Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение диспрозий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 176 pm — это 0,176 нм, поэтому около 2,84 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Диспрозий находится в жидком состоянии в диапазоне 1160 K — от 1680 K до 2840 K.
История
«Труднодоступный», а теперь незаменимый для магнитов, которые должны выдерживать жару в моторном отсеке.
Открыл: Поль-Эмиль Лекок де Буабодран в Париже, Франция (1886)
Название происходит от: греческого «dysprositos», означающего «труднодоступный»
Открытие диспрозия стало одним из наиболее технически сложных достижений в химии редкоземельных элементов. Поль-Эмиль Лекок де Буабодран, работавший в собственной лаборатории в Париже, начал исследовать образцы оксида гольмия в 1885 году, предполагая, что они содержат дополнительные элементы.
Используя усовершенствованные методы дробной кристаллизации, Буабодран выполнил более 32 последовательных разделений растворов нитрата гольмия. Для каждого разделения требовался точный контроль температуры, pH и концентрации, чтобы добиться даже минимальной очистки. Процесс занял почти два года кропотливой работы.
Ключевой прорыв произошёл, когда Буабодран обнаружил ранее неизвестные линии поглощения в жёлтой и зелёной областях спектра. Эти спектральные линии неизменно появлялись в наиболее трудноразделимых фракциях, подтверждая присутствие нового элемента.
Буабодран выбрал название «диспрозий» («труднодоступный»), признав необычайную сложность, с которой столкнулся при разделении. Название оказалось пророческим: даже сегодня диспрозий остаётся одним из самых сложных для очистки редкоземельных элементов.
Первоначальное подтверждение существования диспрозия получил Эжен-Анатоль Демарсе, проведший независимый спектроскопический анализ в 1886 году. Однако получение чистых соединений диспрозия потребовало ещё нескольких десятилетий совершенствования методов.
Первый достаточно чистый оксид диспрозия был получен лишь в 1906 году, а металлический диспрозий выделили только в 1950 году с помощью ионообменных методов, разработанных в Университете штата Айова.
Систематический подход Буабодрана к разделению редкоземельных элементов заложил основу современной химии лантаноидов. Его подробная документация процедур разделения позволила другим учёным воспроизвести его работу и продолжить развитие исследований редкоземельных элементов.
Сегодня мы понимаем, что «труднодоступность» диспрозия обусловлена явлением лантаноидного сжатия, из-за которого ионные радиусы соседних редкоземельных элементов становятся почти одинаковыми. Это открытие, казавшееся в 1886 году лишь академическим, теперь лежит в основе технологий стоимостью сотни миллиардов долларов ежегодно.
Применение
Диспрозий получил звание «супергероя магнитов» благодаря одному из самых высоких магнитных моментов среди всех элементов. Этот критически важный редкоземельный элемент стал абсолютно необходимым для глобального перехода к возобновляемой энергетике и электрическому транспорту, что сделало его одним из наиболее стратегически важных материалов XXI века.
Диспрозий — секретный компонент, благодаря которому ветряные турбины работают эффективно. При добавлении к постоянным магнитам из неодима, железа и бора диспрозий значительно повышает их температурную стабильность и коэрцитивную силу. Генераторы ветряных турбин с магнитами, усиленными диспрозием, могут работать при температурах до 180°C, сохраняя полную магнитную силу, что обеспечивает более эффективную выработку электроэнергии даже в экстремальных погодных условиях.
Каждый Tesla, Prius и электромобиль на дороге зависит от постоянных магнитов, усиленных диспрозием, в своих двигателях. Эти сверхвысокопроизводительные магниты обеспечивают более высокую плотность крутящего момента, работая при высоких температурах, возникающих в электрических силовых установках. Диспрозий позволяет сделать электродвигатели на 30% меньше и на 25% эффективнее обычных аналогов.
Хирургические роботы используют приводы, усиленные диспрозием, для чрезвычайно точных движений во время сложных операций. В аппаратах МРТ соединения диспрозия применяются как контрастные вещества, а в передовых лазерных системах диспрозий используется в специализированных оптических компонентах для медицинского лечения и диагностики.
Металлогалогенные лампы с диспрозием создают чрезвычайно яркий свет с точной цветопередачей, необходимый для кинопроизводства, освещения стадионов и архитектурного освещения. Эти специализированные лампы дают в 5 раз больше света на ватт, чем обычные лампы, сохраняя идеальную стабильность цветовой температуры.
Оксид диспрозия служит поглотителем нейтронов в системах управления ядерными реакторами, помогая регулировать ядерные реакции и поддерживать безопасные условия работы. Его исключительное сечение захвата нейтронов делает его незаменимым для систем ядерной безопасности.
В магнитострикционных устройствах сплавы диспрозия применяются в гидролокационных системах, прецизионных приводах и системах гашения вибрации. Уникальные магнитные свойства элемента обеспечивают сверхчувствительные системы обнаружения и точное механическое управление.
