Disporsiyum

Disporsiyum, ₆₆Dy

Disporsiyum
Telaffuz	/dɪsˈproʊziəm/ ​(dis-PROH-zee-əm)
Görünüm	gümüş beyazı
Standart atom ağırlığı Ar, std(Dy)	7002162500000000000♠162.500(1)
Periyodik tablodaki Disporsiyum
– ↑ Dy ↓ Cf terbiyum ← disporsiyum → holmiyum
Atom numarası (Z)	66
Grup	n/a
Period	periyot 6
Blok	f-blok
Element kategorisi	Lantanid
Elektron konfigürasyonu	[Xe] 4f10 6s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 28, 8, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1680 K ​(1407 °C, ​2565 °F)
Kaynama noktası	2840 K ​(2562 °C, ​4653 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	8.540 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	8.37 g/cm3
Isı entalpisi	11.06 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	280 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	27.7 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1378 1523 (1704) (1954) (2304) (2831)
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	0, +1, +2, +3, +4 (bir zayıf baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.22
İyonlaşma enerjisi	1.: 573.0 kJ/mol 2.: 1130 kJ/mol 3.: 2200 kJ/mol
Atom yarıçapı	deneysel: 178 pm
Kovalent yarıçapı	192±7 pm
disporsiyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​yakın altıgen paketleme (hcp)
Sesin hızı kalay çubuk	2710 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	α, poly: 9.9 µm/(m·K) (r.t.)
Termal iletkenlik	10.7 W/(m·K)
Elektriksel direnç	α, poly: 926 nΩ·m (r.t.)
Manyetik sıralama	300 K'da paramanyetik
Manyetik alınganlık	+103,500·10−6 cm3/mol (293.2 K)
Young modülü	α form: 61.4 GPa
Kayma modülü	α form: 24.7 GPa
Bulk modülü	α form: 40.5 GPa
Poisson oranı	α form: 0.247
Vickers sertliği	410–550 MPa
Brinell sertliği	500–1050 MPa
CAS Numarası	7429-91-6
Tarihçe
Keşfeden	Lecoq de Boisbaudran (1886)
disporsiyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 154Dy syn 3.0×106 y α 150Gd 156Dy 0.056% kararlı 158Dy 0.095% kararlı 160Dy 2.329% kararlı 161Dy 18.889% kararlı 162Dy 25.475% kararlı 163Dy 24.896% kararlı 164Dy 28.260% kararlı

Disprosyum, sembolü Dy ve atom numarası 66 olan kimyasal bir elementtir. Metalik gümüş parlaklığa sahip nadir toprak elementidir. Disprosyum, ksenotim gibi çeşitli minerallerde bulunmasına rağmen, doğada hiçbir zaman serbest bir element olarak bulunmaz. Doğal olarak oluşan disprosiyum, en bol olanı ¹⁶⁴Dy olan yedi izotoptan oluşur.

Disprosyum ilk olarak 1886'da Paul Émile Lecoq de Boisbaudran tarafından tanımlandı, ancak 1950'lerde iyon değişim tekniklerinin gelişmesine kadar saf halde izole edilmedi. Disprosyum, diğer kimyasal elementlerle değiştirilemeyeceği nispeten az uygulamaya sahiptir. Nükleer reaktörlerde kontrol çubukları yapımında yüksek termal nötron absorpsiyon kesiti, yüksek manyetik duyarlılığı (veri depolama uygulamalarında $\chi _{v}\approx 5.44\times 10^{-3}$ ve Terfenol-D'nin bir bileşeni olarak kullanılır) manyetostriktif bir malzeme). Çözünür disprosyum tuzları hafif toksiktir, çözülmeyen tuzlar ise toksik değildir.

