Dysproz

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Dysproz
terb ← dysproz → holm
Wygląd
srebrzystoszary
Dysproz
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a. dysproz, Dy, 66
(łac. dysprosium)
Grupa, okres, blok –, 6, f
Stopień utlenienia III
Właściwości metaliczne lantanowiec
Właściwości tlenków słabo zasadowe
Masa atomowa 162,500(1)[a][2] u
Stan skupienia stały
Gęstość 8551 kg/m³
Temperatura topnienia 1407 °C
Temperatura wrzenia 2567 °C
Numer CAS 7429-91-6
PubChem 23912[3]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)
Commons Multimedia w Wikimedia Commons
Wikisłownik Hasło dysproz w Wikisłowniku

Dysproz (łac. dysprosium), Dypierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 66, jeden z metali ziem rzadkich. W przyrodzie nie występuje w postaci wolnej, ale najczęściej jako dodatkowy składnik minerału ksenotymu. Naturalnie występujący dysproz zawiera 7 izotopów, spośród których najbardziej rozpowszechniony jest 164Dy.
Dysproz został odkryty w 1886 roku przez Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, lecz po raz pierwszy w czystej postaci został otrzymany dopiero w latach 50. XX wieku za pomocą wymiany jonowej. Ze względu na swój przekrój czynny używany jest do produkcji prętów kontrolnych w reaktorach jądrowych, a ze względu na swoją wysoką podatność magnetyczną na magnetyzację w urządzeniach do przechowywania danych jako składnik stopu Terfenol-D. Rozpuszczalne sole dysprozu są lekko toksyczne, natomiast nierozpuszczalne sole uważane są za nietoksyczne.

Historia odkrycia[edytuj | edytuj kod]

W 1878 odkryto, że rudy erbu zawierają tlenki holmu i tulu. Francuski chemik Paul Émile Lecoq de Boisbaudran podczas swojej pracy w Paryżu w 1886 nad tlenkiem holmu zdołał wyodrębnić tlenek dysprozu[4]. Jego procedura do wyizolowania dysprozu wymagała rozpuszczania tlenku dysprozu w kwasie, następnie dodawania amoniaku w celu strącenia wodorotlenku. Wyizolowanie dysprozu w ten sposób wymagało jedynie trzydziestu powtórzeń powyższej procedury. Zanim udało mu się uzyskać dysproz nazwał go dysprositos ((gr.) δυσπρόσιτος), co znaczy "trudny do otrzymania". Jednakże pierwiastek nie został wyizolowany w dostatecznie czystej formie, aż do wczesnych lat 50. XX wieku, kiedy została rozwinięta technika wymiany jonowej przez Franka Speddinga z Iowa State University.

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

Właściwości fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Dysproz jest metalem ziem rzadkich posiadającym metaliczny, srebrzysty połysk. Jest na tyle miękki, że można kroić go nożem i łatwo poddaje się obróbce mechanicznej. Właściwości fizyczne dysprozu w bardzo dużej mierze zależą nawet od niewielkich ilości zanieczyszczeń (domieszek). W temperaturze poniżej 85 K dysproz jest ferromagnetykiem, powyżej tej temperatury staje się antyferromagnetykiem, by w temperaturze 179 K stać się paramagnetykiem[5].

Właściwości chemiczne[edytuj | edytuj kod]

Świeża powierzchnia metalu w warunkach normalnych powoli matowieje tworząc tlenek dysprozu(III):

4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3

Dysproz jest elektrododatni i reaguje powoli z zimną wodą, a szybciej z gorącą, tworząc wodorotlenek dysprozu(III):

2 Dy (s) + 6 H2O(l) → 2 Dy(OH)3(aq) + 3 H2(g)

Metaliczny dysproz z łatwością reaguje ze wszystkimi chlorowcami w temperaturze powyżej 200 °C:

2 Dy(s) + 3 F2(g) → 2 DyF3(s)   (zielony)
2 Dy(s) + 3 Cl2(g) → 2 DyCl3(s) (biały)
2 Dy(s) + 3 Br2(g) → 2 DyBr3(s) (biały)
2 Dy(s) + 3 I2(g) → 2 DyI3(s)    (zielony)

