Кіріспе

Диспрозий – химиялық элемент, оның таңбасы Dy және атомдық нөмірі 66. Ол лантаноидтар қатарындағы сирек кездесетін элемент, металл күміс жылтыры бар. Диспрозий табиғатта ешқашан бос элемент түрінде табылмайды, бірақ басқа лантаноидтар сияқты, ксенотим сияқты әртүрлі минералдарда кездеседі. Табиғи диспрозий жеті изотоптан тұрады, олардың ең көп таралғаны – 164Dy. Диспрозийді алғаш рет 1886 жылы Поль Эмиль Лекок де Буабодран ашқан, бірақ 1950 жылдары ион алмасу техникасы дамығанға дейін таза күйде бөліп алған жоқ. Диспрозийдің басқа химиялық элементтермен алмастырылмайтын сирек қолданылу салалары бар. Ол ядролық реакторлардағы басқару таяқшаларын жасаудағы жоғары жылулық нейтрондарды сіңіру қабілеті үшін, деректерді сақтау саласындағы жоғары магниттік қабылдағыштығы үшін және Терфенол D құрамында (магнетостриктивті материал) қолданылады. Ерігіш диспрозий тұздары аз улы, ал ерімейтін тұздары улы емес деп есептеледі.

Құралымдар

Диспрозий галоидтары, мысалы DyF3 және DyBr3, сары түске боянады. Диспрозий оксиді, сондай-ақ диспрозия деп аталады, темір оксидінен гөрі күшті магниттік қасиеттері бар ақ ұнтақ. Диспрозий карбонаттарының ең көп таралған екеуі – Dy2(CO3)3·2–3H2O (теңгерит (Y) минералына ұқсас) және DyCO3(OH) (козоит (La) және козоит (Nd) минералдарына ұқсас) – Dy2(CO3)3·4H2O формуласы бар нашар реттелген (аморфты) прекурсорлық фаза арқылы пайда болады. Бұл аморфты прекурсор 10–20 нм диаметрлі, жоғары гидратацияланған сфералық нанобөлшектерден тұрады және бөлме температурасында және жоғары температурада құрғақ өңдеу кезінде өте тұрақты болады. Диспрозий бірнеше интерметалдарды құрайды, оның ішінде диспрозий станнидтері де бар.

Изотоптар

Табиғи түрде кездесетін диспрозий жеті изотоптан тұрады: 156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy және 164Dy. Олардың барлығы тұрақты деп саналады, бірақ тек соңғы екеуі теориялық тұрғыдан тұрақты: қалғандары теориялық тұрғыдан альфа ыдырауына ұшырай алады. Табиғи түрде кездесетін изотоптардың ішінде 164Dy 28%-бен ең көп таралған, одан кейін 162Dy 26%-бен келеді. Ең аз таралған түрі - 156Dy, оның мөлшері 0,06%. Диспрозий – радиоактивті деп саналатын байқау арқылы тұрақты изотоптарға қарағанда, тұрақты деп болжанатын изотоптары бар ең ауыр элемент. Атомдық массасы 138-ден 173-ке дейінгі 29 радиоизотоп синтезделген. Олардың ішіндегі ең тұрақтысы 154Dy, оның жартылай ыдырау мерзімі шамамен 3 жыл, содан кейін 159Dy, жартылай ыдырау мерзімі 144,4 күн. Ең аз тұрақтысы - 138Dy, оның жартылай ыдырау мерзімі 200 мс. Жалпы ереже бойынша, тұрақты изотоптарға қарағанда жеңіл изотоптар негізінен β+ ыдырау арқылы, ал ауырлары β− ыдырау арқылы ыдырайды. Алайда, 154Dy негізінен альфа ыдырау арқылы, ал 152Dy және 159Dy негізінен электронды тұтқындау арқылы ыдырайды. Диспрозийдің атомдық массасы 140-тан 165-ке дейінгі кем дегенде 11 метатұрақты изомерлері бар. Олардың ішіндегі ең тұрақтысы - 165mDy, оның жартылай ыдырау мерзімі 1,257 минут. 149Dy екі метатұрақты изомеріне ие, олардың екіншісі, 149m2Dy, 28 нс жартылай ыдырау мерзіміне ие.

