镝 ( dī ) (英语:Dysprosium ),是一种化学元素 ,其化学符号 为Dy ,原子序数 为66,原子量 为7002162500000000000♠ 162.500 u 属于镧系元素 ,也是稀土元素 之一。镝的外观具银色金属光泽。镝在大自然中不以单质出现,而是包含在多种矿物之中,例如磷钇矿 等。自然形成的镝由7种同位素 组成,其中丰度 最高的是164 Dy。
Quick Facts 外观, 概况 ...
镝 66 Dy 银白色 名称·符号 ·序数 镝(Dysprosium)·Dy·66 元素类别 镧系元素 族 ·周期 ·区 不适用 ·6 ·f 标准原子质量 162.500(1)[ 1] 电子排布 [氙 ] 4f10 6s2 2, 8, 18, 28, 8, 2
镝的电子层(2, 8, 18, 28, 8, 2) 发现 保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰 (1886年)物态 固体 密度 (接近室温 ) 8.540 g ·cm −3 熔点 时液体密度8.37 g·cm−3 熔点 1680 K ,1407 °C ,2565 °F 沸点 2840 K ,2562 °C ,4653 °F 熔化热 11.06 kJ·mol−1 汽化热 280 kJ·mol−1 比热容 27.7 J·mol−1 ·K−1 蒸气压
压/Pa
1
10
100
1 k
10 k
100 k
温/K
1378
1523
(1704)
(1954)
(2304)
(2831)
氧化态 3 , 2, 1
(弱碱性 氧化物)电负性 1.22(鲍林标度) 电离能 第一:573.0 kJ·mol−1
第二:1130 kJ·mol−1
第三:2200 kJ·mol−1 原子半径 178 pm 共价半径 192±7 pm 镝的原子谱线 晶体结构 六方密堆积 磁序 300 K时顺磁性 电阻率 (室温 )(α型多晶)926 n Ω ·m 热导率 10.7 W·m−1 ·K−1 热膨胀系数 (室温 )(α型多晶)9.9 µm/(m·K) 声速 (细棒)(20 °C)2710 m·s−1 杨氏模量 (α型)61.4 GPa 剪切模量 (α型)24.7 GPa 体积模量 (α型)40.5 GPa 泊松比 (α型)0.247 维氏硬度 540 MPa 布氏硬度 500 MPa CAS号 7429-91-6 主条目:镝的同位素
同位素
丰度
半衰期 (t 1/2 )
衰变
方式
能量 (MeV )
产物
154 Dy
人造
1.40×106 年 [ 2]
α
2.945
150 Gd
156 Dy
0.056%
稳定 ,带90粒中子
158 Dy
0.095%
稳定,带92粒中子
160 Dy
2.329%
稳定,带94粒中子
161 Dy
18.889%
稳定,带95粒中子
162 Dy
25.475%
稳定,带96粒中子
163 Dy
24.896%
稳定,带97粒中子
164 Dy
28.260%
稳定,带98粒中子
165 Dy
人造
2.332 小时
β−
1.286
165 Ho
Close
1886年保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰 首次辨认出镝元素,但要直到1950年代离子交换 技术的发展后,才有纯态的镝金属被分离出来。由于其热中子 吸收截面很高,所以在核反应堆 中被用作控制棒 ;其磁化率 亦很高,所以可用于数据储存技术上,以及做Terfenol-D 材料的成分。可溶镝盐具有微毒性,不可溶镝盐则无毒。
镝金属样本
镝是一种稀土元素 ,呈亮银色金属光泽。镝金属质软,可以用小刀切割。在没有过热的情况下,其加工过程不会产生火花。就算是少量的杂质也会大大改变镝的物理性质。[ 3]
镝和钬 拥有所有元素中最高的磁强度,[ 4] 这在低温状态下更为显著。[ 5] 镝在85 K(−188.2 °C)以下具有简单的铁磁 序,但在这一温度以上会转变为一种螺旋形反铁磁 状态,其中特定基面上所有原子的磁矩 都互相平行,并相对相邻平面的磁矩有固定的角度。这种奇特的反铁磁性在温度达到179 K(−94 °C)时再转变为无序顺磁 态。[ 6]
