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鏑
鑭系元素
鏑外觀圖
鏑（Dysprosium），鑭系元素之一，位于元素周期表的第六周期，ⅢB族，化學符號為Dy，原子量162.50，原子序數(shù)為66，是一種有光澤和延展性的銀亮色軟金屬。 鏑在高溫下易被空氣腐蝕，在室溫下較為穩(wěn)定，能與水緩慢起反應，溶于稀酸。
基本信息
中文名
鏑
英文名
Dysprosium
拼音
di
發(fā)現(xiàn)者
布瓦博德朗
元素符號
Dy
原子序數(shù)
66
原子量
162.50
元素類別
鑭系元素
族
ⅢB族
周期
第六周期
電子排布
1s22s22p?3s23p?3d1o4s24p?4d1o4f1o5s25p?6s2
CAS編號
7429-91-6
物理性質
外觀
銀亮色軟金屬
熔點
1412℃
沸點
2562℃
密度
8.55 g/cm3（25 ℃）
熔化熱
1.591×10? J/mol
汽化熱
298.2 KJ/mol
比熱容
0.041cal/g·℃(20℃)
晶體結構
六方密堆積、面心立方堆積
價態(tài)
+2，+3，+4
電阻率
91×10?? Ω·cm
用途
磁性材料、發(fā)光材料
原子性質
電負性
1.22
原子半徑
159 pm
發(fā)現(xiàn)歷史
1886年，法國科學家布瓦博德朗（Boisbaudran, 1838-1912）在對氧化鈥進行研究時，采用分級沉淀的方法，把它分為兩種氧化物，光譜檢驗后，證明其中的一種和鈥相當，仍稱氧化鈥；另一種稱為氧化鏑（Dysprosia），把其中的新發(fā)現(xiàn)的元素命名為鏑（Dysprosium），其中英文命名“Dysprosium”，源自于希臘語中的dysprositos，釋為：難以控制、難以捉摸。雖然科學家早在1886年就發(fā)現(xiàn)了鏑元素，但由于條件限制，直到1950年才在實驗室使用離子交換技術得到純金屬鏑。
分布情況
在地殼中所存在的稀土元素，鏑的含量位居第九，在地殼中的質量分數(shù)為4.5×10??%。與大多數(shù)稀土元素一樣，鏑主要來源是氟碳酸鹽、磷酸鹽和氧化物等稀土礦物，包括氟碳鈰礦、獨居石，還有磷釔礦、褐釔鈮礦、黑稀金礦等。其中獨居石發(fā)現(xiàn)于印度和巴西的河沙及佛羅里達海濱沙中，氟碳鈰礦大量存在于南加利福尼亞礦藏中。
中國稀土資源十分豐富，據(jù)測算，中國的鏑儲量約4.5萬噸（以 Dy?O?計 ），工業(yè)儲量占世界第一位，除內蒙古自治區(qū)白云鄂博廣東、廣西等地外，江西等地也蘊藏著豐富稀土礦，這種稀土礦中鏑、釓含量高。
理化性質
物理性質
鏑是一種稀土元素，具有銀亮色光澤，質地軟，可用刀切割，硬度與銅接近，具有可鍛性和延展性。鏑的機械性能與雜質的含量有關，高純度鏑金屬具有良好的塑形，若加入少量雜質能極大地影響其物理性能。鏑有兩種晶體結構：六方密堆積和面心立方堆積。金屬鏑及其化合物具有優(yōu)良的磁學性能，鏑的磁性取決于4f軌道含有未成對電子和金屬的晶體結構，常溫下一般具有強順磁性，較低溫度下會由反鐵磁性轉變?yōu)殍F磁性。鏑元素還有優(yōu)異的光學性能，鏑金屬的4f電子可在7個電子軌道間任意分布，從而產(chǎn)生千變萬化的能級和譜線，未充滿4f電子層的原子和離子大約有30000條可觀察到的譜線，因此鏑元素可以吸收或發(fā)射從紫外到紅外的各種光譜線。鏑導電性稍差。
化學性質
鏑屬于稀土元素，稀土原子最外層s2結構，決定了它化學活性較高，其活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。鏑在化學反應中通常表現(xiàn)為易丟失電子的還原劑，在大多數(shù)化合物中表現(xiàn)為+3價態(tài)。
與水、酸作用
金屬鏑能分解水（冷時慢，加熱時快），產(chǎn)生氫氣，能溶解于鹽酸、硫酸和硝酸等稀強酸中，生成相應的鹽，但難溶于濃硫酸。鏑金屬與氫氟酸和磷酸反應時，形成難溶的氟化物與磷酸鹽的保護膜，隨著反應進行難溶鹽逐漸覆蓋在鏑金屬表面而阻止化學反應繼續(xù)進行，因而難溶于氫氟酸和磷酸中。鏑金屬不與堿作用。
2Dy+6H?O=2Dy(OH)?+3H?