Dysproz z łatwością roztwarza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym tworząc roztwór o żółtej barwie, zawierający jony Dy3+ w postaci kompleksu [Dy(OH2)9]3+[6]:

2 Dy(s) + 3 H2SO4(aq) → 2 Dy3+(aq) + 3 SO2−4(aq) + 3 H2(g)

Związki chemiczne[edytuj | edytuj kod]

Dy2(SO4)3 Siarczan dysprozu(III)

Halogenki dysprozu, takie jak DyF3 czy DyBr3, na ogół przybierają żółtą barwę. Tlenek dysprozu(III) jest białym proszkiem, który posiada silniejsze właściwości magnetyczne niż tlenki żelaza.
Dysproz w wysokich temperaturach reaguje z niemetalami, tworząc związki dwuskładnikowe o zmiennym składzie, najczęściej o +3 stopniu utlenienia, rzadziej na +2. Tego typu znane są związki jak: DyN, DyP, DyH2, DyH3, DyS, DyS2, Dy2S3, Dy5S7, DyB2, DyB4, DyB6, DyB12, Dy3C i Dy2C3.
Większość związków dysprozu jest rozpuszczalnych w wodzie, jednakże związki jak tetrahydrat węglanu dysprozu(III) (Dy2(CO3)3·4H2O) i dekahydrat szczawianu dysprozu(III) (Dy2(C2O4)3·10H2O) są nierozpuszczalne w wodzie[7][8].

Izotopy[edytuj | edytuj kod]

Występujący w przyrodzie dysproz składa się z 7 izotopów:156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy, i 164Dy. Wszystkie wymienione są uważane za stabilne, chociaż 156Dy rozpada się poprzez rozpad alfa o czasie połowicznego rozpadu T1/2 ponad 1×1018  lat. Spośród naturalnie występujących izotopów 164Dy jest najbardziej rozpowszechnionym o zawartości izotopu w metalu około 28%, następnie 162Dy o zawartości 26%. Najmniej rozpowszechnionym jest 156Dy – tylko 0,06%[9].

Sztucznie otrzymano 29 radioizotopów o masach w przedziale od 138 do 173. Najstabilniejszym spośród nich jest 154Dy o T1/2 w przybliżeniu 3×106 lat, następnie 159Dy o T1/2=144 dni. Najmniej stabilnym radioizotopem jest 138Dy o T1/2=200 ms. Izotopy, które są lżejsze od stabilnych izotopów, mają tendencję do ulegania rozpadowi β+, podczas gdy cięższe częściej, z pewnymi wyjątkami, będą ulegały rozpadowi β. 154Dy rozpada się przede wszystkim na skutek rozpadu alfa, a 152Dy i 159Dy na skutek wychwytu elektronu[9]. Dysproz posiada również przynajmniej 11 metastabilnych izomerów jądrowych, w zakresie mas od 140 do 165. Najstabilniejszym spośród nich jest 165mDy o T1/2=1,257 min. 149Dy posiada dwa stany wzbudzeń, z których drugi, 149m2Dy o czasie połowicznego rozpadu, który jest równy 28 ns[9].

Występowanie[edytuj | edytuj kod]

Dysproz nigdy nie jest spotykany w stanie wolnym, ale może być znaleziony w wielu minerałach, wliczając w to ksenotym, fergusonit, gadolinit, euksenit, polikraz, eszynit-(Y), monacyt i bastnazyt. Często występuje wraz z erbem, holmem i innymi metalami ziem rzadkich. Obecnie, najwięcej dysprozu jest uzyskiwane z adsorbujących jony złóż gliny w południowych Chinach[10]. W glinach zawierających duże ilości itru dysproz jest rozpowszechnionym spośród ciężkich lantanowców, stanowiąc 7-8% koncentratu (itr stanowi odpowiednio 65% koncentratu)[11][12]. Zawartość dysprozu w skorupie ziemskiej wynosi około 5,2 mg/kg, a w wodzie morskiej 0,9 ng/L[13].

