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镝

原子序数为66的化学元素

镝（dī）（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162.500 u属于镧系元素，也是稀土元素之一。镝的外观具银色金属光泽。镝在大自然中不以单质出现，而是包含在多种矿物之中，例如磷钇矿等。自然形成的镝由7种同位素组成，其中丰度最高的是164Dy。

镝 66Dy
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
－
↑
镝
↓
锎
铽 ← 镝 → 钬
外观
银白色
概况
名称·符号·序数镝（Dysprosium）·Dy·66
元素类别镧系元素
族·周期·区不适用·6·f
标准原子质量162.500(1)[1]
电子排布[氙] 4f10 6s2
2, 8, 18, 28, 8, 2
镝的电子层（2, 8, 18, 28, 8, 2）
镝的电子层（2, 8, 18, 28, 8, 2）
历史
发现保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰（1886年）
物理性质
物态固体
密度（接近室温）
8.540 g·cm−3
熔点时液体密度8.37 g·cm−3
熔点1680 K，1407 °C，2565 °F
沸点2840 K，2562 °C，4653 °F
熔化热11.06 kJ·mol−1
汽化热280 kJ·mol−1
比热容27.7 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1378 1523 (1704) (1954) (2304) (2831)
原子性质
氧化态3, 2, 1
（弱碱性氧化物）
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
镝的原子谱线
杂项
晶体结构六方密堆积
磁序300 K时顺磁性
电阻率（室温）（α型多晶）926 n Ω·m
热导率10.7 W·m−1·K−1
热膨胀系数（室温）（α型多晶）9.9 µm/(m·K)
声速（细棒）（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
维氏硬度540 MPa
布氏硬度500 MPa
CAS号7429-91-6
同位素
主条目：镝的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
154Dy 人造 1.40×106 年[2] α 2.945 150Gd
156Dy 0.056% 稳定，带90粒中子
158Dy 0.095% 稳定，带92粒中子
160Dy 2.329% 稳定，带94粒中子
161Dy 18.889% 稳定，带95粒中子
162Dy 25.475% 稳定，带96粒中子
163Dy 24.896% 稳定，带97粒中子
164Dy 28.260% 稳定，带98粒中子
165Dy 人造 2.332 小时 β− 1.286 165Ho

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 编辑

物理性质 编辑

 
镝金属样本

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。[3]

镝和钬拥有所有元素中最高的磁强度，[4]这在低温状态下更为显著。[5]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。[6]

化学性质 编辑

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)

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，镝金属会和所有卤素反应：[来源请求]

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：[8]

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 编辑

 
硫酸镝，Dy2(SO4)3
参见：分类:镝化合物

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。[5]

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。[9]

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。[10]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。[11][12]

同位素 编辑

主条目：镝的同位素

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。[13]

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。[13]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。[13]

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 编辑

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。[14]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。[4]

存量 编辑

 
磷钇矿

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。[15]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。[16]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%）。[17][18]地球地壳中的镝含量约为5.2 mg/kg，在海水中为0.9 ng/L。[9]

生产 编辑

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：[10]

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。[10]

全球每年产出大约100吨镝，[19]其中99%产自中国。[20]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。[20]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。[21]

应用 编辑

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（英语：Cermet）是一种核反应堆控制棒材料。[4][22]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。[3]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。[23]

钕-铁-硼磁铁中钕部分可以替换为镝，[24]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。[25]替换成镝的磁铁还具有较高的抗腐蚀性。[26]

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。[27]这种性质可用于换能器、宽频机械共鸣管[28]和高精度液态燃料喷射器。[29]

镝被用于剂量计（英语：Dosimeter）中，测量电离辐射量。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。[4]

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巴压强下对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。[30][31][32]

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。[4][33]

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。[34][35]

安全 编辑

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。[36]氯化镝火焰却可以用水浇熄，[37]而氟化镝和氧化镝则不易燃。[38][39]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。[5]

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。[4]

参见 编辑

参考资料 编辑

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外部链接 编辑

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