鏑 ( dī ) (英語:Dysprosium ),是一種化學元素 ,其化學符號 为Dy ,原子序數 为66,原子量 為7002162500000000000♠ 162.500 u 属于镧系元素 ,也是稀土元素 之一。鏑的外觀具銀色金屬光澤。鏑在大自然中不以單質出現,而是包含在多種礦物之中,例如磷釔礦 等。自然形成的鏑由7種同位素 組成,其中豐度 最高的是164 Dy。
事实速览 外觀, 概況 ...
鏑 66 Dy 銀白色 名稱·符號 ·序數 鏑(Dysprosium)·Dy·66 元素類別 鑭系元素 族 ·週期 ·區 不適用 ·6 ·f 標準原子質量 162.500(1)[ 1] 电子排布 [Xe ] 4f10 6s2 2, 8, 18, 28, 8, 2
鏑的电子層(2, 8, 18, 28, 8, 2) 發現 保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭 (1886年)物態 固體 密度 (接近室温 ) 8.540 g ·cm −3 熔点 時液體密度8.37 g·cm−3 熔点 1680 K ,1407 °C ,2565 °F 沸點 2840 K ,2562 °C ,4653 °F 熔化热 11.06 kJ·mol−1 汽化热 280 kJ·mol−1 比熱容 27.7 J·mol−1 ·K−1 蒸氣壓
壓/Pa
1
10
100
1 k
10 k
100 k
溫/K
1378
1523
(1704)
(1954)
(2304)
(2831)
氧化态 3 , 2, 1
(弱鹼性 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 鏑的原子谱线 晶体结构 六方密堆積 磁序 300 K時順磁性 电阻率 (室溫 )(α型多晶)926 n Ω ·m 熱導率 10.7 W·m−1 ·K−1 热膨胀系数 (室溫 )(α型多晶)9.9 µm/(m·K) 聲速 (細棒)(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 維氏硬度 540 MPa 布氏硬度 500 MPa CAS号 7429-91-6 主条目:鏑的同位素
同位素
丰度
半衰期 (t 1/2 )
衰變
方式
能量 (MeV )
產物
154 Dy
人造
1.40×106 年 [ 2]
α
2.945
150 Gd
156 Dy
0.056%
穩定 ,帶90粒中子
158 Dy
0.095%
穩定,帶92粒中子
160 Dy
2.329%
穩定,帶94粒中子
161 Dy
18.889%
穩定,帶95粒中子
162 Dy
25.475%
穩定,帶96粒中子
163 Dy
24.896%
穩定,帶97粒中子
164 Dy
28.260%
穩定,帶98粒中子
165 Dy
人造
2.332 小时
β−
1.286
165 Ho
关闭
1886年保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭 首次辨認出鏑元素,但要直到1950年代離子交換 技術的發展後,才有純態的鏑金屬被分離出來。由於其熱中子 吸收截面很高,所以在核反應爐 中被用作控制棒 ;其磁化率 亦很高,所以可用於數據儲存技術上,以及做Terfenol-D 材料的成份。可溶鏑鹽具有微毒性,不可溶鏑鹽則無毒。
鏑金屬樣本
鏑是一種稀土元素 ,呈亮銀色金屬光澤。鏑金屬質軟,可以用小刀切割。在沒有過熱的情況下,其加工過程不會產生火花。就算是少量的雜質也會大大改變鏑的物理性質。[ 3]
鏑和鈥 擁有所有元素中最高的磁強度,[ 4] 這在低溫狀態下更為顯著。[ 5] 鏑在85 K(−188.2 °C)以下具有簡單的鐵磁 序,但在這一溫度以上會轉變為一種螺旋形反鐵磁 狀態,其中特定基面上所有原子的磁矩 都互相平行,並相對相鄰平面的磁矩有固定的角度。這種奇特的反鐵磁性在溫度達到179 K(−94 °C)時再轉變為無序順磁 態。[ 6]