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Dysproz jest otrzymywany głównie z piasku monacytowego, będącego mieszaniną różnych fosforanów, jako produkt uboczny produkcji itru. Większość niepożądanych metali w surowym produkcie może być usunięta magnetycznie lub poprzez flotację. Dysproz również może być oddzielony od innych metali ziem rzadkich na drodze wymiany jonowej i w wyniku reakcji z fluorem lub chlorem wyizolowany w postaci fluorku lub chlorku dysprozu(III). Związki te mogą być zredukowane do wolnego metalu przy użyciu metalicznego wapnia lub litu[14]:

3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl

Związki są umieszczane w tantalowym tyglu i wypalane w atmosferze helu. Podczas zachodzenia reakcji, powstające halogenki i stopiony dysproz rozdzielają się z powodu różnicy gęstości. Dysproz może być oddzielony od zanieczyszczeń podczas ochładzania mieszaniny[14].

Rocznie na świecie otrzymuje się około 100 ton dysprozu[15], z czym 99% otrzymywanych jest w Chinach[16]. Cena dysprozu w okresie 2003—2010 wzrosła ponad 20-krotnie[17]. W maju 2011 cena metalicznego dysprozu sięgała około 1000$ za kilogram[18].

Zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Dysproz jest używany w połączeniu z wanadem, jak i innymi pierwiastkami ziem rzadkich, w wytwarzaniu materiałów używanych do produkcji laserów[19]. Ze względu na wysoki przekrój czynny absorpcji neutronów termicznych przez dysproz (270 000 fm²[20]), wykorzystywany jest jako detektor neutronów, a jego związki, jak cermety typu tlenek dysprozu-nikiel, są wykorzystywane w absorbujących neutrony prętach kontrolnych w reaktorach jądrowych[21]. Chalkogenki dysprozowo-kadmowe są źródłem promieniowania podczerwonego, co jest wykorzystywane w badaniach nad reakcjami chemicznymi[8]. Ze względu na wysoką podatność, dysprozu i jego związków na magnetyzację jest on wykorzystywany w magazynowaniu danych, głównie w twardych dyskach[22].
Magnesy neodymowo-żelazo-borowe mogą mieć do 6% neodymu zastąpionego dysprozem[23] aby podnieść koercję dla wymagających zastosowań jak silniki napędowe dla elektrycznych pojazdów hybrydowych. Ta zamiana wymagałaby ok. 100 g dysprozu na każdy wyprodukowany samochód. Opierając się na przewidywanej produkcji Toyoty na poziomie 2 mln sztuk rocznie, użycie dysprozu w takich zastosowaniach szybko wyczerpie zasoby tego metalu[24]. Zastępowanie neodymu dysprozem może mieć jeszcze inne użyteczne zastosowania ze względu na poprawę odporności magnesów na korozję[25].
Dysproz jest jednym ze składników terfenolu-D. Stop znalazł zastosowanie m.in. w przetwornikach i szerokopasmowych rezonatorach mechanicznych[26].


