Dysprosium - Dysprosium
Dysprosium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Výslovnost |
/ D ɪ s p r oʊ z i ə m / |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vzhled | stříbřitě bílá | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standardní atomová hmotnost A r, std (Dy) | 162,500 (1) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dysprosium v periodické tabulce | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spektrální linie dysprosia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Další vlastnosti | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Přirozený výskyt | prvotní | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Krystalická struktura | šestihranný uzavřený (hcp) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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 v ≈5,44 × 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
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
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
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