Министерство энергетики США классифицирует диспрозий как «критически важный материал» из-за риска перебоев поставок и его значения для технологий чистой энергетики. Поскольку 95% производства сосредоточено в Китае, безопасность поставок диспрозия считается вопросом национальной безопасности для многих стран.
Ожидается, что мировой спрос на диспрозий к 2030 году вырастет в 7 раз, главным образом благодаря распространению электромобилей и развитию возобновляемой энергетики. Текущая рыночная цена: $300–500 долларов США/кг, что делает его одним из самых ценных промышленных материалов.
К перспективным применениям относятся квантовые датчики, системы магнитного охлаждения и передовые технологии хранения данных. Исследования однокомолекулярных магнитов на основе диспрозия могут произвести революцию в квантовых вычислениях и устройствах памяти со сверхвысокой плотностью.
Откуда он происходит
5,2 мг/кг земной коры · более распространён, чем 65% элементов
Диспрозий занимает 43-е место по распространённости среди элементов земной коры: его средняя концентрация составляет 5,2 части на миллион. Однако экономически рентабельные месторождения встречаются крайне редко, что делает диспрозий одним из наиболее дефицитных критически важных материалов современной экономики.
Китай (95% мировых поставок): ионно-адсорбционные глинистые месторождения южного Китая в провинциях Цзянси, Гуандун и Фуцзянь содержат самые богатые в мире концентрации диспрозия. Эти месторождения сформировались в результате выветривания гранитных интрузий на протяжении миллионов лет, сконцентрировав тяжёлые редкоземельные элементы в глинистых минералах.
Мьянма: незаконные горные работы стали значительным источником, хотя и сопровождаются серьёзными экологическими и социальными издержками.
Альтернативные источники: месторождения Маунт-Уэлд в Австралии, Кванефьельд в Гренландии и Стрейндж-Лейк в Канаде содержат значительные запасы диспрозия, но остаются неосвоенными из-за технических и экономических трудностей.
Извлечение диспрозия требует сложных процессов разделения из-за эффектов лантаноидного сжатия. В ионно-адсорбционных глинах применяют выщелачивание сульфатом аммония, за которым следует многостадийная экстракция растворителем. Для полного разделения может потребоваться более 200 стадий экстракции, что делает производство диспрозия чрезвычайно энерго- и химически затратным.
Добыча диспрозия, особенно из ионно-адсорбционных глин, приводит к значительному нарушению окружающей среды. При производстве каждого килограмма оксида диспрозия образуется примерно 2 000 тонн отходов добычи и требуется интенсивная химическая переработка.
В условиях ограниченных поставок переработка диспрозия из постоянных магнитов становится всё более важной. Передовые технологии переработки позволяют извлекать более 95% диспрозия из магнитов, вышедших из эксплуатации, хотя текущий мировой уровень переработки остаётся ниже 1%.
Обращение
Диспрозий и его соединения представляют умеренную промышленную опасность, требующую соблюдения стандартных протоколов безопасности. Хотя они не обладают острой токсичностью, правильное обращение предотвращает воздействие и обеспечивает безопасность труда на высокотехнологичных производствах.
Пожароопасность: порошок металлического диспрозия пирофорен и может самопроизвольно воспламениться во влажном воздухе. Хранить под сухим инертным газом вдали от источников воспламенения и окислителей.
Контроль пыли: пыль оксида диспрозия может вызывать раздражение дыхательных путей и глаз. Поддерживать предел воздействия на рабочем месте ниже 5 мг/м³ в пересчёте на 8-часовое средневзвешенное значение.
Хранить соединения диспрозия в плотно закрытых контейнерах в прохладных, сухих и хорошо проветриваемых помещениях. Металлические порошки требуют хранения в инертной атмосфере для предотвращения окисления. Отделять от несовместимых материалов, включая сильные кислоты и окислители.
Учитывая высокую экономическую ценность диспрозия ($300–500 долларов США/кг), все отходы следует собирать для переработки. Соблюдать процедуры объекта для обращения с отходами редкоземельных элементов и их утилизации. Никогда не выбрасывать материалы, содержащие диспрозий, в обычные потоки отходов.
При возгорании металлического диспрозия использовать огнетушащие вещества класса D (сухой песок, графитовый порошок или специальные огнетушители для металлических пожаров). Никогда не использовать воду или обычные огнетушители для тушения горящих редкоземельных металлов.
Краткие ответы
Диспрозий (символ Dy) — элемент 66 в периодической таблице, представитель семейства Лантаноид в 6 периоде. «Труднодоступный», а теперь незаменимый для магнитов, которые должны выдерживать жару в моторном отсеке. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁰ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 28, 8, 2.Диспрозий плавится при 1680 K (1406.9 °C) и кипит при 2840 K (2566.9 °C).
Стандартная атомная масса Диспрозий составляет 162.5 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Диспрозий составляет 8.54 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Диспрозий примерно в 8.5× тяжелее.
Электроотрицательность Диспрозий по шкале Полинга составляет 1.22. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Диспрозий был открыт в 1886 году Lecoq de Boisbaudran. Назван в честь греческое dysprositos, «труднодоступный».
На долю Диспрозий приходится около 5.2 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.