2Dy+6HCl=2DyCl?+3H?
與氧作用
金屬鏑在室溫下能同空氣中的氧發(fā)生作用，在金屬表面氧化，產(chǎn)生一層氧化膜，繼續(xù)氧化較為緩慢，能在空氣中較長時間保持金屬光澤 。加熱到200℃以上迅速氧化，生成氧化鏑（ Dy?O?）。
4Dy+3O?=2Dy?O?
與氫作用
在室溫下能吸收氫，升高溫度時吸收氫的速度加快，在250℃以上時激烈地吸收氫，生成DyH?，在真空下加熱至1000℃以上時，可以完全排除氫。
2Dy+3H?=2DyH?
與鹵素作用
在高于200℃的溫度下，鏑元素與鹵素發(fā)生劇烈反應，生成三價無水鹵化物DyX?（X=F、Cl、Br、I），除氟化物外，鏑鹵化物均有很強的吸濕性。
2Dy+3Cl?=2DyCl?
與硫作用
2Dy+3S=Dy?S?
此外鏑幾乎能同所有金屬元素作用，生成不同的金屬間化合物，如：與鎂、鋁、鈷、鎳、銅、鐵等金屬反應。
主要化合物
鏑元素化學性質活潑，能與周期表中絕大多數(shù)元素相互作用，生成非金屬化合物或金屬間化合物。鏑金屬燃點較低，能在很低溫度下與氧、氫、碳、氮、鹵素等相互作用，生成極穩(wěn)定的氧化鏑、鹵化鏑等常見化合物。
氧化鏑
氧化鏑（Dy?O?）分子質量372.99。白色至淡黃色六方晶系結晶或粉末。相對密度7.81（27 ℃），熔點2330~2352 ℃，沸點3900 ℃。不溶于水、堿溶液，溶于無機酸（磷酸、氫氟酸除外），并生成相應的鹽，也溶于乙醇。有吸濕性，置于空氣中會吸收二氧化碳和水生成堿式碳酸鹽。有強堿性。
氟化鏑
氟化鏑（Dy?F?）分子質量219.50。無色六方或斜方晶體。相對密度7.465（斜方），熔點1154 ℃（六方），沸點2227℃（六方）。不溶于水和稀酸，與濃硫酸共熱放出氟化氫。向氧化鏑溶液加入氫氟酸，析出晶體即得。
同位素
鏑同位素共有二十一個，穩(wěn)定同位素有7種，它們的名稱、符號及所占百分率分別為：鏑-156（1??Dy）占0.05%、鏑-158（1??Dy）占0.09%、鏑-160（1?oDy）占2.29%、鏑-161（1?1Dy）占18.89%、鏑-162（1?2Dy）占25.53%、鏑-163（1?3Dy）占24.97%、鏑-164（1??Dy）占28.18%。鏑半衰期最長的是鏑-154（1??Dy）約為10?年，α輻射衰變；最短的是鏑-165m（1??Dy）為75秒，1T（同素異形體由上向低級轉變）和β輻射衰變。
制備方法
鏑元素來自稀土礦，從礦物中提取鏑的工藝根據(jù)礦物的基本物理化學性質、礦物的組成和工業(yè)產(chǎn)品的要求來定，包括三個階段：精礦的分解；化合物的分離和凈化；鏑金屬的制備。精礦的分解是利用化學試劑與精礦作用，將礦物的化學結構破壞，使鏑元素從伴生的其它元素的基巖中分離出來，富集在溶液或沉淀中。化合物的分離和凈化包括鏑與非稀土雜質之間的分離和鏑與稀土元素之間的相互分離。鏑金屬的制備是指由混合鏑化合物和單一鏑化合物生產(chǎn)鏑。工業(yè)生產(chǎn)金屬鏑是利用已經(jīng)分離的鏑化合物進行一定的化學反應生成，主要方法有鈣熱直接還原法、鋰熱還原法、中間合金法和還原蒸餾法等。
鈣熱還原法
鈣熱還原法是制備鏑金屬最常用的工業(yè)方法。該方法以氟化鏑為生產(chǎn)原料，鈣為還原劑，按一定比例混合放入難熔金屬坩堝內，置于真空中頻或高頻感應熔煉爐內，抽真空，并在反應器內充氬氣保護，加熱進行還原反應，生產(chǎn)得到的金屬鏑產(chǎn)品純度主要取決于反應原料無水DyF?及還原劑Ca的純度。 使用該方法生產(chǎn)的金屬鏑純度可達到99%~99.9%；回收率不低于95%。基本化學方程式為：
3Ca+2DyF? = 2Dy+3CaF?
