От гръцки „труден за достъп". Критичен за високотемпературните магнити във ветрогенераторите и моторите на електрическите автомобили.
Диспрозий (Dy) — химичен елемент №66
Името му идва от гръцкото dysprositos — „труден за достъп". Химикът, който го открил, го нарекъл така, защото го е преследвал с години, преди най-сетне да го хване. Днес диспрозият е на мода по съвсем различна причина: без него нито ветрогенераторите, нито моторите на електромобилите работят така, както трябва.
| Атомен номер | 66 |
|---|---|
| Атомна маса | 162.50 u |
| Категория | Лантанид |
| Период | 6 |
| Група | Лантанидна/Актинидна редица |
| Електронна конфигурация | [Xe] 4f¹⁰ 6s² |
| Електроотрицателност | 1.22 (Полинг) |
| Плътност | 8.55 g/cm³ |
| Точка на топене | 1680 K (1407 °C) |
| Точка на кипене | 2840 K (2567 °C) |
| Откривател | Пол Емил Льокок дьо Боабодран |
| Година на откриване | 1886 |
История на откриването
Историята на диспрозия започва не с него, а с ербия — друг рядък елемент, чиято руда шведски минни работници извадили от кариерата край Итербю в края на XVIII век. Десетилетия наред химиците разбъркват тази руда и всеки път намират нещо ново вътре, все едно в кутия с шоколадови бонбони, която никога не свършва. Именно в такъв контекст — на непрестанно разделяне и пречистване — французинът Пол Емил Льокок дьо Боабодран се заловил с ербиевия оксид в края на XIX век.
Процесът бил изтощителен. Льокок дьо Боабодран извършил над 30 последователни утаявания, преди да изолира нещо, което не съответствало на нито един известен елемент. Работата отнела години — оттам и името, което сам той предложил: диспрозий, от гръцкото „труден за достъп". Официалната година е 1886, но чист метал учените успели да получат чак след Втората световна война, когато йонообменната хроматография най-накрая направила разделянето на лантанидите реалистично. Можете да проследите цялото семейство на рядкоземните елементи в периодичната таблица на елементите и да добиете представа колко близо стоят те един до друг — химически и физически.
Льокок дьо Боабодран е същият химик, открил галия и самария. При диспрозия обаче той не получил нито триумфалното признание, нито чистия метал — само спектроскопски подпис и убеждението, че там, в оксидната смес, се крие нещо ново. Понякога в науката откривателят само открива вратата; друг я отваря докрай.
Физични свойства
На вид диспрозият прилича на повечето лантаниди — сребристобял, с метален блясък, достатъчно мек, за да се реже с нож. Плътността му е 8.55 g/cm³, което го нарежда в категорията на по-тежките редкоземни метали. Топи се при 1407 °C — температура, която звучи впечатляващо, но в компанията на волфрама или осмия е скромна.
Най-интересното физично свойство на диспрозия е магнитното му поведение. При стайна температура той е парамагнитен, но при охлаждане под така наречената точка на Кюри — около 88 К (минус 185 °C) — се превръща в силен ферромагнетик. На практика при 20 К диспрозият проявява едно от най-високите магнитни моменти, измервани за прости вещества: около 10.6 μB на атом. За сравнение, желязото — класическият магнит — дава едва 2.2 μB. Тази особеност произтича от четирите несдвоени електрона в 4f-черупката, които се наредили по начин, благоприятстващ максимална спинова мултиплетност.
Диспрозият проявява и значителен магнетострикционен ефект — при поставяне в магнитно поле формата му леко се деформира. Сплавта му с желязо, известна като терфенол-D, е може би най-добрият магнетострикционен материал в техниката.
Химични свойства
Химически диспрозият се държи типично за лантанид: реагира бавно с кислорода при стайна температура, но на въздух постепенно се покрива с жълтеникав оксиден слой. При нагряване реакцията е по-бурна и дава диспрозиев оксид Dy₂O₃. С вода реагира бавно на студено и по-енергично при нагряване, отделяйки водород.