镝金属在空气中缓慢氧化并失去光泽,其燃烧反应会产生氧化镝 :
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2 O3
镝的电正性 较高,它会在冷水中慢速进行反应,在热水中快速反应,并产生氢氧化镝:
2 Dy (s) + 6 H2 O (l) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)
氢氧化镝在高温下会分解成DyO(OH),而后者又会分解成氧化镝。[ 7]
在200 °C以上,镝金属会和所有卤素 反应:[来源请求]
2 Dy (s) + 3 F2 (g) → 2 DyF3 (s)(绿色)
2 Dy (s) + 3 Cl2 (g) → 2 DyCl3 (s)(白色)
2 Dy (s) + 3 Br2 (g) → 2 DyBr3 (s)(白色)
2 Dy (s) + 3 I2 (g) → 2 DyI3 (s)(绿色)
镝会在稀硫酸 中迅速溶解,形成含有镝(III)离子的黄色溶液。这些离子以[Dy(OH2 )9 ]3+ 配合物的形式存在:[ 8]
2 Dy (s) + 3 H2 SO4 (aq) → 2 Dy3+ (aq) + 3 SO2− 4 (aq) + 3 H2 (g)
反应的产物硫酸镝(III)有明显的顺磁性。
硫酸镝,Dy2 (SO4 )3
镝的卤化物,如DyF3 和DyBr3 ,一般呈黄色。氧化镝 是一种黄色粉末,有强大的磁性 ,其磁性比氧化铁 还要强。[ 5]
镝在高温下可以和各种非金属 形成二元化合物 ,其氧化态可以是+3或+2。这包括DyN、DyP、DyH2 和DyH3 ;DyS、DyS2 、Dy2 S3 和Dy5 S7 ;DyB2 、DyB4 、DyB6 和DyB12 ;以及Dy3 C和Dy2 C3 。[ 9]
碳酸镝(Dy2 (CO3 )3 )和硫酸镝(Dy2 (SO4 )3 )可以经过相似的化学反应制成。[ 10] 大部分镝化合物都溶于水,但四水合碳酸镝(Dy2 (CO3 )3 ·4H2 O)和十水合草酸镝(Dy2 (C2 O4 )3 ·10H2 O)都不溶于水。[ 11] [ 12]
自然形成的镝由7种稳定同位素 组成:156 Dy、158 Dy和160 Dy至164 Dy。自然同位素中丰度最高的是比例为28%的164 Dy,紧接着的是比例为26%的162 Dy。丰度最低的是比例为0.06%的156 Dy。[ 13]
通过人工合成,科学家共发现了29种放射性同位素 ,其原子量在138和173之间。最稳定的是154 Dy,其半衰期 约为1.40×106 年;接着是半衰期为144.4天的159 Dy。最不稳定的是138 Dy,其半衰期只有200毫秒。比稳定同位素轻的同位素主要进行β+ 衰变 ;除个别特例之外,更重的同位素主要进行β− 衰变 。154 Dy主要进行α衰变,152 Dy和159 Dy则主要进行电子捕获 。[ 13] 镝拥有至少11种同核异构体 (亚稳态),原子量在140和165之间。最稳定的是165m Dy,其半衰期为1.257分钟。149 Dy有两种亚稳态,第二种(149m2 Dy)的半衰期只有28纳秒。[ 13]
164 Dy是理论上最重的稳定同位素 ,任何更重的核素,理论上都会发生α衰变,类似于铋-209 与锇 -186的情形。[ 14]
1878年,科学家发现铒 矿中也含有钬 和铥 的氧化物。1886年,法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰 在巴黎研究氧化钬 时,成功地把氧化镝从中分离出来。[ 15] 他把样本溶于酸中,再加入氨 ,将镝以氢氧化物的形态沉淀出来。他在尝试了30次以后,才成功分离出镝。他依据希腊文“δυσπρόσιτος”(Dysprositos,意为“难以取得”)把该新元素命名为“Dysprosium”。不过,要直到1950年代美国爱荷华州立大学 的弗兰克·斯佩丁(Frank Spedding)发展了离子交换 技术之后,才有纯度较高的镝被分离出来。[ 4]
磷钇矿