鋰熱還原法
鋰熱還原法是以氯化鏑為原料，鋰為還原劑，利用鋰在低溫下（呈液態(tài)）便可與呈固態(tài)的稀土氯化鏑相互作用的原理，生成的還原渣可以用排出之后并接著進行真空蒸餾的方法除去。其反應式為：DyCI?+3Li=Dy+3LiCI。還原過程在水平或豎式還原爐內的反應器中進行，反應器用耐蝕鋼制造，還原爐采用電阻加熱的方式。
鋰熱還原法由于在爐內對還原物料進行了蒸餾凈化，所以生產(chǎn)的稀土金屬含有害雜質很少，這對制備純鏑金屬有重要意義。但是它的工藝和設備比較復雜，產(chǎn)品成本相應增高，且還原劑鋰價格較貴，其應用受到一定限制。
中間合金法
中間合金法是使用氟化鏑為原料，鈣為還原劑，添加金屬鎂和造渣劑氯化鈣。按照配比混合后放入鋼制加料室和還原室內進行加熱反應，生成液態(tài)鎂-鏑合金，而氯化鈣與還原生成的氟化鈣形成低熔點的渣。再根據(jù)鏑、鎂沸點相差很大的物理特性，在真空下加熱蒸餾去除金屬鎂，即可制成金屬鏑。其中鏑的回收率達到91%~95%；純度不低于99%。反應式為： 2DyF?+3Ca+2Mg+3CaCl? =2Dy·Mg+3CaCl?+3CaF? ，Dy·Mg=Dy+Mg。
還原蒸餾法
還原蒸餾法是使用氧化鏑為初始原料，還原劑為金屬鑭（La），混合后裝入坩堝內并置于真空感應熔煉爐中，同時加設冷凝器回收揮發(fā)的鏑。其化學反應式為： Dy?O?+2La=2Dy+La?O?。其中鏑回收率不低于95%；純度可達到99%。
提純方法
隨著新型稀功能材料的深入研究，對稀土鏑金屬的純度提出了大于99.9%和大于99.99%的要求，工業(yè)制備的粗金屬鏑中氧、氟含量較高，嚴重影響使用效果，鏑金屬高純化已成為稀土冶金發(fā)展的重要課題之一。
鏑金屬中的雜質按照元素種類可以分為金屬雜質和非金屬雜質；按照雜質在金屬基體的賦存形式分為代位雜質和間隙雜質，其中間隙雜質主要以原子形態(tài)固溶于金屬基體中的碳、氮、氧。鏑金屬的主要提純方法包括：真空蒸餾法；區(qū)域熔煉法；熔鹽萃取法；固態(tài)電遷移法等。
應用領域
磁性材料
鏑在“當代磁王”NdFeB永磁材料中作添加劑，可提高磁體的各向異性常數(shù)、內稟矯頑力、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性和工作溫度，主要用于音響器件、磁選、磁化用品、電機 、計算機、核磁共振等高技術領域；鏑金屬具有磁致伸縮的特性是制備TbDyFe磁致伸縮材料的不可獲取的金屬原料，材料產(chǎn)生伸縮響應速度快，能量密度高，應變產(chǎn)生的推力大，使一些機械的精密運動得以實現(xiàn)，廣泛用于制造精密控制系統(tǒng)（精密機床系統(tǒng)、超精密機車系統(tǒng)、高精度減振系統(tǒng)和控制燃油噴射系統(tǒng)）、打印機墨水噴射系統(tǒng)、太空望遠鏡調節(jié)機構、飛機新型機翼調節(jié)器、光頻濾波器、大功率超聲器件、各種閥門、驅動器、聲納和機器人等方面。