Доминиращата окислителна степен е +3, каквато е нормата сред лантанидите. Съединенията с тази степен са бледожълти до безцветни — диспрозиевият хлорид DyCl₃ например изглежда почти бял. При определени условия са наблюдавани и съединения с +2 степен, но те са рядкост и нестабилни при нормални условия.
Най-важното съединение в практиката обаче не е самостоятелно — диспрозият се добавя към неодимово-желязно-боровите магнити (Nd₂Fe₁₄B) като легиращ елемент. Малко количество диспрозий — обикновено от 2 до 6% — заменя неодима в кристалната решетка и значително повишава коерцитивността на магнита, тоест съпротивлението му срещу размагнитване при висока температура. Без тази добавка магнитите в моторите на електромобили биха загубили значителна от силата си при работни температури.
Къде го срещаме
Диспрозият се добива главно в Китай, който контролира над 80% от световното производство на рядкоземни метали. Основният минерал, от който се извлича, е монацитът — фосфатна руда, в която лантанидите се срещат заедно и трябва да бъдат разделяни с много стъпки.
Срещате диспрозия всеки ден, без да го знаете. Моторът на всеки Toyota Prius, Tesla Model 3 или BMW iX съдържа магнити с диспрозий. Вятърна турбина с мощност 3 мегавата има нужда от приблизително 100 кг неодимови магнити, в които са вградени няколко килограма диспрозий. На глобално ниво чистата енергия е немислима без него.
Освен в магнити, диспрозият намира приложение в ядрените реактори: изотопът Dy-164 има много висок напречен разрез за поглъщане на неутрони — 2650 барна — и затова се използва в управляващи пръти и неутронни дозиметри. В лазерните технологии съединенията му служат за дозиране и контрол на лъчението при определени спектрални линии. Ако разглеждате пълния пейзаж на периодичната таблица на елементите, ще видите, че лантанидите като цяло заемат изключителна ниша: малко известни, труднодостъпни, но критични за модерната техника.
Биологична роля
Диспрозият няма позната биологична роля. Тялото ни не го търси, не го съхранява и не го използва за нищо. Токсичността му е умерена — подобна на другите лантаниди — и при нормален контакт с материали, съдържащи го, рискът е нисък. В научни изследвания диспрозиевите комплекси са тествани като контрастни агенти за ядреномагнитен резонанс, тъй като парамагнитните йони влияят на релаксационните времена на водорода. Засега обаче гадолинийът остава стандартният избор в медицинската практика.
Любопитни факти
Името като предизвикателство. Льокок дьо Боабодран нарекъл елемента „труден за достъп" с причина. Дори след официалното признание на откритието минали повече от 60 години, преди някой да получи грам чист диспрозиев метал. Ако дадете тази задача на учен от 1886 г., той щеше да умре, преди да я завърши.
Рекордьор по магнитен момент. При температура около 20 К диспрозият е един от най-силно магнитните прости елементи, известни на науката. Поставен в магнитно поле при тези условия, той би задържал желязо значително по-здраво от неодимов магнит при стайна температура.
Терфенол-D и звукът. Сплавта TbDyFe — терфенол-D — се използва в специализирани говорители и хидрофони. Когато магнитното поле се промени, материалът се деформира физически и тази деформация се превежда директно в звукова вълна. Принципът е познат от традиционните говорители, но тук движещата сила е самата кристална решетка.
Геополитически метал. Диспрозият е в списъка на критичните суровини на Европейския съюз и Съединените щати. Заради зависимостта от китайски доставки правителства и компании по целия свят финансират алтернативни мини — в Австралия, Бразилия и Гренландия. Оказва се, че енергийният преход зависи от метал, кръстен на думата „недостъпен".
Изотопна богатство. Диспрозият има седем стабилни изотопа — повече от повечето елементи. Това е необичайно за толкова тежък елемент и е резултат от щастливо съвпадение между броя протони и стабилността на ядрените конфигурации. Самият факт усложнява химическото му пречистване, защото различните изотопи се движат практически идентично в хроматографските колони.
Прочетете повече за диспрозия като химичен елемент и за неговите съседи в лантанидната редица на адрес uchitel.bg/blog/disprozii-himichen-element.
Мнения