Uwagi

  1. Liczba w nawiasie oznacza niepewność ostatniego podanego miejsca po przecinku.

Przypisy

  1. Dysproz (ang.). Karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich dla Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-04].
  2. Current Table of Standard Atomic Weights in Order of Atomic Number (ang.). Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights, IUPAC, 2013-09-24. [dostęp 2013-12-02].
  3. Dysproz – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
  4. Paul Émile Lecoq Boisbaudran. L'holmine (ou terre X de M Soret) contient au moins deux radicaux métallique (Holminia contains at least two metal). „Comptes Rendus”. 143, s. 1003–1006, 1886 (fr.). 
  5. Mike Jackson. Wherefore Gadolinium? Magnetism of the Rare Earths. „IRM Quarterly”. 10 (3), 2000. Institute for Rock Magnetism (ang.). [dostęp 02-05-2011]. 
  6. Mark Winter, The University of Sheffield oraz WebElements Ltd.: Chemical reactions of Dysprosium (ang.). [dostęp 2011-05-11].
  7. Jantsch. Zur Kenntnis der Verbindungen des Dysprosiums. „Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft”. 44 (2), s. 1274–1280, 1911. doi:10.1002/cber.19110440215 (niem.). 
  8. 8,0 8,1 D. L. Perry: Handbook of Inorganic Compounds. CRC Press, 1995, s. 152–154. ISBN 0-8493-8671-3. (ang.)
  9. 9,0 9,1 9,2 G. Audi. Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties. „Nuclear Physics A”. 729, s. 3–128, 2003. Atomic Mass Data Center. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 (ang.). 
  10. Keith Bradsher: Earth-Friendly Elements, Mined Destructively (ang.). 25 grudnia 2009. [dostęp 2011-05-11].
  11. M. Rab, W. Haslik, M. Frey. [Free functional muscle transplantation for facial reanimation: experimental comparison between the one- and two-stage approach].. „Handchir Mikrochir Plast Chir”. 42 (2), s. 115-23, 2010. doi:10.1055/s-2008-1038448. PMID 20376774 (ang.). 
  12. C. K. Gupta, N. (Nagaiyar) Krishnamurthy: Extractive metallurgy of rare earth. Boca Raton, Fla.: CRC Press, 2005. ISBN 978-0-415-33340-5. (ang.)
  13. Pradyot. Patnaik: Handbook of inorganic chemical. New York: McGraw-Hill, 2003. ISBN 0-07-049439-8. (ang.)
  14. 14,0 14,1 David L. Heiserman: Exploring chemical elements and their compound. Blue Ridge Summit, PA: Tab Books, 1992, s. 236–238. ISBN 0-8306-3018-X. (ang.)
  15. Dysprosium (Dy) – Chemical properties, Health and Environmental effects (ang.). Lenntech Water treatment & air purification Holding B.V., 2008. [dostęp 2011-06-01].
  16. Greenmomentum, Inc.: Rare Earth Elements get rarer (ang.). 2 września 2009. [dostęp 2011-06-01].
  17. Bradsher, Keith: In China, Illegal Rare Earth Mines Face Crackdown (ang.). 29 grudnia, 2010. [dostęp 2011-06-01].
  18. Metal-Pages Ltd: Metal Prices » Dysprosium (ang.). maj 2011. [dostęp 2011-06-01].
  19. Y. H. Tsang, A. E. El-Taher. Efficient lasing at near 3 μm by a Dy-doped ZBLAN fiber laser pumped at ~ 1.1 μm by an Yb fiber laser. „Laser Physics Letters”. 8 (11), s. 818-, 6 czerwca 2011. IOP Publishing. ISSN 1612-202X (ang.). 
  20. Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 8311067236. (pol.)
  21. Sinha Amit, Beant Prakash Sharma. Development of Dysprosium Titanate Based Ceramics. „Journal of the American Ceramic Society”. 88 (4), s. 1064–1066, 2005. doi:10.1111/j.1551-2916.2005.00211.x (ang.). 
  22. Chemistry Foundations and Applications. T. 2. Thomson Gale, 2004, s. 267–268. ISBN 0-02-865724-1. (ang.)
  23. Fang, X. Shi, Y. Shi, D.C. Jiles. Modeling of magnetic properties of heat treated Dy-doped NdFeBparticles bonded in isotropic and anisotropic arrangements. „IEEE Transactions on Magnetics”. 34 (4), s. 1291–1293, 1998. doi:10.1109/20.706525. Bibcode1998ITM....34.1291F (ang.). 
  24. Peter Campbell: Supply and Demand, Part 2 (ang.). Princeton Electro-Technology, Inc., luty 2008. [dostęp 2014-01-26].
  25. L. Q. Yu, Y Wen, M Yan. Effects of Dy and Nb on the magnetic properties and corrosion resistance of sintered NdFeB. „Journal of Magnetism and Magnetic Materials”. 283 (2–3), s. 353–356, 2004. doi:10.1016/j.jmmm.2004.06.006. Bibcode2004JMMM..283..353Y (ang.). 
  26. Wide Band Tunable Mechanical Resonator Employing the ΔE Effect of Terfenol-D. „Journal of Intelligent Material Systems and Structures”. 15 (5), s. 355-368, maj 2004. SAGE Publications. doi:10.1177/1045389X04040649 (ang.).