鏑還可以用于DyFeCo磁光材料生產(chǎn)的磁光盤，具有可擦除重錄、存儲容量大、較高的記錄速度和讀數(shù)敏感度，在計算機存儲和文檔存儲等領域有廣泛的應用市場。Dy?Al??O磁制冷材料是磁制冷機的核心部分，適合低溫小于20K的環(huán)境，它通過吸收環(huán)境熱量，經(jīng)過熱交換使溫度降低達到致冷目的，將用于制造無污染電冰箱，具有能耗低、無污染和噪聲等優(yōu)點。
光學材料
鏑具有儲存光能的性質，常被用于制作稱為N夜光的光貯存材料，N夜光能代替那些通過放射射線來發(fā)出夜光的材料，屬于不含放射性物質卻也能整晚發(fā)光的材料，主要用于緊急出口等避難指示燈。鏑離子在受到紫外線、X射線照射后能產(chǎn)生強熒光，它的化合物可作為熒光材料的基質組成部分或激活離子，用于彩色電視顯像管、熒光燈、X光增感屏等器件。鏑離子還能以晶體、無定形固體、金屬有機化合物等為基體，廣泛應用于固體激光器，可提供脈沖和連續(xù)單色光，具有亮度高、方向好和相干性好等優(yōu)點，在實驗室中、光學光譜、全息攝影和激光熔融及醫(yī)療上得以應用。
鏑燈是充有金屬鏑鹵化物的弧光放電燈，屬原子發(fā)光型光源。由玻殼、電極和燈頭組成。點燃后可發(fā)出穩(wěn)定強光，具有很好的顯色性和較好的光效。鏑燈電源簡單，廣泛應用于攝影、照明制版或投影儀光源和舞臺、體育館、大廳等需要彩色轉播電視的場所。
其它材料
鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性，在原子能工業(yè)用來測定中子能譜或做中子吸收劑。鏑加入高溫結構材料Ti-Al合金中，可改善其室溫塑性。摻鏑的鎂合金在高溫下能保持強度性能且易于成形。此外，鏑還能制造紅外發(fā)生器材，制造唱片用的合金等。
安全事宜
消化道、呼吸道和皮膚是鏑元素自然進入機體的途徑，其主要途徑是消化道和呼吸道。鏑的吸收通過大鼠對鏑的硝酸鹽和氧化物急性中毒的實驗表明，胃腸道對鏑元素的吸收份額是很小的。從小鼠和大鼠的研究中獲得的數(shù)據(jù)表明，進入全身循環(huán)的少量鏑分別沉積在骨骼、肝和腎中。 鏑元素有時表現(xiàn)出類似重金屬的效應，如鏑的氯化物對乳酸脫氫酶、谷氨酸脫氫酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶和醛縮酶的活性顯示抑制作用。進而干擾糖類、脂類和蛋白質的代謝。 由于鏑元素主要蓄積于骨骼，釋放入血液后主要從尿排出，排泄速度較慢，半衰期為2.5年。配合劑和某種藥物可顯著影響鏑元素的排泄，配合促排效果以喹胺酸和DTPA最佳。
鏑金屬是易燃固體，暴露在空氣中會自燃、可能著火，與水接觸釋放出可自燃的易燃氣體氫氣，與皮膚接觸會引起皮膚刺激，與眼睛接觸會引起嚴重的眼睛刺激，造成嚴重眼睛損傷。
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作者
