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镝

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镝 66Dy
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－
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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

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。

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

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物理性质

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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

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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

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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

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主条目：镝的同位素

自然形成的镝由7种稳定同位素组成：156Dy、158Dy和160Dy至164Dy。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1.40×106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，理论上都会发生α衰变，类似于铋-209与锇-186的情形。[14]

历史

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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。[15]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

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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。[16]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。[17]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%）。[18][19]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

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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，[20]其中99%产自中国。[21]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。[21]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。[22]

应用

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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][23]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。[24]

钕-铁-硼磁铁中钕部分可以替换为镝，[25]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。[26]替换成镝的磁铁还具有较高的抗腐蚀性。[27]

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。[28]这种性质可用于换能器、宽频机械共鸣管[29]和高精度液态燃料喷射器。[30]

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小时而不会溶解或聚集。[31][32][33]

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][34]

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。[35][36]

安全

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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。[37]氯化镝火焰却可以用水浇熄，[38]而氟化镝和氧化镝则不易燃。[39][40]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

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参考资料

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