镝在自然界中不以单质出现,但存在于多种矿物 之中,包括磷钇矿 、褐钇铌矿 、硅铍钇矿 、黑稀金矿 、复稀金矿 、钛钽铌铀矿 、独居石 和氟碳铈矿 等。它一般还和铒 和钬 等稀土元素一同出现。目前大部分的镝都是在中国南部的离子吸附型稀土矿中开采而得。[ 16] 西澳大利亚州 的Halls Creek区域也将开采包括镝在内的稀土元素。[ 17] 在钇 含量较高的矿物中,镝是所有重镧系元素中丰度最高的,占浓缩物的7至8%(相比钇的65%)。[ 18] [ 19] 地球地壳中的镝含量约为5.2 mg/kg,在海水中为0.9 ng/L。[ 9]
镝的生产主要来自开采由多种磷酸盐 混合组成的独居石 砂,是钇萃取过程的副产品之一。镝的分离过程可以使用磁力或浮力方法移除其他金属杂质,再经离子交换 方法分离各种稀土金属。所产生的镝离子与氟 或氯 反应后分别形成氟化镝(DyF3 )或氯化镝(DyCl3 ),再经钙 或锂 金属还原 :[ 10]
3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl
反应在钽 制坩埚 、氦气 环境中进行。过程中产生的卤化物和熔融镝会因比重不同而自然分离。冷却之后,可用刀把镝从其他杂质分开。[ 10]
全球每年产出大约100吨镝,[ 20] 其中99%产自中国。[ 21] 从2003年至2010年底,镝的价格从每磅7美元飙升至每磅130美元,升幅近20倍。[ 21] 根据美国能源部 ,镝的现有及潜在用途广泛,加上缺乏代替品,所以是目前最迫切需要洁净能源技术的元素。保守估计,镝在2015年前就会有短缺。[ 22]
镝与钒 及其他元素一起,可用于激光 材料和商业照明应用上。由于镝的热中子 吸收截面 很高,所以氧化镝-镍金属陶瓷 是一种核反应堆 控制棒 材料。[ 4] [ 23] 镝-镉 氧族元素化合物是红外线 辐射源,能用于研究化学反应。[ 3] 镝及其化合物有很强的磁性,所以在硬盘 等数据储存装置中都有用到。[ 24]
钕 -铁 -硼 磁铁中钕部分可以替换为镝,[ 25] 以提高矫顽力 ,从而改善磁铁的耐热性能,用于电动汽车驱动马达等性能要求较高的应用上。用了这种磁铁的汽车每辆可含高达100克的镝。根据丰田汽车 每年200万辆车的预计销售量,很快就会耗尽全球镝金属的供应。[ 26] 替换成镝的磁铁还具有较高的抗腐蚀性。[ 27]
镝、铁和铽是Terfenol-D 材料的组成元素。Terfenol-D是常温下磁致伸缩 性最强的已知物料。[ 28] 这种性质可用于换能器 、宽频机械共鸣管 [ 29] 和高精度液态燃料喷射器。[ 30]
镝被用于剂量计 中,测量电离辐射 量。当掺有镝的硫化钙 或氟化钙 受辐射照射时,镝原子会进入激发态 并发光 。通过测量发光强度可以推算出辐射剂量。[ 4]
镝化合物纳米纤维具有高强度、高表面积,所以可以用来加强其他材料或作催化剂 。在450巴 压力下对DyBr3 和NaF的水溶液加热17小时至450 °C,可以制成氟氧化镝纤维。这种材料在超过400 °C高温下,可以在各种水溶液中存留超过100小时而不会溶解或聚集。[ 31] [ 32] [ 33]
一些高强度金属卤化物灯 用到碘化镝和溴化镝。这些化合物在灯的中心高温处分解,释放出游离镝原子。这些原子会发出绿光和红光。[ 4] [ 34]
隔热退磁冰箱 用到某些顺磁性镝盐晶体,包括镝镓石榴石(DGG)、镝铝石榴石(DAG)和镝铁石榴石(DyIG)等。[ 35] [ 36]
镝金属粉末在空气中如果在火源附近,会有爆炸的危险;其薄片也可以被火花和静电 点燃。镝所引起的金属火焰不能用水来浇熄,因为它会和水反应,产生易燃的氢气 。[ 37] 氯化镝火焰却可以用水浇熄,[ 38] 而氟化镝和氧化镝则不易燃。[ 39] [ 40] 硝酸镝(Dy(NO3 )3 )属于强氧化剂 ,在接触到有机物质时可迅速起火。[ 5]
可溶镝盐,如氯化镝和硝酸镝等,在进食后具微毒性;不可溶盐则无毒。从老鼠对氯化镝的毒性反应估算,人类在进食500克以上的镝可以致命。[ 4]
Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report) . Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075 . doi:10.1515/pac-2019-0603 (英语) .
