Введение

Диспрозий — химический элемент с символом Dy и атомным номером 66. Это редкоземельный элемент, относящийся к лантаноидам, с металлическим серебристым блеском. Диспрозий никогда не встречается в природе в свободном виде, однако, как и другие лантаноиды, он входит в состав различных минералов, таких как ксенотим. Естественный диспрозий состоит из семи изотопов, наиболее распространенным из которых является 164Dy. Диспрозий был впервые выделен в 1886 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, но в чистом виде был получен только в 1950-х годах благодаря развитию методов ионного обмена. Областей применения диспрозия, где он не может быть заменен другими химическими элементами, относительно немного. Он используется благодаря своему высокому сечению поглощения тепловых нейтронов при производстве управляющих стержней для ядерных реакторов, благодаря высокой магнитной восприимчивости – в устройствах хранения данных, а также в качестве компонента Терфенола D (магнетострикционного материала). Растворимые соли диспрозия обладают слабой токсичностью, в то время как нерастворимые соли считаются нетоксичными.

Соединения

Галиды диспрозия, такие как DyF3 и DyBr3, склонны приобретать жёлтый цвет. Оксид диспрозия, также известный как диспрозия, представляет собой белый порошок с высокой магнитной восприимчивостью, превышающей таковую у оксида железа. Два наиболее распространённых карбоната диспрозия, Dy2(CO3)3·2–3H2O (аналогичный минералу тенгериту (Y)) и DyCO3(OH) (аналогичный минералам козоиту (La) и козоиту (Nd)), образуются через плохо упорядоченную (аморфную) предшествующую фазу с формулой Dy2(CO3)3·4H2O. Этот аморфный прекурсор состоит из высокогидратированных сферических наночастиц диаметром 10–20 нм, которые исключительно стабильны при сушке в условиях окружающей среды и при высоких температурах. Диспрозий образует ряд интерметаллических соединений, включая станниды диспрозия.

Изотопы

Природный диспрозий состоит из семи изотопов: 156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy и 164Dy. Все они считаются стабильными, хотя теоретически стабильны только два последних: остальные теоретически могут подвергаться альфа-распаду. Среди природных изотопов наибольшее содержание у 164Dy – 28%, за ним следует 162Dy – 26%. Наименьшее содержание у 156Dy – 0,06%. Диспрозий – самый тяжёлый элемент, у которого существуют изотопы, предсказанные как стабильные, а не наблюдаемые как стабильные изотопы, предсказанные как радиоактивные. Синтезировано 29 радиоизотопов с массовыми числами от 138 до 173. Наиболее стабильным из них является 154Dy с периодом полураспада около 3 лет, за ним следует 159Dy с периодом полураспада 144,4 дня. Наименее стабильным является 138Dy с периодом полураспада 200 мс. Как правило, изотопы, легче стабильных, преимущественно распадаются β+ -распадом, а более тяжёлые – β−-распадом. Однако 154Dy преимущественно распадается альфа-распадом, а 152Dy и 159Dy – преимущественно посредством захвата электронов. Диспрозий также имеет по крайней мере 11 метастабильных изомеров с массовыми числами от 140 до 165. Наиболее стабильным из них является 165mDy с периодом полураспада 1,257 минуты. У 149Dy имеется два метастабильных изомера, второй из которых, 149m2Dy, имеет период полураспада 28 нс.

История

В 1878 году в эрбиевых рудах были обнаружены оксиды гольмия и тулия. Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран, работая с оксидом гольмия, в 1886 году в Париже отделил от него оксид диспрозия. Его метод выделения диспрозия заключался в растворении оксида диспрозия в кислоте, а затем добавлении аммиака для осаждения гидроксида. Ему удалось выделить диспрозий из его оксида лишь после более чем 30 попыток. После успеха он назвал элемент диспрозием, от греческого слова dysprositos (δυσπρόσιτος), означающего «трудный для получения». Элемент не был получен в относительно чистой форме до разработки методов ионного обмена Фрэнком Спеддингом в Университете штата Айова в начале 1950-х годов. В связи с его ролью в постоянных магнитах, используемых в ветровых турбинах, утверждается, что диспрозий станет одним из ключевых объектов геополитической конкуренции в мире, переходящем на возобновляемые источники энергии. Однако эта точка зрения подверглась критике за то, что она не учитывает, что большинство ветровых турбин не используют постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для увеличения производства. В 2021 году Dy был превращен в двухмерный сверхтекучий квантовый газ.

