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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(xué)符號(hào)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(yīng)，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(hào)
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(hào)
7429-91-6
物理性質(zhì)
外觀
銀亮色軟金屬
熔點(diǎn)
1412℃
沸點(diǎn)
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(jié)構(gòu)
六方密堆積、面心立方堆積
價(jià)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(zhì)
電負(fù)性
1.22
原子半徑
159 pm
發(fā)現(xiàn)歷史
1886年，法國科學(xué)家布瓦博德朗（Boisbaudran, 1838-1912）在對(duì)氧化鈥進(jìn)行研究時(shí)，采用分級(jí)沉淀的方法，把它分為兩種氧化物，光譜檢驗(yàn)后，證明其中的一種和鈥相當(dāng)，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(xué)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(shí)驗(yàn)室使用離子交換技術(shù)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(zhì)量分?jǐn)?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(dú)居石，還有磷釔礦、褐釔鈮礦、黑稀金礦等。其中獨(dú)居石發(fā)現(xiàn)于印度和巴西的河沙及佛羅里達(dá)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(cè)算，中國的鏑儲(chǔ)量約4.5萬噸（以 Dy?O?計(jì) ），工業(yè)儲(chǔ)量占世界第一位，除內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博廣東、廣西等地外，江西等地也蘊(yùn)藏著豐富稀土礦，這種稀土礦中鏑、釓含量高。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
鏑是一種稀土元素，具有銀亮色光澤，質(zhì)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(jī)械性能與雜質(zhì)的含量有關(guān)，高純度鏑金屬具有良好的塑形，若加入少量雜質(zhì)能極大地影響其物理性能。鏑有兩種晶體結(jié)構(gòu)：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(xué)性能，鏑的磁性取決于4f軌道含有未成對(duì)電子和金屬的晶體結(jié)構(gòu)，常溫下一般具有強(qiáng)順磁性，較低溫度下會(huì)由反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。鏑元素還有優(yōu)異的光學(xué)性能，鏑金屬的4f電子可在7個(gè)電子軌道間任意分布，從而產(chǎn)生千變?nèi)f化的能級(jí)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(dǎo)電性稍差。
化學(xué)性質(zhì)
鏑屬于稀土元素，稀土原子最外層s2結(jié)構(gòu)，決定了它化學(xué)活性較高，其活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。鏑在化學(xué)反應(yīng)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(jià)態(tài)。
與水、酸作用
金屬鏑能分解水（冷時(shí)慢，加熱時(shí)快），產(chǎn)生氫氣，能溶解于鹽酸、硫酸和硝酸等稀強(qiáng)酸中，生成相應(yīng)的鹽，但難溶于濃硫酸。鏑金屬與氫氟酸和磷酸反應(yīng)時(shí)，形成難溶的氟化物與磷酸鹽的保護(hù)膜，隨著反應(yīng)進(jìn)行難溶鹽逐漸覆蓋在鏑金屬表面而阻止化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)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(shí)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(shí)吸收氫的速度加快，在250℃以上時(shí)激烈地吸收氫，生成DyH?，在真空下加熱至1000℃以上時(shí)，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(yīng)，生成三價(jià)無水鹵化物DyX?（X=F、Cl、Br、I），除氟化物外，鏑鹵化物均有很強(qiáng)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(yīng)。
主要化合物
鏑元素化學(xué)性質(zhì)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(diǎn)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(zhì)量372.99。白色至淡黃色六方晶系結(jié)晶或粉末。相對(duì)密度7.81（27 ℃），熔點(diǎn)2330~2352 ℃，沸點(diǎn)3900 ℃。不溶于水、堿溶液，溶于無機(jī)酸（磷酸、氫氟酸除外），并生成相應(yīng)的鹽，也溶于乙醇。有吸濕性，置于空氣中會(huì)吸收二氧化碳和水生成堿式碳酸鹽。有強(qiáng)堿性。
氟化鏑
氟化鏑（Dy?F?）分子質(zhì)量219.50。無色六方或斜方晶體。相對(duì)密度7.465（斜方），熔點(diǎn)1154 ℃（六方），沸點(diǎn)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(gè)，穩(wěn)定同位素有7種，它們的名稱、符號(hào)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(jí)轉(zhuǎn)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(xué)性質(zhì)、礦物的組成和工業(yè)產(chǎn)品的要求來定，包括三個(gè)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(xué)試劑與精礦作用，將礦物的化學(xué)結(jié)構(gòu)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?