鏑金屬在空氣中緩慢氧化並失去光澤,其燃燒反應會產生氧化鏑 :
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2 O3
鏑的電正性 較高,它會在冷水中慢速進行反應,在熱水中快速反應,並產生氫氧化鏑:
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,鏑金屬會和所有鹵素 反應:[來源請求]
2 Dy (s) + 3 F2 (g) → 2 DyF3 (s)(綠色)
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)(綠色)
鏑會在稀硫酸 中迅速溶解,形成含有鏑(III)離子的黃色溶液。這些離子以[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)
反應的產物硫酸鏑(III)有明顯的順磁性。
硫酸鏑,Dy2 (SO4 )3
鏑的鹵化物,如DyF3 和DyBr3 ,一般呈黃色。氧化鏑 是一種黃色粉末,有強大的磁性 ,其磁性比氧化鐵 還要強。[ 5]
鏑在高溫下可以和各種非金屬 形成二元化合物 ,其氧化態可以是+3或+2。這包括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]
碳酸鏑(Dy2 (CO3 )3 )和硫酸鏑(Dy2 (SO4 )3 )可以經過相似的化學反應製成。[ 10] 大部份鏑化合物都溶於水,但四水合碳酸鏑(Dy2 (CO3 )3 ·4H2 O)和十水合草酸鏑(Dy2 (C2 O4 )3 ·10H2 O)都不溶於水。[ 11] [ 12]
自然形成的鏑由7種稳定同位素 組成:156 Dy、158 Dy和160 Dy至164 Dy。自然同位素中豐度最高的是比例為28%的164 Dy,緊接著的是比例為26%的162 Dy。豐度最低的是比例為0.06%的156 Dy。[ 13]
通過人工合成,科學家共發現了29種放射性同位素 ,其原子量在138和173之間。最穩定的是154 Dy,其半衰期 約為1.40×106 年;接著是半衰期為144.4天的159 Dy。最不穩定的是138 Dy,其半衰期只有200毫秒。比穩定同位素輕的同位素主要進行β+ 衰變 ;除個別特例之外,更重的同位素主要進行β− 衰變 。154 Dy主要進行α衰變,152 Dy和159 Dy則主要進行電子捕獲 。[ 13] 鏑擁有至少11種同核異構體 (亞穩態),原子量在140和165之間。最穩定的是165m Dy,其半衰期為1.257分鐘。149 Dy有兩種亞穩態,第二種(149m2 Dy)的半衰期只有28納秒。[ 13]
164 Dy是理論上最重的穩定同位素 ,任何更重的核素,理論上都會发生α衰變,類似於鉍-209 與鋨 -186的情形。[ 14]
1878年,科學家發現鉺 礦中也含有鈥 和銩 的氧化物。1886年,法國化學家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭 在巴黎研究氧化鈥 時,成功地把氧化鏑從中分離出來。[ 15] 他把樣本溶於酸中,再加入氨 ,將鏑以氫氧化物的形態沉澱出來。他在嘗試了30次以後,才成功分離出鏑。他依據希臘文「δυσπρόσιτος」(Dysprositos,意為「難以取得」)把該新元素命名為「Dysprosium」。不過,要直到1950年代美國愛荷華州立大學 的弗蘭克·斯佩丁(Frank Spedding)發展了離子交換 技術之後,才有純度較高的鏑被分離出來。[ 4]
磷釔礦