Chiera, Nadine Mariel; Dressler, Rugard; Sprung, Peter; Talip, Zeynep; Schumann, Dorothea. High precision half-life measurement of the extinct radio-lanthanide Dysprosium-154. Scientific Reports (Springer Science and Business Media LLC). 2022-05-28, 12 (1). ISSN 2045-2322 . doi:10.1038/s41598-022-12684-6 .
Lide, David R. (编). Dysprosium. CRC Handbook of Chemistry and Physics 4 . New York: CRC Press. 2007–2008: 11. ISBN 978-0-8493-0488-0 .
Jantsch, G.; Ohl, A. Zur Kenntnis der Verbindungen des Dysprosiums. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1911, 44 (2): 1274–1280. doi:10.1002/cber.19110440215 .
Belli, P.; Bernabei, R.; Danevich, F.A.; Incicchitti, A.; Tretyak, V.I. Experimental searches for rare alpha and beta decays. Eur. Phys. J. A. August 2019, 55 : 140. doi:10.1140/epja/i2019-12823-2 .
New Scientist, 18 June 2011, p. 40
Amit, Sinha; Sharma, Beant Prakash. Development of Dysprosium Titanate Based Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2005, 88 (4): 1064–1066. doi:10.1111/j.1551-2916.2005.00211.x .
Lagowski, J. J. (编). Chemistry Foundations and Applications 2 . Thomson Gale. 2004: 267–268. ISBN 0-02-865724-1 .
Shi, Fang, X.; Shi, Y.; Jiles, D.C. Modeling of magnetic properties of heat treated Dy-doped NdFeBparticles bonded in isotropic and anisotropic arrangements. IEEE Transactions on Magnetics. 1998, 34 (4): 1291–1293. Bibcode:1998ITM....34.1291F . doi:10.1109/20.706525 .
Kellogg, Rick; Flatau, Alison. Wide Band Tunable Mechanical Resonator Employing the ΔE Effect of Terfenol-D. Journal of Intelligent Material Systems & Structures (Sage Publications, Ltd). May 2004, 15 (5): 355–368. doi:10.1177/1045389X04040649 .
Dierks, Steve. Dysprosium . Material Safety Data Sheets. Electronic Space Products International. January 2003 [2008-10-20 ] . (原始内容存档 于2015-09-22).
Dierks, Steve. Dysprosium Chloride . Material Safety Data Sheets. Electronic Space Products International. January 1995 [2008-11-07 ] . (原始内容 存档于2015-09-22).
Dierks, Steve. Dysprosium Fluoride . Material Safety Data Sheets. Electronic Space Products International. December 1995 [2008-11-07 ] . (原始内容 存档于2015-09-22).
Dierks, Steve. Dysprosium Oxide . Material Safety Data Sheets. Electronic Space Products International. November 1988 [2008-11-07 ] . (原始内容 存档于2015-09-22).