What is 镝?
镝 (symbol Dy) is element 66 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. "Hard to get at", and now indispensable for magnets that must survive engine-bay heat. At room temperature it is a solid.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示镝在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 176 pm — that is 0.176 nm, so about 2841 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
镝 is liquid over a 1160 K window, from 1680 K to 2840 K.
故事
"Hard to get at", and now indispensable for magnets that must survive engine-bay heat.
发现者:Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran,法国巴黎(1886年)
名称来源:希腊语“dysprositos”,意为“难以获得”
镝的发现代表了稀土化学中技术要求最高的成就之一。Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran在巴黎的私人实验室工作,于1885年开始研究氧化钬样品,怀疑其中含有其他元素。
Boisbaudran运用改进的分级结晶技术,对硝酸钬溶液进行了32次以上的连续分离。每次分离都需要精确控制温度、pH值和浓度,才能实现哪怕是很有限的纯化。整个过程耗时近两年,工作极其细致。
关键突破来自Boisbaudran在光谱的黄色和绿色区域观察到此前未知的吸收线。这些谱线始终出现在最难分离的馏分中,证实了新元素的存在。
Boisbaudran选择“dysprosium”(难以获得)这一名称,以纪念他在分离过程中遇到的非凡困难。事实证明,这个名称极具预见性——即使在今天,镝仍然是最难纯化的稀土元素之一。
镝最初由Eugène-Anatole Demarçay于1886年通过独立的光谱分析加以确认。然而,制备纯镝化合物还需要数十年的进一步改进。
直到1906年,人们才获得了纯度较高的氧化镝;而金属镝则直到1950年才通过在Iowa State University开发的离子交换技术分离出来。
Boisbaudran系统性的稀土分离方法奠定了现代镧系元素化学的基础。他对分离过程的详细记录使其他科学家能够重复他的工作,并进一步推动稀土研究。
如今我们了解到,镝“难以获得”的原因源于镧系收缩现象,该现象使相邻稀土元素的离子半径几乎相同。这个在1886年看来仅具有学术意义的发现,如今支撑着每年价值数千亿美元的技术。
应用
镝因拥有所有元素中最高的磁矩之一而获得“磁铁超级英雄”的称号。这种关键稀土元素已成为全球转向可再生能源和电动交通不可或缺的材料,使其成为21世纪最具战略重要性的材料之一。
镝是使风力涡轮机高效运行的秘密成分。添加到钕铁硼永磁体中后,镝会显著提高其温度稳定性和矫顽力。含有镝增强磁体的风力涡轮机发电机可在高达180°C的温度下运行,同时保持完整的磁力,即使在极端天气条件下也能实现更高效的发电。
道路上的每一辆Tesla、Prius和电动汽车,其电机都依赖镝增强永磁体。这些超高性能磁体在电动传动系统产生的高温下运行,同时提供更高的扭矩密度。镝使电动机比传统替代品小30%,效率高25%。
手术机器人依靠镝增强执行器,在精细操作期间实现极其精准的运动。MRI设备使用镝化合物作为造影剂,而先进激光系统则在医疗治疗和诊断的专用光学组件中采用镝。
镝金属卤化物灯产生极其明亮且色彩准确的光线,是电影制作、体育场馆照明和建筑照明所必需的。这些专用灯每瓦产生的光线比传统灯泡多5倍,同时保持完美的色温稳定性。
氧化镝在核反应堆控制系统中充当中子吸收剂,有助于调节核反应并维持安全运行条件。其出色的中子俘获截面使其成为核安全系统中不可替代的材料。
磁致伸缩应用在声纳系统、精密执行器和减振系统中使用镝合金。这种元素独特的磁性质能够实现超灵敏检测系统和精密机械控制应用。
由于存在供应风险且对清洁能源技术十分重要,美国能源部将镝列为“关键材料”。全球95%的产量集中在中国,镝的供应安全被许多国家视为国家安全问题。
预计到2030年,全球镝需求将增长7倍,主要受电动汽车普及和可再生能源扩张推动。目前市场价格为每千克$300-500,使其成为最有价值的工业材料之一。
下一代应用包括量子传感器、磁制冷系统和先进数据存储技术。对镝基单分子磁体的研究可能会彻底改变量子计算和超高密度存储器件。
来源
5.2 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 65% of elements
镝在地壳中元素丰度排名第43位,平均浓度为5.2 ppm。然而,具有经济开采价值的矿床极其稀少,使镝成为现代经济中供应最受限制的关键材料之一。
中国(全球供应量的95%):中国南方江西、广东和福建省的离子吸附型黏土矿床含有世界上最丰富的镝。数百万年来,花岗岩侵入体风化形成这些矿床,使重稀土元素富集于黏土矿物中。
缅甸:非法采矿活动已成为重要来源,但伴随着严重的环境和社会代价。
替代来源:澳大利亚Mount Weld、格陵兰Kvanefjeld和加拿大Strange Lake矿床含有大量镝储量,但由于技术和经济方面的挑战,仍未开发。
由于镧系收缩效应,镝的提取需要复杂的分离工艺。离子吸附型黏土采用硫酸铵浸出,随后进行多级溶剂萃取。完全分离可能需要超过200个萃取阶段,使镝的生产极其耗能且耗用大量化学品。
镝矿开采,尤其是从离子吸附型黏土中开采,会造成严重的环境扰动。每生产一千克氧化镝约产生2,000吨采矿废物,并需要大量化学处理。
鉴于供应受限,从永磁体中回收镝正变得越来越重要。先进回收技术可从报废磁体中回收95%以上的镝,但目前全球回收率仍低于1%。
处理
镝及其化合物具有中度工业危害,需要采用标准安全规程。虽然不会造成急性中毒,但正确操作可防止接触暴露,并确保高价值制造作业中的工作场所安全。
火灾危害:镝金属粉末具有自燃性,在潮湿空气中可能自发着火。应在干燥惰性气体下储存,并远离点火源和氧化剂。
粉尘控制:氧化镝粉尘可能引起呼吸道和眼部刺激。应将工作场所暴露限值维持在低于5 mg/m³的8小时加权平均值。
将镝化合物储存在阴凉、干燥、通风良好区域内的密封容器中。金属粉末需要在惰性气氛中储存,以防止氧化。应与强酸和氧化剂等不相容材料分开存放。
鉴于镝的高经济价值(每千克$300-500),所有废料都应收集起来进行回收。遵循场所特定的稀土废物处理和处置程序。切勿将含镝材料丢入普通废物流。
镝金属火灾应使用D类灭火剂(干砂、石墨粉或专用金属灭火器)。切勿对燃烧的稀土金属使用水或普通灭火器。
快速回答
镝 (symbol Dy) is element 66 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. "Hard to get at", and now indispensable for magnets that must survive engine-bay heat. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁰ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 28, 8, 2 electrons respectively.镝 melts at 1680 K (1406.9 °C) and boils at 2840 K (2566.9 °C).
The standard atomic weight of 镝 is 162.5 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
镝 has a density of 8.54 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 镝 is about 8.5× heavier.
镝 has a Pauling electronegativity of 1.22. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
镝 was discovered in 1886 by Lecoq de Boisbaudran. It is named after greek dysprositos, "hard to get at".
镝 makes up about 5.2 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.