Disprosium

Disprosium adalah sebuah unsur kimia dengan lambang Dy dan nomor atom 66. Ia merupakan sebuah unsur tanah jarang dalam deret lantanida dengan kilau perak metalik. Disprosium tidak pernah ditemukan di alam sebagai unsur bebas, meskipun, seperti lantanida lainnya, ia ditemukan di berbagai mineral, seperti xenotim. Disprosium alami terdiri dari tujuh isotop, dengan yang paling melimpah adalah 164Dy.

Disprosium pertama kali diidentifikasi pada tahun 1886 oleh Lecoq de Boisbaudran, tetapi tidak diisolasi dalam bentuk murni hingga pengembangan teknik pertukaran ion pada tahun 1950-an. Disprosium memiliki aplikasi yang relatif sedikit di mana ia tidak dapat digantikan oleh unsur kimia lainnya. Ia digunakan pada pembuatan batang kendali dalam reaktor nuklir karena penampang lintang penyerapan neutron termalnya yang tinggi, dalam aplikasi penyimpanan data karena suseptibilitas magnetiknya yang tinggi (), dan sebagai salah satu komponen Terfenol-D (sebuah bahan magnetostriktif). Garam disprosium yang larut agak beracun, sedangkan garam yang tidak larut dianggap tidak beracun.

Karakteristik

Sifat fisik

Disprosium adalah sebuah unsur tanah jarang dan memiliki kilau perak metalik yang cerah. Ia cukup lunak dan dapat diolah tanpa percikan api jika menghindari panas berlebih. Karakteristik fisik disprosium dapat sangat dipengaruhi pengotor bahkan dalam jumlah yang kecil.

Disprosium dan holmium memiliki kekuatan magnet paling tinggi dari semua unsur, terutama pada suhu rendah. Disprosium bersifat feromagnetik sederhana pada suhu di bawah . Di atas suhu , ia berubah menjadi keadaan antiferomagnetik heliks di mana semua momen atom pada lapisan bidang basal tertentu sejajar dan berorientasi pada sudut tetap terhadap momen dari lapisan yang berdekatan. Antiferomagnetisme yang tidak biasa ini berubah menjadi keadaan tidak teratur (paramagnetik) pada suhu .

Sifat kimia
Logam disprosium dapat mempertahankan kilaunya di udara kering, namun akan mengusam perlahan di udara lembap dan mudah terbakar untuk membentuk disprosium(III) oksida:
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3

Disprosium cukup bersifat elektropositif dan bereaksi secara lambat dengan air dingin (dan cukup cepat dengan air panas) untuk membentuk disprosium hidroksida:
2 Dy (s) + 6 H2O (l) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Disprosium hidroksida akan terurai menjadi DyO(OH) pada suhu tinggi, yang kemudian terurai lagi menjadi disprosium(III) oksida.

Logam disprosium akan bereaksi hebat dengan semua halogen pada suhu di atas 200 °C:
2 Dy (s) + 3 F2 (g) → 2 DyF3 (s) [hijau]
2 Dy (s) + 3 Cl2 (g) → 2 DyCl3 (s) [putih]
2 Dy (s) + 3 Br2 (l) → 2 DyBr3 (s) [putih]
2 Dy (s) + 3 I2 (g) → 2 DyI3 (s) [hijau]

Disprosium mudah larut dalam asam sulfat encer untuk membentuk larutan yang mengandung ion kuning Dy(III), yang eksis sebagai kompleks [Dy(OH2)9]3+:

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

Senyawa yang dihasilkan, disprosium(III) sulfat, bersifat paramagnetik.

Senyawa

Disprosium halida, seperti DyF3 dan DyBr3, cenderung berwarna kuning. Disprosium oksoda, juga dikenal sebagai disprosia, adalah bubuk putih yang sangat bersifat magnetik, lebih dari besi oksida.

Disprosium dapat bergabung dengan berbagai nonlogam pada suhu tinggi untuk membentuk senyawa biner dengan berbagai komposisi dan keadaan oksidasi +3 dan terkadang +2, seperti DyN, DyP, DyH2 dan DyH3; DyS, DyS2, Dy2S3 dan Dy5S7; DyB2, DyB4, DyB6 dan DyB12, serta Dy3C dan Dy2C3.

Disprosium karbonat, Dy2(CO3)3, dan disprosium sulfat, Dy2(SO4)3, dihasilkan dari reaksi serupa. Sebagian besar senyawa disprosium dapat larut dalam air, meskipun disprosium karbonat tetrahidrat (Dy2(CO3)3·4H2O) dan disprosium oksalat dekahidrat (Dy2(C2O4)3·10H2O) tidak larut dalam air. Dua disprosium karbonat yang paling melimpah, Dy2(CO3)3·2–3H2O (mirip dengan mineral tengerit-(Y)), dan DyCO3(OH) (mirip dengan mineral kozoit-(La) dan kozoit-(Nd)), diketahui terbentuk melalui fase prekursor yang tidak tertata dengan baik (amorf) dengan rumus Dy2(CO3)3·4H2O. Prekursor amorf ini terdiri dari partikel nano berbentuk bola yang sangat terhidrasi dengan diameter 10–20 nm yang sangat stabil di bawah perlakuan kering pada suhu sekitar dan suhu tinggi.