Tarihçe

1878'de erbiyum cevherlerinin holmiyum ve tulium oksitlerini içerdiği bulundu. Fransız kimyager Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, holmiyum oksitle çalışırken 1886'da Paris'te disprosyum oksidi ondan ayırdı. Disprosyumu izole etme prosedürü, disprosyum oksidi asitte çözmeyi ve ardından hidroksiti çökeltmek için amonyak eklemeyi içeriyordu. Prosedüründe 30'dan fazla denemeden sonra disprosyumu oksitinden ancak izole edebildi. Başarılı olduktan sonra, "elde edilmesi zor" anlamına gelen, Yunan disprositolarından (δυσπρόσιτος) disprosiyum elementini adlandırdı. Element, 1950'lerin başlarında Iowa Eyalet Üniversitesi'nde Frank Spedding tarafından iyon değişim tekniklerinin geliştirilmesine kadar nispeten saf biçimde izole edilmedi.

Rüzgar türbinleri için kullanılan kalıcı mıknatıslardaki rolü nedeniyle, disprosiyumun yenilenebilir enerji ile çalışan bir dünyada jeopolitik rekabetin ana nesnelerinden biri olacağı ileri sürülmüştür. Ancak bu bakış açısı, çoğu rüzgar türbininin kalıcı mıknatıs kullanmadığını fark edemediği ve genişletilmiş üretim için ekonomik teşviklerin gücünü küçümsediği için eleştirildi.

Özellikleri

Fiziki ozellikleri

Disprosyum nadir bulunan bir toprak elementidir ve metalik, parlak gümüş bir parlaklığa sahiptir. Oldukça yumuşaktır ve aşırı ısınmadan kaçınıldığında kıvılcım çıkarmadan işlenebilir. Disprosyumun fiziksel özellikleri, küçük miktarlardaki safsızlıklardan bile büyük ölçüde etkilenebilir.

Disprosyum ve holmiyum, özellikle düşük sıcaklıklarda elementlerin en yüksek manyetik kuvvetine sahiptir. Disprosyum 85 K (-188,2 °C) altındaki sıcaklıklarda basit bir ferromanyetik sıralamaya sahiptir. 85 K'nin (−188.2 °C) üzerinde, belirli bir bazal düzlem katmanındaki tüm atomik momentlerin paralel olduğu ve bitişik katmanların momentlerine sabit bir açıyla yönlendirildiği sarmal bir antiferromanyetik duruma dönüşür. Bu alışılmadık antiferromanyetizma, 179 K (-94 °C) sıcaklıkta düzensiz (paramanyetik) bir duruma dönüşür.

Kimyasal özellikler

Disprosyum metal havada yavaşça kararır ve disprosiyum (III) oksit oluşturmak için kolayca yanar:

4 Dy + 3 O₂ → 2 Dy₂O₃

Disprosyum oldukça elektropozitiftir ve soğuk suyla (ve sıcak suyla oldukça hızlı) yavaş reaksiyona girerek disprosiyum hidroksit oluşturur:

2 Dy (s) + 6 H₂O (l) → 2 Dy(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

Disprosyum metal, 200 °C'nin üzerinde tüm halojenlerle şiddetli reaksiyona girer:

2 Dy (s) + 3 F₂ (g) → 2 DyF₃ (s) [yeşil]

2 Dy (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 DyCl₃ (s) [beyaz]

2 Dy (s) + 3 Br₂ (g) → 2 DyBr₃ (s) [beyaz]

2 Dy (s) + 3 I₂ (g) → 2 DyI₃ (s) [yeşil]

Disprosyum, bir [Dy(OH₂)₉]³⁺ kompleksi olarak var olan sarı Dy (III) iyonlarını içeren çözeltiler oluşturmak için seyreltik sülfürik asitte kolayca çözünür:

2 Dy (s) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Dy³⁺ (aq) + 3 SO2−
4 (aq) + 3 H₂ (g)

Ortaya çıkan bileşik, disprosyum (III) sülfat, fark edilir şekilde paramanyetiktir.

Bileşikler

DyF₃ ve DyBr₃ gibi disprosyum halojenürler, sarı renk alma eğilimindedir. Disprosi olarak da bilinen disprosyum oksit, demir oksitten daha fazla manyetik olan beyaz bir tozdur.

Disprosyum, farklı bileşim ve oksidasyon durumları +3 ve bazen +2 olan DyN, DyP, DyH₂ ve DyH₃; DyS, DyS₂, Dy₂S₃ and Dy₅S₇; DyB₂, DyB₄, DyB₆ and DyB₁₂, as well as Dy₃C and Dy₂C₃ gibi ikili bileşikler oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda çeşitli metal olmayanlarla birleşir.