鏑在自然界中不以單質出現,但存在於多種礦物 之中,包括磷釔礦 、褐釔鈮礦 、硅鈹釔礦 、黑稀金礦 、復稀金礦 、鈦鉭鈮鈾礦 、獨居石 和氟碳鈰礦 等。它一般還和鉺 和鈥 等稀土元素一同出現。目前大部份的鏑都是在中國南部的離子吸附型稀土礦中開採而得。[ 16] 西澳大利亞州 的Halls Creek區域也將開採包括鏑在內的稀土元素。[ 17] 在釔 含量較高的礦物中,鏑是所有重鑭系元素中豐度最高的,佔濃縮物的7至8%(相比釔的65%)。[ 18] [ 19] 地球地殼中的鏑含量約為5.2 mg/kg,在海水中為0.9 ng/L。[ 9]
鏑的生產主要來自開採由多種磷酸鹽 混合組成的獨居石 砂,是釔萃取過程的副產品之一。鏑的分離過程可以使用磁力或浮力方法移除其他金屬雜質,再經離子交換 方法分離各種稀土金屬。所產生的鏑離子與氟 或氯 反應後分別形成氟化鏑(DyF3 )或氯化鏑(DyCl3 ),再經鈣 或鋰 金屬還原 :[ 10]
3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl
反應在鉭 製坩堝 、氦氣 環境中進行。過程中產生的鹵化物和熔融鏑會因比重不同而自然分離。冷卻之後,可用刀把鏑從其他雜質分開。[ 10]
全球每年產出大約100噸鏑,[ 20] 其中99%產自中國。[ 21] 從2003年至2010年底,鏑的價格從每磅7美元飆升至每磅130美元,升幅近20倍。[ 21] 根據美國能源部 ,鏑的現有及潛在用途廣泛,加上缺乏代替品,所以是目前最迫切需要潔淨能源技術的元素。保守估計,鏑在2015年前就會有短缺。[ 22]
鏑與釩 及其他元素一起,可用於激光 材料和商業照明應用上。由於鏑的熱中子 吸收截面 很高,所以氧化鏑-鎳金屬陶瓷 是一種核反應爐 控制棒 材料。[ 4] [ 23] 鏑-鎘 氧族元素化合物是紅外線 輻射源,能用於研究化學反應。[ 3] 鏑及其化合物有很強的磁性,所以在硬盤 等數據儲存裝置中都有用到。[ 24]
釹 -鐵 -硼 磁鐵中釹部分可以替換為鏑,[ 25] 以提高矯頑力 ,从而改善磁铁的耐热性能,用於電動汽車驅動馬達等性能要求較高的應用上。用了這種磁鐵的汽車每輛可含高達100克的鏑。根據豐田汽車 每年200萬輛車的預計銷售量,很快就會耗盡全球鏑金屬的供應。[ 26] 替換成鏑的磁鐵還具有較高的抗腐蝕性。[ 27]
鏑、鐵和鋱是Terfenol-D 材料的組成元素。Terfenol-D是常溫下磁致伸縮 性最強的已知物料。[ 28] 這種性質可用於換能器 、寬頻機械共鳴管 [ 29] 和高精度液態燃料噴射器。[ 30]
鏑被用於劑量計 中,測量致電離輻射 量。當摻有鏑的硫化鈣 或氟化鈣 受輻射照射時,鏑原子會進入激發態 並發光 。通過測量發光強度可以推算出輻射劑量。[ 4]
鏑化合物納米纖維具有高強度、高表面積,所以可以用來加強其他材料或作催化劑 。在450巴 壓力下對DyBr3 和NaF的水溶液加熱17小時至450 °C,可以製成氟氧化鏑纖維。這種材料在超過400 °C高溫下,可以在各種水溶液中存留超過100小時而不會溶解或聚集。[ 31] [ 32] [ 33]
一些高強度金屬鹵化物燈 用到碘化鏑和溴化鏑。這些化合物在燈的中心高溫處分解,釋放出遊離鏑原子。這些原子會發出綠光和紅光。[ 4] [ 34]
隔熱退磁冰箱 用到某些順磁性鏑鹽晶體,包括鏑鎵石榴石(DGG)、鏑鋁石榴石(DAG)和鏑鐵石榴石(DyIG)等。[ 35] [ 36]
鏑金屬粉末在空氣中如果在火源附近,會有爆炸的危險;其薄片也可以被火花和靜電 點燃。鏑所引起的金屬火焰不能用水來澆熄,因為它會和水反應,產生易燃的氫氣 。[ 37] 氯化鏑火焰卻可以用水澆熄,[ 38] 而氟化鏑和氧化鏑則不易燃。[ 39] [ 40] 硝酸鏑(Dy(NO3 )3 )屬於強氧化劑 ,在接觸到有機物質時可迅速起火。[ 5]
可溶鏑鹽,如氯化鏑和硝酸鏑等,在進食後具微毒性;不可溶鹽則無毒。從老鼠對氯化鏑的毒性反應估算,人類在進食500克以上的鏑可以致命。[ 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).