Тарих

1878 жылы ербий кенінен гольмий мен тулий оксидтері табылды. Француз химигі Поль Эмиль Лекок де Буабодран 1886 жылы Парижде хольмий оксидімен жұмыс істеген кезде, одан диспрозий оксидін бөліп алды. Диспрозийді оқшаулау процесі диспрозий оксидін қышқылда ерітуді және содан кейін гидроксидті тұндыру үшін аммиак қосуды қамтиды. Ол диспрозийді оксидінен 30-дан астам тәжірибеден кейін ғана бөліп алды. Сәттілікке жеткен соң, ол элементті грек тіліндегі "дюспроситос" (δυσπρόσιτος) сөзінен ("алуға қиын") – диспрозий деп атады. Ион алмасу техникасын Франк Спеддинг Айова штаты университетінде 1950 жылдардың басында әзірлегенге дейін, элемент салыстырмалы түрде таза күйде оқшауланбады. Жел турбиналарында қолданылатын тұрақты магниттердегі рөліне байланысты, диспрозий жаңартылатын энергияға көшкен әлемде геосаяси бәсекелестіктің басты нысаны болуы мүмкін деген пікір бар. Алайда, бұл көзқарас көптеген жел турбиналары тұрақты магниттерді қолданбайтынын ескермегені және өндірісті ұлғайтуға арналған экономикалық стимулдардың күшін бағаламағаны үшін сынға ұшырады. 2021 жылы Dy екі өлшемді суперсұйық кванттық газға айналды.

Пайда болуы

Диспрозий ешқашан бос элемент түрінде кездеспейді, бірақ ксенотим, фергусонит, гадолинит, эузенит, поликраз, бломстрандин, моназит және бастназит сияқты көптеген минералдарда табылады, көбінесе эрбий және гольмий немесе басқа сирек кездесетін элементтермен бірге. Диспрозий басымды минерал (яғни, құрамында басқа сирек кездесетін элементтерге қарағанда диспрозий көп болуы) әліге дейін табылған жоқ. Бұл минералдардың иттрийге жоғары мөлшерде ие нұсқаларында диспрозий ауыр лантаноидтардың ең көп таралған түрі болып табылады, концентраттың 7–8% құрайды (иттрийге қарағанда шамамен 65%). Жер қыртысындағы Dy концентрациясы шамамен 5,2 мг/кг, ал теңіз суында 0,9 нг/л құрайды.