Disprosyum karbonat, Dy₂(CO₃)₃ ve disprosyum sülfat, Dy₂(SO₄)₃, benzer reaksiyonlardan kaynaklanır. Disprosyum bileşiklerinin çoğu suda çözünür, ancak disprosyum karbonat tetrahidrat (Dy₂(CO₃)₃·4H₂O) ve disprosyum oksalat dekahidrat (Dy₂(C₂O₄)₃·10H₂O) suda çözünmez. En bol bulunan disprosyum karbonatlardan ikisi, Dy₂(CO₃)₃·2–3H₂O (mineral tengerite benzer-(Y)) ve DyCO₃(OH) (kozoite- (La) ve kozoite- (Nd) minerallerine benzer, Dy₂(CO₃)₃·4H₂O formülüne sahip kötü düzenlenmiş (amorf) bir öncü fazdan oluştuğu bilinmektedir. Bu amorf öncü, ortam sıcaklığında ve yüksek sıcaklıklarda kuru işlem altında son derece stabil olan, 10-20 nm çapında yüksek oranda hidratlanmış küresel nanopartiküllerden oluşur.

İzotoplar

Doğal olarak oluşan disprosyum yedi izotoptan oluşur: ¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶¹Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶³Dy, ve ¹⁶⁴Dy. ¹⁵⁶Dy teorik olarak 1×10¹⁸ yıldan fazla bir yarı ömürle alfa bozunmasına uğrayabilse de, bunların tümü sabit kabul edilir. Doğal olarak oluşan izotoplardan ¹⁶⁴Dy, %28 ile en bol olanıdır ve onu %26 ile ¹⁶²Dy izlemektedir. En az bol olan %0.06'da ¹⁵⁶Dy'dir.

Atom kütlesi olarak 138 ile 173 arasında değişen yirmi dokuz radyoizotop sentezlendi. Bunlardan en kararlı olanı yaklaşık 3×10⁶ yıllık yarı ömürle ¹⁵⁴Dy'dir ve bunu 144.4 günlük yarı ömürle ¹⁵⁹Dy izlemektedir. En az kararlı olan ¹³⁸Dy'dir ve yarı ömrü 200 ms'dir. Genel bir kural olarak, kararlı izotoplardan daha hafif olan izotoplar esas olarak β + bozunma ile bozunma eğilimindeyken, daha ağır olanlar β− bozunma eğilimindedir. Bununla birlikte, ¹⁵⁴Dy öncelikle alfa bozunmasıyla bozulur ve ¹⁵²Dy ve ¹⁵⁹Dy, öncelikle elektron yakalama ile bozulur. Disprosyum ayrıca atomik kütle olarak 140 ila 165 arasında değişen en az 11 metastabil izomere sahiptir. Bunlardan en kararlı olanı, 1.257 dakikalık yarılanma ömrüne sahip ^165mDy'dir. ¹⁴⁹Dy'nin iki yarı kararlı izomeri vardır ve bunların ikincisi olan ^149m2Dy'nin yarı ömrü 28 ns'dir.

Oluşum

Disprosyum hiçbir zaman serbest bir element olarak karşılaşılmazken, ksenotim, fergusonit, gadolinit, ösenit, polikraz, blomstrandin, monazit ve bastnäsite dahil olmak üzere birçok mineralde, genellikle erbiyum ve holmiyum veya diğer nadir toprak elementleriyle birlikte bulunur. Disprosyum baskın bir mineral (yani, bileşimdeki diğer nadir toprak elementlerine göre baskın olan disprosiyum ile) henüz bulunamamıştır.

Bunların yüksek itriumlu versiyonunda, disprosyum ağır lantanitlerin en bol olanıdır ve konsantrenin %7-8'ini oluşturur (itriyum için yaklaşık %65'e kıyasla). Dünya'nın kabuğundaki Dy konsantrasyonu yaklaşık 5,2 mg/kg ve deniz suyunda 0,9 ng/L'dir.

