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鏑   66Dy
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外觀
銀白色
概況
名稱·符號·序數 鏑(Dysprosium)·Dy·66
元素類別 鑭系元素
·週期· 不適用·6·f
標準原子質量 162.500
電子排布

[] 4f10 6s2
2, 8, 18, 28, 8, 2

鏑的电子層(2, 8, 18, 28, 8, 2)
歷史
發現 保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭(1886年)
物理性質
物態 固體
密度 (接近室温
8.540 g·cm−3
熔點時液體密度 8.37 g·cm−3
熔點 1680 K,1407 °C,2565 °F
沸點 2840 K,2562 °C,4653 °F
熔化熱 11.06 kJ·mol−1
汽化熱 280 kJ·mol−1
比熱容 27.7 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1378 1523 (1704) (1954) (2304) (2831)
原子性質
氧化態

3, 2, 1

(弱鹼性氧化物)
電負性 1.22(鲍林标度)
電離能

第一:573.0 kJ·mol−1
第二:1130 kJ·mol−1

第三:2200 kJ·mol−1
原子半徑 178 pm
共價半徑 192±7 pm
雜項
晶體結構

六方密堆積

鏑具有六方密堆積晶體結構
磁序 300 K時順磁性
電阻率 室溫)(α型多晶)926 n Ω·m
熱導率 10.7 W·m−1·K−1
膨脹係數 室溫)(α型多晶)9.9 µm/(m·K)
聲速(細棒) (20 °C)2710 m·s−1
楊氏模量 (α型)61.4 GPa
剪切模量 (α型)24.7 GPa
體積模量 (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號 7429-91-6
最穩定同位素

主条目:鏑的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
154Dy 人造 3.0×106 α 2.947 150Gd
156Dy 0.06% >1×1018 α 1.7579 152Gd
β+β+ 2.0108 156Gd
158Dy 0.10% 穩定,带92个中子
160Dy 2.34% 穩定,带94个中子
161Dy 18.91% 穩定,带95个中子
162Dy 25.51% 穩定,带96个中子
163Dy 24.90% 穩定,带97个中子
164Dy 28.18% 穩定,带98个中子

是一種化學元素,符號為Dy原子序為66。鏑屬於稀土元素,其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。自然形成的鏑由7種同位素組成,其中豐度最高的是164Dy。

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。

性質[编辑]

物理性質[编辑]

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。[1]

鏑和擁有所有元素中最高的磁強度,[2]這在低溫狀態下更為顯著。[3]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。[4]

化學性質[编辑]

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 Dy2O3

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 H2O (l) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

在200 °C以上,鏑金屬會和所有鹵素反應:

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:[5]

2 Dy (s) + 3 H2SO4 (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。

化合物[编辑]

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。[3]

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、Dy2S3和Dy5S7;DyB2、DyB4、DyB6和DyB12;以及Dy3C和Dy2C3[6]

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。[7]大部份鏑化合物都溶於水,但四水合碳酸鏑(Dy2(CO3)3·4H2O)和十水合草酸鏑(Dy2(C2O4)3·10H2O)都不溶於水。[8][9]

同位素[编辑]

自然形成的鏑由7種同位素組成:156Dy、158Dy和160Dy至164Dy,其中156Dy會進行α衰變,半衰期超過1×1018年,所以通常和其他6種同歸為穩定同位素。自然同位素中豐度最高的是比例為28%的164Dy,緊接著的是比例為26%的162Dy。豐度最低的是比例為0.06%的156Dy。[10]

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154Dy,其半衰期約為3×106年;接著是半衰期為144.4天的159Dy。最不穩定的是138Dy,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154Dy主要進行α衰變,152Dy和159Dy則主要進行電子捕獲[10]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165mDy,其半衰期為1.257分鐘。149Dy有兩種亞穩態,第二種(149m2Dy)的半衰期只有28納秒。[10]

歷史[编辑]

1878年,科學家發現礦中也含有的氧化物。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。[11]他把樣本溶於酸中,再加入,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。[2]

存量[编辑]

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氟碳鈰礦等。它一般還和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。[12]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。[13]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%)。[14][15]地球地殼中的鏑含量約為5.2 mg/kg,在海水中為0.9 ng/L。[6]

生產[编辑]

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。所產生的鏑離子與反應後分別形成氟化鏑(DyF3)或氯化鏑(DyCl3),再經金屬還原[7]

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

反應在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。[7]

全球每年產出大約100噸鏑,[16]其中99%產自中國。[17]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。[17]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。[18]

應用[编辑]

鏑與及其他元素一起,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。[2][19]鏑-氧族元素化合物是紅外線輻射源,能用於研究化學反應。[1]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。[20]

--磁鐵中釹部分可以替換為鏑,[21]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。[22]替換成鏑的磁鐵還具有較高的抗腐蝕性。[23]

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。[24]這種性質可用於換能器、寬頻機械共鳴管[25]和高精度液態燃料噴射器。[26]

鏑被用於劑量計中,測量致電離輻射量。當摻有鏑的硫化鈣氟化鈣受輻射照射時,鏑原子會進入激發態發光。通過測量發光強度可以推算出輻射劑量。[2]

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小時而不會溶解或集聚。[27][28][29]

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。[2][30]

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。[31][32]

安全[编辑]

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[33]氯化鏑火焰卻可以用水澆熄,[34]而氟化鏑和氧化鏑則不易燃。[35][36]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。[3]

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。[2]

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Dysprosium. Lide, David R. (编). CRC Handbook of Chemistry and Physics. New York: CRC Press. 2007–2008: 11. ISBN 978-0-8493-0488-0. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. 2001: 129–132. ISBN 0-19-850341-5. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Krebs, Robert E. Dysprosium. The History and Use of our Earth's Chemical Elements. Greenwood Press. 1998: 234–235. ISBN 0-313-30123-9. 
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  5. ^ Chemical reactions of Dysprosium. Webelements. [2012-08-16]. 
  6. ^ 6.0 6.1 Patnaik, Pradyot. Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. 2003: 289–290 [2009-06-06]. ISBN 0-07-049439-8. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Heiserman, David L. Exploring Chemical Elements and their Compounds. TAB Books. 1992: 236–238. ISBN 0-8306-3018-X. 
  8. ^ Perry, D. L. Handbook of Inorganic Compounds. CRC Press. 1995: 152–154. ISBN 0-8493-8671-3. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Audi, G.; Bersillon, O.; Blachot, J.; Wapstra, A.H. Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties. Nuclear Physics A (Atomic Mass Data Center). 2003, 729: 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  11. ^ Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. L'holmine (ou terre X de M Soret) contient au moins deux radicaux métallique. Comptes Rendus. 1886, 143: 1003–1006 (法文). 
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  13. ^ Brann, Matt. Halls Creek turning into a hub for rare earths. 2011-11-27. 
  14. ^ Naumov, A. V. Review of the World Market of Rare-Earth Metals. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2008, 49 (1): 14–22. doi:10.1007/s11981-008-1004-6. 
  15. ^ Gupta, C. K.; Krishnamurthy N. Extractive Metallurgy of Rare Earths. CRC Press. 2005. ISBN 978-0-415-33340-5. 
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  17. ^ 17.0 17.1 Bradsher, Keith. In China, Illegal Rare Earth Mines Face Crackdown. The New York Times. December 29, 2010. 
  18. ^ New Scientist, 18 June 2011, p. 40
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外部鏈接[编辑]

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