镝是什么?
镝(符号Dy)是元素周期表中的第66号元素,属于6周期的镧系元素。 “难以获取”,如今已成为必须经受发动机舱高温的磁体不可或缺的材料。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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
每个条形图显示镝在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径176 pm——即0.176 nm,因此大约2.84百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
镝在1160 K的范围内呈液态,温度从1680 K到2840 K。
背后的故事
“难以获取”,如今已成为必须经受发动机舱高温的磁体不可或缺的材料。
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运用改进的分步结晶技术,对硝酸钬溶液进行了超过32次连续分离。每次分离都需要精确控制温度、pH值和浓度,才能实现哪怕很有限的纯化。整个过程耗时近两年。
关键突破来自Boisbaudran对光谱黄色和绿色区域中此前未知吸收线的观察。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)这个名称,是为了纪念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确认,他于1886年进行了独立的光谱分析。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;而金属镝直到1950年才通过爱荷华州立大学开发的离子交换技术被分离出来。
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其工作,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。1886年看似纯学术性的发现,如今已成为每年价值数千亿美元技术的基础。
用途
镝因拥有所有元素中最高的磁矩之一,赢得了“磁铁超级英雄”的称号。这种关键的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,镝可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发电机可在高达180°C的温度下运行,同时保持完整的磁性,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。镝使电动机的尺寸可缩小30%,效率比传统替代方案提高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,而先进的激光系统则在医疗治疗和诊断中使用含镝的专用光学元件。
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。这些专用灯具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用作中子吸收剂,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。
磁致伸缩应用在声呐系统、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确的机械控制应用。
由于供应风险及其对清洁能源技术的重要性,美国能源部将镝列为“关键材料”。全球95%的产量集中在中国,因此对许多国家而言,镝供应安全被视为国家安全问题。
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$300-500/kg,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。对基于镝的单分子磁体的研究可能彻底改变量子计算和超高密度存储设备。
来源
地壳中含量为5.2 mg/kg · 比65%的元素更丰富
镝是地壳中丰度排名第43位的元素,平均浓度为5.2 ppm。然而,具有经济开采价值的矿床极为稀少,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%):中国南部江西、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资源。这些矿床由花岗岩侵入体经过数百万年的风化形成,使重稀土富集在黏土矿物中。
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:澳大利亚的Mount Weld、格陵兰的Kvanefjeld和加拿大的Strange Lake矿床含有大量镝储量,但由于技术和经济方面的挑战,仍未得到开发。
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个萃取级,使镝生产的能源和化学品消耗极高。
镝矿开采,尤其是离子吸附型黏土矿开采,会造成显著的环境破坏。每生产1千克氧化镝,大约会产生2,000吨采矿废料,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。先进回收技术可以从报废磁体中回收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等工业危害,需要遵守标准安全规程。虽然没有急性毒性,但正确操作可防止接触,并确保高价值制造作业中的工作场所安全。
火灾危险:镝金属粉末具有自燃性,在潮湿空气中可能自发着火。应储存在干燥的惰性气体中,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小时时间加权平均值。
将镝化合物储存在密封良好的容器中,并置于阴凉、干燥、通风良好的区域。金属粉末需要在惰性气氛中储存,以防止氧化。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($300-500/kg),所有废料都应收集并回收。遵循特定场所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。
镝金属发生火灾时,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常规灭火器。
快速解答
镝(符号Dy)是元素周期表中的第66号元素,属于6周期的镧系元素。 “难以获取”,如今已成为必须经受发动机舱高温的磁体不可或缺的材料。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹⁰ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 28, 8, 2。镝在1680 K(1406.9 °C)熔化,在2840 K(2566.9 °C)沸腾。
镝的标准原子量为162.5 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
镝的密度为8.54 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此镝块约重8.5倍。
镝的鲍林电负性为1.22。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
镝由Lecoq de Boisbaudran于1886年发现。 它以希腊语 dysprositos,“难以获得的”命名。
镝约占地壳的5.2 mg/kg——不常见,但并不稀有。