Üretim

Disprosyum esas olarak çeşitli fosfatların bir karışımı olan monazit kumundan elde edilir. Metal, itriyumun ticari ekstraksiyonunda bir yan ürün olarak elde edilir. Disprosyumu izole etmede istenmeyen metallerin çoğu manyetik olarak veya yüzdürme işlemiyle çıkarılabilir. Disprosyum daha sonra bir iyon değiştirme yer değiştirme işlemi ile diğer nadir toprak metallerinden ayrılabilir. Elde edilen disprosyum iyonları daha sonra flor veya klor ile reaksiyona girerek disprosiyum florür, DyF₃ veya disprosiyum klorür, DyCl₃ oluşturabilir. Bu bileşikler, aşağıdaki reaksiyonlarda kalsiyum veya lityum metalleri kullanılarak indirgenebilir:

3 Ca + 2 DyF₃ → 2 Dy + 3 CaF₂

3 Li + DyCl₃ → Dy + 3 LiCl

Bileşenler bir tantal pota içine yerleştirilir ve helyum atmosferinde ateşlenir. Reaksiyon ilerledikçe, ortaya çıkan halojenür bileşikleri ve erimiş disprosiyum, yoğunluk farklılıkları nedeniyle ayrılır. Karışım soğuduğunda, disprosiyum safsızlıklardan kesilebilir.

Her yıl dünya çapında yaklaşık 100 ton disprosiyum üretilmektedir ve toplamın %99'u Çin'de üretilmektedir. Disprosyum fiyatları, 2003'te pound başına 7 dolardan, 2010'un sonlarında pound başına 130 dolara, neredeyse yirmi kat arttı. Fiyat 2011'de 1.400 $/kg'a yükseldi, ancak büyük ölçüde Çin'deki hükümet kısıtlamalarını atlatan yasadışı üretim nedeniyle 2015'te 240 $ 'a düştü.

Şu anda, disprosyumun çoğu, güney Çin'in iyon adsorpsiyonlu kil cevherlerinden elde edilmektedir. Kasım 2018 itibarıyla Batı Avustralya, Halls Creek'in 160 km güneydoğusundaki Browns Range Project pilot tesisi yılda 50 ton (49 uzun ton) üretim yapıyor.

Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı'na göre, mevcut ve öngörülen kullanımlarının geniş yelpazesi, uygun herhangi bir ikame olmamasıyla birlikte, disprosiyumu yeni ortaya çıkan temiz enerji teknolojileri için en kritik unsur haline getiriyor - 2015 öncesi disprosiyum en muhafazakar tahminleri bile bir eksiklik öngörüyor. 2015'in sonlarından itibaren, Avustralya'da yeni oluşmakta olan nadir toprak (disprosiyum dahil) çıkarma endüstrisi bulunmaktadır.

Uygulamalar

Disprosyum, vanadyum ve diğer elementlerle birlikte lazer malzemeleri ve ticari aydınlatma yapımında kullanılır. Disprosyumun yüksek termal-nötron absorpsiyon kesiti nedeniyle, nükleer reaktörlerde nötron emici kontrol çubuklarında disprosiyum-oksit-nikel sermetler kullanılır. Disprosyum-kadmiyum kalkojenitler, kimyasal reaksiyonları incelemek için yararlı olan kızılötesi radyasyon kaynaklarıdır. Disprosyum ve bileşikleri manyetizasyona oldukça duyarlı olduklarından, sabit diskler gibi çeşitli veri depolama uygulamalarında kullanılırlar. Disprosyum, elektrikli otomobil motorlarında ve rüzgar türbini jeneratörlerinde kullanılan kalıcı mıknatıslara olan talep giderek artmaktadır.

Neodim-demir-bor mıknatıslar, elektrikli araçlar için tahrik motorları ve rüzgar türbinleri için jeneratörler gibi zorlu uygulamalar için zorlayıcılığı arttırmak üzere disprosiyum ile ikame edilen neodimyumun %6'sına kadar sahip olabilir. Bu ikame, üretilen elektrikli otomobil başına 100 grama kadar disprosiyum gerektirecektir. Toyota'nın yılda öngörülen 2 milyon birimine dayanarak, bunun gibi uygulamalarda disprosiyum kullanımı mevcut arzını hızla tüketecektir. Disprosyum ikamesi, mıknatısların korozyon direncini geliştirdiği için başka uygulamalarda da yararlı olabilir.

