镝(拼音:dī,注音:ㄉㄧ,粤拼:dik1;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u属于 162.500 镧系元素,也是稀土元素之一。镝的观具银色金属光泽。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。自然形成的镝由7种同位素组成,其中丰度最高的是164Dy。
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。
性质
物理性质
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。[1]
镝和钬拥有所有元素中最高的磁强度,[2]这在低温状态下更为显著。[3]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。[4]
化学性质
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 Dy2O3
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 H2O (l) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)
在200 °C以上,镝金属会和所有卤素反应:
- 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:[5]
- 2 Dy (s) + 3 H2SO4 (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。
化合物
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。[3]
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、Dy2S3和Dy5S7;DyB2、DyB4、DyB6和DyB12;以及Dy3C和Dy2C3。[6]
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。[7]大部分镝化合物都溶于水,但四水合碳酸镝(Dy2(CO3)3·4H2O)和十水合草酸镝(Dy2(C2O4)3·10H2O)都不溶于水。[8][9]
同位素
自然形成的镝由7种同位素组成:156Dy、158Dy和160Dy至164Dy,其中156Dy会进行α衰变,半衰期超过1×1018年,所以通常和其他6种同归为稳定同位素。自然同位素中丰度最高的是比例为28%的164Dy,紧接着的是比例为26%的162Dy。丰度最低的是比例为0.06%的156Dy。[10]
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154Dy,其半衰期约为3×106年;接着是半衰期为144.4天的159Dy。最不稳定的是138Dy,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。154Dy主要进行α衰变,152Dy和159Dy则主要进行电子捕获。[10]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165mDy,其半衰期为1.257分钟。149Dy有两种亚稳态,第二种(149m2Dy)的半衰期只有28纳秒。[10]
164Dy是理论上最重的稳定同位素,任何更重的核素,理论上都会有α衰变,类似于铋-209与锇-186的情形。[原创研究?][来源请求][查证请求]
历史
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。[11]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。[2]
存量
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。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。[12]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%)。[13][14]地球地壳中的镝含量约为5.2 mg/kg,在海水中为0.9 ng/L。[6]
生产
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:[7]
- 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。[7]
全球每年产出大约100吨镝,[15]其中99%产自中国。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。[16]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。[17]
应用
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。[2][18]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。[1]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。[19]
钕-铁-硼磁铁中钕部分可以替换为镝,[20]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。[21]替换成镝的磁铁还具有较高的抗腐蚀性。[22]
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。[23]这种性质可用于换能器、宽频机械共鸣管[24]和高精度液态燃料喷射器。[25]
镝被用于剂量计中,测量致电离辐射量。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。[2]
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小时而不会溶解或集聚。[26][27][28]
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。[2][29]
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。[30][31]
安全
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。[32]氯化镝火焰却可以用水浇熄,[33]而氟化镝和氧化镝则不易燃。[34][35]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。[3]
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。[2]
参见
参考资料
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外部链接
- 元素镝在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介绍(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 镝(英文)
- 元素镝在The Periodic Table of Videos(诺丁汉大学)的介绍(英文)
- 元素镝在Peter van der Krogt elements site的介绍(英文)
- WebElements.com – 镝(英文)
- It's Elemental – Dysprosium