Қолданбалар

Диспрозий лазерлік материалдар жасау үшін ванадий және басқа элементтермен бірге қолданылады, сондай-ақ коммерциялық жарықтандыруда да пайдаланылады. Диспрозийдің жоғары термиялық нейтрондарды сіңіру қимасының арқасында диспрозий оксид-никель керамикасы ядролық реакторлардағы нейтрондарды сіңіретін басқару таяқшаларында қолданылады. Диспрозий-кадмий халкогенидтері химиялық реакцияларды зерттеуге қолайлы инфрақызыл сәулеленудің көздері болып табылады. Диспрозий электр көліктерінің электродвигательдерінде және жел турбиналарының генераторларында қолданылатын тұрақты магниттерге деген сұраныс артып келеді. Неодим-темір-бор магниттерінде неодимнің 6%-ға дейін диспрозиймен алмастырылуы мүмкін, бұл электр көліктерінің электродвигательдері және жел турбиналарының генераторлары сияқты қатал талаптарға жауап беретін қосымшалар үшін коэрцитивтілікті арттыруға мүмкіндік береді. Бұл үшін әрбір өндірілген электромобильге 100 грамм диспрозий қажет. «Toyota» компаниясы жылына 2 миллион дана өндіретін болса, диспрозийді осындай мақсаттарда пайдалану оның қолдағы бар қорын тез сарқып кетіруі мүмкін. Диспрозийді алмастыру басқа да қолдануларда да пайдалы болуы мүмкін, себебі ол магниттердің коррозияға төзімділігін жақсартады. Диспрозий – темір және тербиуммен бірге Терфенол D құрамына кіретін компоненттердің бірі. Терфенол D белгілі барлық материалдардың ішінде ең жоғары бөлме температурасындағы магниттік қасиетке ие, ол түрлендіргіштерде, кең жолақты механикалық резонаторларда және жоғары дәлдікті сұйық отын инжекторларында қолданылады. Диспрозий иондаушы сәулеленуді өлшеуге арналған дозиметрлерде қолданылады. Кальций сульфаты немесе кальций фториді кристалдары диспрозиймен легірленеді. Бұл кристалдар сәулеленуге ұшырағанда диспрозий атомдары қозады және люминесценцияны шығарады. Дозиметрдің қанша сәулеленуге ұшырағанын анықтау үшін люминесценция өлшенеді. Сонымен қатар, диспрозий зертхана жағдайында екі өлшемді суперқатты дене жасау үшін қолданылған. Суперқатты денелердің ерекше қасиеттері, соның ішінде супер ағымдылығы болуы күтіледі. Диспрозий йодиді және диспрозий бромиді жоғары қарқынды металл галогенді шамдарда қолданылады. Бұл қосылыстар шамның ыстық бөлігіне жақын диссоциацияланып, оқшауланған диспрозий атомдарын босатады. Соңғылары спектрдің жасыл және қызыл бөлігінде жарық шығарып, жарық сәулеленуін қамтамасыз етеді. Диспрозийдің бірнеше парамагниттік кристалдық тұздары (диспрозий галлий гранаты, DGG; диспрозий алюминий гранаты, DAG; диспрозий темір гранаты, DyIG) адиабаттық демагнетизациялық тоңазытқыштарда қолданылады. Трёхвалентный диспрозий ионы (Dy3+) төмендетілген люминесценциялық қасиеттеріне байланысты зерттелді. Электромагниттік спектрдің ультракөк түсті аймағында қозуға ұшыраған Dy допталған иттрий алюминий гранаты (Dy:YAG) көрінетін аймақта ұзын толқынды фотондарды шығарады. Бұл идея UV сәулелендірілген ақ жарық диодтарының жаңа буынының негізі болып табылады. Диспрозийдің тұрақты изотоптары лазерлік салқындату арқылы кванттық физика эксперименттері үшін магниттік-оптикалық тұзақтарда ұсталды. Бозе және Фермидің алғашқы кванттық дегенеративті газдары диспрозиймен ашылған лантаноид қабықшасында жасалды. Диспрозийдің жоғары магниттік қасиеттері – ол ең магниттік фермиондық элемент және тербиуммен салыстырғанда ең магниттік бозондық атомға жақын – мұндай газдар күшті диполярлы атомдармен кванттық модельдеудің негізін құрайды.

Сақтық шаралары

Көптеген ұнтақтар сияқты, диспрозий ұнтағы ауамен араласқанда және тұтану көзі болғанда жарылыс қаупі тудыруы мүмкін. Заттың жұқа қабаттары да ұшқындармен немесе статикалық электрмен тұтана алады. Диспрозий отын сумен сөндіруге болмайды. Ол сумен әрекеттесіп, тұтанатын сутегі газын бөліп шығарады. Диспрозий хлориді отын сумен сөндіруге болады. Диспрозий фториді мен диспрозий оксиді тұтанбайды. Диспрозий нитраты, Dy(NO3)3, – күшті тотықтырғыш және органикалық заттармен жанасқанда оңай тұтанады. Диспрозий хлориді және диспрозий нитраты сияқты ерігіш диспрозий тұздары жұтылғанда аз улы. Диспрозий хлоридінің егешқұйрықтарға (тышқандарға) тигізетін әсеріне сүйене отырып, 500 грамм немесе одан көп мөлшерде жұтылу адам үшін өлімге әкелуі мүмкін (мысалы, 100 килограмдық адам үшін 300 грамм ас тұзының өлімге әкелетін дозасы). Ерімейтін тұздар улы емес.