；衔锏姆蛛x和凈化包括鏑與非稀土雜質(zhì)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(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)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(nèi)，置于真空中頻或高頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)，抽真空，并在反應(yīng)器內(nèi)充氬氣保護(hù)，加熱進(jìn)行還原反應(yīng)，生產(chǎn)得到的金屬鏑產(chǎn)品純度主要取決于反應(yīng)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(dá)到99%~99.9%；回收率不低于95%?；净瘜W(xué)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(jìn)行真空蒸餾的方法除去。其反應(yīng)式為：DyCI?+3Li=Dy+3LiCI。還原過程在水平或豎式還原爐內(nèi)的反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)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(nèi)對(duì)還原物料進(jìn)行了蒸餾凈化，所以生產(chǎn)的稀土金屬含有害雜質(zhì)很少，這對(duì)制備純鏑金屬有重要意義。但是它的工藝和設(shè)備比較復(fù)雜，產(chǎn)品成本相應(yīng)增高，且還原劑鋰價(jià)格較貴，其應(yīng)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(nèi)進(jìn)行加熱反應(yīng)，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(diǎn)的渣。再根據(jù)鏑、鎂沸點(diǎn)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(dá)到91%~95%；純度不低于99%。反應(yīng)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(nèi)并置于真空感應(yīng)熔煉爐中，同時(shí)加設(shè)冷凝器回收揮發(fā)的鏑。其化學(xué)反應(yīng)式為： Dy?O?+2La=2Dy+La?O?。其中鏑回收率不低于95%；純度可達(dá)到99%。
提純方法
隨著新型稀功能材料的深入研究，對(duì)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(yán)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(zhì)按照元素種類可以分為金屬雜質(zhì)和非金屬雜質(zhì)；按照雜質(zhì)在金屬基體的賦存形式分為代位雜質(zhì)和間隙雜質(zhì)，其中間隙雜質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域
磁性材料
鏑在“當(dāng)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(nèi)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(jī) 、計(jì)算機(jī)、核磁共振等高技術(shù)領(lǐng)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(yīng)速度快，能量密度高，應(yīng)變產(chǎn)生的推力大，使一些機(jī)械的精密運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，廣泛用于制造精密控制系統(tǒng)（精密機(jī)床系統(tǒng)、超精密機(jī)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(jī)墨水噴射系統(tǒng)、太空望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、飛機(jī)新型機(jī)翼調(diào)節(jié)器、光頻濾波器、大功率超聲器件、各種閥門、驅(qū)動(dòng)器、聲納和機(jī)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(chǔ)容量大、較高的記錄速度和讀數(shù)敏感度，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和文檔存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。Dy?Al??O磁制冷材料是磁制冷機(jī)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(dá)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(diǎn)。
光學(xué)材料
鏑具有儲(chǔ)存光能的性質(zhì)，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(zhì)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(qiáng)熒光，它的化合物可作為熒光材料的基質(zhì)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(jī)化合物等為基體，廣泛應(yīng)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(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中、光學(xué)光譜、全息攝影和激光熔融及醫(yī)療上得以應(yīng)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(diǎn)燃后可發(fā)出穩(wěn)定強(qiáng)光，具有很好的顯色性和較好的光效。鏑燈電源簡單，廣泛應(yīng)用于攝影、照明制版或投影儀光源和舞臺(tái)、體育館、大廳等需要彩色轉(zhuǎn)播電視的場(chǎng)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(cè)定中子能譜或做中子吸收劑。鏑加入高溫結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jìn)入機(jī)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(duì)鏑的硝酸鹽和氧化物急性中毒的實(shí)驗(yàn)表明，胃腸道對(duì)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(jìn)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(shí)表現(xiàn)出類似重金屬的效應(yīng)，如鏑的氯化物對(duì)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(jìn)而干擾糖類、脂類和蛋白質(zhì)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(huì)自燃、可能著火，與水接觸釋放出可自燃的易燃?xì)怏w氫氣，與皮膚接觸會(huì)引起皮膚刺激，與眼睛接觸會(huì)引起嚴(yán)重的眼睛刺激，造成嚴(yán)重眼睛損傷。
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作者