Disprosyum, demir ve terbiyum ile birlikte Terfenol-D'nin bileşenlerinden biridir. Terfenol-D, dönüştürücülerde, geniş bantlı mekanik rezonatörlerde ve yüksek hassasiyetli sıvı yakıt enjektörlerinde kullanılan, bilinen herhangi bir malzemenin en yüksek oda sıcaklığı manyetostriksiyonuna sahiptir.

Disprosyum, iyonlaştırıcı radyasyonu ölçmek için dozimetrelerde kullanılır. Kalsiyum sülfat veya kalsiyum florür kristalleri, disprosyum ile takviye edilir. Bu kristaller radyasyona maruz kaldığında, disprosyum atomları uyarılır ve ışıldayan hale gelir. Dozimetrenin maruz kaldığı maruz kalma derecesini belirlemek için ışıldama ölçülebilir.

Disprosyum bileşiklerinin nanofiberleri yüksek mukavemete ve geniş bir yüzey alanına sahiptir. Bu nedenle, diğer malzemeleri güçlendirmek ve bir katalizör görevi görmek için kullanılabilirler. Disprosyum oksit florür lifleri, DyBr₃ ve NaF'nin sulu bir çözeltisinin 450 bar'da 17 saat boyunca 450 °C'ye ısıtılmasıyla üretilebilir. Bu malzeme oldukça sağlamdır ve tekrar çözülmeden veya topaklaşmadan 400 °C'yi aşan sıcaklıklarda çeşitli sulu çözeltilerde 100 saatten fazla hayatta kalır.

Disprosyum iyodür ve disprosyum bromür, yüksek yoğunluklu metal halojenür lambalarda kullanılır. Bu bileşikler, lambanın sıcak merkezinin yakınında ayrışarak izole edilmiş disprosyum atomlarını serbest bırakır. İkincisi, spektrumun yeşil ve kırmızı kısımlarında ışığı yeniden yayar, böylece etkili bir şekilde parlak ışık üretir.

Adyabatik demanyetizasyon buzdolaplarında disprosiyumun çeşitli paramanyetik kristal tuzları (disprosyum galyum granat, DGG; disprosiyum alüminyum granat, DAG; disprosiyum demir granat, DyIG) kullanılır.

Üç değerlikli disprosyum iyonu (Dy³⁺), vites küçültme lüminesans özellikleri nedeniyle incelenmiştir. Elektromanyetik spektrumun ultraviyole bölgesinde uyarılan Dy-katkılı itriyum alüminyum granat (Dy:YAG), görünür bölgede daha uzun dalga boyuna sahip fotonların emisyonuna neden olur. Bu fikir, yeni nesil UV pompalı beyaz ışık yayan diyotların temelini oluşturuyor.

Önlemler

Pek çok toz gibi disprosiyum tozu, hava ile karıştırıldığında ve bir tutuşma kaynağı mevcut olduğunda patlama tehlikesi oluşturabilir. Maddenin ince folyoları kıvılcım veya statik elektrikle de tutuşabilir. Disprosyum yangınları su ile söndürülemez. Yanıcı hidrojen gazı üretmek için su ile reaksiyona girebilir. Disprosyum klorür yangınları ise su ile söndürülebilir. Disprosyum florür ve disprosyum oksit yanıcı değildir. Disprosyum nitrat Dy(NO₃)₃, güçlü bir oksitleyici ajandır ve organik maddelerle temas ettiğinde kolayca tutuşur.

Disprosyum klorür ve disprosyum nitrat gibi çözünür disprosiyum tuzları yutulduğunda hafif derecede toksiktir. Disprosyum klorürün fareler üzerindeki toksisitesine dayanarak, 500 gram veya daha fazla yemenin bir insan için ölümcül olabileceği tahmin edilmektedir. Çözünmeyen tuzlar ise toksik değildir.