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镝的性质与应用

发布日期:2020/11/26 16:36:03

镝(英语:Dysprosium)是一种化学元素,符号为Dy,原子序为66。镝属于稀土元素,其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。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

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。

镝和钬拥有所有元素中最高的磁强度,这在低温状态下更为显著。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。

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)

在200 °C以上,镝金属会和所有卤素反应:

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。反应的产物硫酸镝(III)有明显的顺磁性。

应用

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-镍金属陶瓷是一种核反应堆控制棒材料。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。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。

钕-铁-硼磁铁中钕部分可以替换为镝,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。替换成镝的磁铁还具有较高的抗腐蚀性。

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。这种性质可用于换能器、宽频机械共鸣管和高精度液态燃料喷射器。

镝被用于剂量计中,测量致电离辐射量。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。

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巴压力下对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小时而不会溶解或集聚。

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。

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。

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