový plyn.

Výskyt

Xenotime

Zatímco dysprosium se nesetkal jako volný element, to je nalezené v mnoha minerálních látek , včetně xenotim , fergusonite , gadolinite , euxenite , polycrase , blomstrandine , monazit a bastnäsite , často s erbiem a Holmium nebo jiných prvků vzácných zemin. Dosud nebyl nalezen žádný minerál dominující dysprosium (tj. S dysprosiem převládajícím nad jinými vzácnými zeminami).

Ve verzi s vysokým obsahem yttria je dysprosium nejhojnějším z těžkých lanthanoidů , které obsahují až 7–8% koncentrátu (ve srovnání s asi 65% pro yttrium). Koncentrace Dy v zemské kůře je asi 5,2 mg/kg a v mořské vodě 0,9 ng/L.

Výroba

Dysprosium se získává především z monazitového písku, směsi různých fosfátů . Kov se získává jako vedlejší produkt při komerční extrakci yttria. Při izolaci dysprosia lze většinu nežádoucích kovů odstranit magneticky nebo flotačním procesem . Dysprosium pak může být odděleno od ostatních kovů vzácných zemin pomocí procesu výměny iontů . Výsledné dysprosiové ionty pak mohou reagovat buď s fluorem nebo chlorem za vzniku dysprosium fluoridu, DyF 3 , nebo dysprosium chloridu, DyCl 3 . Tyto sloučeniny lze redukovat použitím kovy vápníku nebo lithia v následujících reakcích:

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

Komponenty jsou umístěny do tantalového kelímku a vypalovány v heliové atmosféře. Jak reakce postupuje, výsledné halogenidové sloučeniny a roztavené dysprosium se oddělují kvůli rozdílům v hustotě. Když se směs ochladí, může být dysprosium odříznuto od nečistot.

Celosvětově se ročně vyrobí asi 100 tun dysprosia, přičemž 99% z celkového množství se vyrobí v Číně. Ceny dysprosia se vyšplhaly téměř dvacetinásobně, ze 7 USD za libru v roce 2003 na 130 USD za libru na konci roku 2010. Cena se v roce 2011 zvýšila na 1400 USD/kg, ale v roce 2015 klesla na 240 USD, a to především kvůli nelegální produkci v Číně, která obcházela vládní omezení.

V současné době se většina dysprosia získává z iontových adsorpčních rud z jižní Číny. V listopadu 2018 produkuje pilotní závod Browns Range Project 160 km jihovýchodně od Halls Creek v západní Austrálii 50 tun (49 dlouhých tun) ročně.

Podle amerického ministerstva energetiky činí široká škála jeho současných a předpokládaných použití spolu s nedostatkem jakékoli bezprostředně vhodné náhrady dysprosium jediným nejdůležitějším prvkem nově vznikajících technologií čisté energie - dokonce i jejich nejkonzervativnější projekce předpovídají nedostatek dysprosia před rokem 2015. Ke konci roku 2015 existuje v Austrálii rodící se průmysl těžby vzácných zemin (včetně dysprosia).

Aplikace

Dysprosium se používá ve spojení s vanadem a dalšími prvky k výrobě laserových materiálů a komerčního osvětlení. Vzhledem k vysokému průřezu absorpce tepelných neutronů dysprosia se v regulačních tyčích absorbujících neutrony v jaderných reaktorech používají cermety dysprosium-oxid-nikl . Dysprosium- kadmium chalkogenidy jsou zdrojem infračerveného záření, což je užitečné pro studium chemických reakcí. Vzhledem k tomu, že dysprosium a jeho sloučeniny jsou vysoce citlivé na magnetizaci, používají se v různých aplikacích pro ukládání dat, například na pevné disky . Dysprosium je stále více žádáno o permanentní magnety používané v motorech elektromobilů a generátorech větrných turbín.