Возникновение

Хотя диспрозий никогда не встречается в природе в виде свободного элемента, он содержится во многих минералах, включая ксенотим, фергусонит, гадолинит, эйксенит, поликраз, бломстрандин, моназит и бастназит, часто вместе с эрбием и гольмием или другими редкоземельными элементами. На данный момент не обнаружено ни одного минерала, в котором диспрозий преобладает над другими редкоземельными элементами в составе. В минералах с высоким содержанием иттрия диспрозий оказывается наиболее распространенным из тяжелых лантаноидов, составляя до 7–8% концентрата (по сравнению с примерно 65% для иттрия). Концентрация диспрозия в земной коре составляет около 5,2 мг/кг, а в морской воде – 0,9 нг/л.

Приложения

Диспрозий используется в сочетании с ванадием и другими элементами при производстве лазерных материалов и коммерческого освещения. Благодаря высокому сечению поглощения тепловых нейтронов, диспрозий-никелевые керамические композиты применяются в поглощающих нейтроны управляющих стержнях ядерных реакторов. Диспрозиевые халькогениды кадмия служат источниками инфракрасного излучения, полезного для изучения химических реакций. Спрос на диспрозий растет в связи с его использованием в постоянных магнитах для электродвигателей электромобилей и генераторов ветровых турбин. В магнитах на основе неодима, железа и бора до 6% неодима может быть заменено диспрозием для повышения коэрцитивной силы в ответственных применениях, таких как тяговые двигатели электромобилей и генераторы ветровых турбин. Для производства одного электромобиля может потребоваться до 100 граммов диспрозия. Исходя из прогнозируемого объема производства в 2 миллиона единиц в год, использование диспрозия в подобных областях может быстро истощить его доступные запасы. Замена диспрозием также может быть полезна в других областях, поскольку она повышает коррозионную стойкость магнитов. Диспрозий является одним из компонентов Terfenol D, наряду с железом и тербием. Terfenol D обладает самой высокой магнитострикцией при комнатной температуре среди всех известных материалов и используется в преобразователях, широкополосных механических резонаторах и высокоточных форсунках для жидкого топлива. Диспрозий применяется в дозиметрах для измерения ионизирующего излучения. Кристаллы сульфата кальция или фторида кальция легируются диспрозием. При воздействии излучения атомы диспрозия возбуждаются и начинают светиться. Интенсивность люминесценции измеряется для определения степени облучения дозиметра. Кроме того, диспрозий был использован для создания двухмерного сверхтвердого тела в лабораторных условиях. Ожидается, что сверхтвердые тела будут обладать необычными свойствами, включая сверхтекучесть. Иодид диспрозия и бромид диспрозия используются в металлогалогенных лампах высокой интенсивности. Эти соединения диссоциируют вблизи горячей центральной части лампы, высвобождая отдельные атомы диспрозия. Последние переизлучают свет в зеленой и красной областях спектра, эффективно создавая яркий свет. Несколько парамагнитных кристаллических солей диспрозия (диспрозиевый галлиевый гранат, DGG; диспрозиевый алюминиевый гранат, DAG; диспрозиевый железный гранат, DyIG) используются в холодильниках адиабатической демагнетизации. Тривалентный ион диспрозия (Dy3+) изучается благодаря своим свойствам понижающей люминесценции. Dy-легированный иттрий-алюминиевый гранат (Dy:YAG), возбуждаемый в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра, излучает фотоны большей длины волны в видимой области. Эта идея лежит в основе нового поколения УФ-насосных светодиодов, излучающих белый свет. Стабильные изотопы диспрозия были лазерно охлаждены и заключены в магнитооптические ловушки для экспериментов по квантовой физике. Первые квантовые вырожденные газы Бозе и Ферми для лантаноида с открытой оболочкой были созданы с использованием диспрозия. Поскольку диспрозий обладает высокой магнитной восприимчивостью – он является самым магнитным фермионным элементом и почти равен тербию по магнитной восприимчивости бозонных атомов – такие газы служат основой для квантового моделирования с сильно диполярными атомами.

Меры предосторожности

Как и многие порошки, порошок диспрозия может представлять опасность взрыва при смешивании с воздухом и при наличии источника воспламенения. Тонкие листы этого вещества также могут воспламеняться от искр или статического электричества. Пожары диспрозия нельзя тушить водой, так как он может реагировать с водой с образованием горючего водорода. Пожары хлорида диспрозия можно тушить водой. Фторид диспрозия и оксид диспрозия не являются горючими. Нитрат диспрозия, Dy(NO3)3, является сильным окислителем и легко воспламеняется при контакте с органическими веществами. Растворимые соли диспрозия, такие как хлорид диспрозия и нитрат диспрозия, умеренно токсичны при проглатывании. Основываясь на токсичности хлорида диспрозия для мышей, предполагается, что употребление 500 граммов или более может быть смертельным для человека (например, летальная доза обычной поваренной соли составляет 300 граммов для человека весом 100 килограммов). Нерастворимые соли нетоксичны.