Neodym litinové-bor magnety mohou mít až 6% neodymu substituovaný dysprosium zvýšit koercivitou pro náročné aplikace, jako jsou například hnacích motorů pro elektrická vozidla a generátory pro větrné turbíny. Tato náhrada by vyžadovala až 100 gramů dysprosia na jeden vyrobený elektromobil. Na základě předpokládaných 2 milionů kusů Toyota za rok by použití dysprosia v takových aplikacích rychle vyčerpalo dostupné zásoby. Substituce dysprosia může být také užitečná v jiných aplikacích, protože zlepšuje odolnost magnetů proti korozi.

Dysprosium je jednou ze složek přípravku Terfenol-D spolu se železem a terbiem. Terfenol-D má nejvyšší magnetostrikci při pokojové teplotě ze všech známých materiálů, které se používají v převodnících , širokopásmových mechanických rezonátorech a vysoce přesných vstřikovačích kapalného paliva.

Dysprosium se používá v dozimetrech pro měření ionizujícího záření . Krystaly síranu vápenatého nebo fluoridu vápenatého jsou dopovány dysprosiem. Když jsou tyto krystaly vystaveny záření, atomy dysprosia se stanou excitovanými a luminiscenčními . Luminiscenci lze měřit, aby se určil stupeň expozice, které byl dozimetr podroben.

Nanovlákna sloučenin dysprosia mají vysokou pevnost a velký povrch. Proto je lze použít k vyztužení jiných materiálů a fungovat jako katalyzátor. Vlákna fluoridu dysprosiumoxidu lze vyrobit zahříváním vodného roztoku DyBr 3 a NaF na 450 ° C při 450  barech po dobu 17 hodin. Tento materiál je pozoruhodně robustní, přežívá více než 100 hodin v různých vodných roztocích při teplotách přesahujících 400 ° C bez opětovného rozpouštění nebo agregace. Kromě toho bylo dysprosium použito k vytvoření dvourozměrného supersolida v laboratorním prostředí. Očekává se, že supersolidy budou vykazovat neobvyklé vlastnosti, včetně supratekutosti.

Dysprosium jodid a dysprosium bromid se používají ve vysoce intenzivních halogenidových výbojkách . Tyto sloučeniny se disociují v blízkosti horkého středu lampy a uvolňují izolované atomy dysprosia. Ten druhý vyzařuje světlo v zelené a červené části spektra, čímž účinně produkuje jasné světlo.

V adiabatických demagnetizačních chladničkách se používá několik paramagnetických krystalových solí dysprosia (granát dysprosium gallium, DGG; dysprosium aluminium grannet, DAG; dysprosium iron grannet, DyIG) .

Trojmocný dysprosiový iont (Dy 3+ ) byl studován kvůli svým downshifting luminiscenčním vlastnostem. Dy-dopovaný yttriový hliníkový granát ( Dy: YAG ) excitovaný v ultrafialové oblasti elektromagnetického spektra má za následek emisi fotonů s delší vlnovou délkou ve viditelné oblasti. Tato myšlenka je základem pro novou generaci bílých světelných diod emitovaných UV zářením.

Opatření

Jako mnoho prášků může i prášek dysprosia představovat nebezpečí výbuchu při smíchání se vzduchem a při přítomnosti zdroje zapálení. Tenké fólie látky mohou být také zapáleny jiskrami nebo statickou elektřinou . Dysprosiové požáry nelze uhasit vodou. Může reagovat s vodou za vzniku hořlavého vodíku . Požáry dysprosiumchloridu lze uhasit vodou. Dysprosiumfluorid a dysprosium oxid jsou nehořlavé. Dysprosium nitrate, Dy (NO 3 ) 3 , je silné oxidační činidlo a při kontaktu s organickými látkami se snadno vznítí.

Rozpustné soli dysprosia, jako je dysprosium chlorid a dusičnan dysprosium, jsou při požití mírně toxické. Na základě toxicity dysprosiumchloridu pro myši se odhaduje, že požití 500 gramů a více by mohlo být pro člověka smrtelné. Nerozpustné soli jsou netoxické.

Reference

externí odkazy