Isotop

Disprosium alami terdiri dari tujuh isotop: 156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy, dan 164Dy. Mereka semua dianggap stabil, meskipun 156Dy secara teoretis dapat mengalami peluruhan alfa dengan waktu paruh lebih dari 1×1018 tahun. Disprosium adalah unsur terberat yang memiliki isotop yang tidak stabil secara pengamatan. Dari semua isotop alami, 164Dy adalah yang paling melimpah dengan kelimpahan 28%, diikuti oleh 162Dy dengan 26%. Yang paling tidak melimpah adalah 156Dy dengan 0,06%.

29 radioisotop juga telah disintesis, mulai dari massa atom 138 hingga 173. Yang paling stabil adalah 154Dy, dengan waktu paruh kira-kira 3 tahun, diikuti oleh 159Dy dengan waktu paruh 144,4 hari. Yang paling tidak stabil adalah 138Dy, dengan waktu paruh 200 mdtk. Sebagai aturan umum, isotop yang lebih ringan daripada isotop stabil cenderung meluruh terutama melalui peluruhan β+, sedangkan isotop yang lebih berat cenderung meluruh melalui peluruhan β−. Namun, 154Dy meluruh terutama melalui peluruhan alfa, dan 152Dy serta 159Dy meluruh terutama melalui penangkapan elektron. Disprosium juga memiliki setidaknya 11 isomer metastabil, dengan massa atom berkisar antara 140 hingga 165. Yang paling stabil adalah 165mDy, yang memiliki waktu paruh 1,257 menit. 149Dy memiliki dua isomer metastabil, yang kedua, 149m2Dy, memiliki waktu paruh 28 ndtk.

Sejarah
Pada tahun 1878, bijih erbium ditemukan mengandung oksida holmium dan tulium. Kimiawan Prancis Lecoq de Boisbaudran, saat bekerja dengan holmium oksida, memisahkan disprosium oksida darinya di Paris pada tahun 1886. Prosedurnya untuk mengisolasi disprosium melibatkan pelarutan disprosium oksida dalam asam, kemudian menambahkan amonia untuk mengendapkan disprosium hidroksida. Dia hanya mampu mengisolasi disprosium dari oksidanya setelah lebih dari 30 kali mencoba prosedurnya. Setelah berhasil, dia menamai unsur tersebut disprosium dari bahasa Yunani dysprositos (δυσπρόσιτος), yang berarti "sulit didapat". Unsur tersebut tidak diisolasi dalam bentuk yang relatif murni hingga setelah pengembangan teknik pertukaran ion oleh Frank Spedding di Universitas Negeri Iowa pada awal 1950-an.

Karena perannya dalam magnet permanen yang digunakan untuk turbin angin, telah dikatakan bahwa disprosium akan menjadi salah satu objek utama dalam persaingan geopolitik di dunia yang menggunakan energi terbarukan. Tapi perspektif ini telah dikritik karena gagal mengenali bahwa sebagian besar turbin angin tidak menggunakan magnet permanen dan meremehkan kekuatan insentif ekonomi untuk produksi yang diperluas.

Pada tahun 2021, Dy diubah menjadi gas kuantum superpadat 2 dimensi.

Keterjadian

Walaupun disprosium tidak pernah ditemui sebagai unsur bebas, ia ditemukan di banyak mineral, meliputi xenotim, fergusonit, gadolinit, euksenit, polikras, blomstrandin, monasit, dan bastnäsit, seringkali dengan erbium dan holmium atau unsur tanah jarang lainnya. Belum ada mineral dominan disprosium (di mana disprosium yang mendominasi unsur tanah jarang lainnya dalam komposisinya) yang ditemukan.

Dalam mineral versi itrium-tinggi ini, disprosium merupakan lantanida berat yang paling melimpah, terdiri dari hingga 7–8% konsentrat (dibandingkan dengan sekitar 65% untuk itrium). Konsentrasi Dy di kerak Bumi ialah sekitar 5,2 mg/kg dan di air laut 0,9 ng/L.

Produksi
Disprosium diperoleh terutama dari pasir monasit, sebuah campuran berbagai fosfat. Logam ini diperoleh sebagai produk sampingan dalam ekstraksi itrium komersial. Dalam mengisolasi disprosium, sebagian besar logam yang tidak diinginkan dapat dihilangkan secara magnetis atau melalui proses pengapungan. Disprosium kemudian dapat dipisahkan dari logam tanah jarang lainnya melalui proses perpindahan pertukaran ion. Ion disprosium yang dihasilkan kemudian dapat bereaksi dengan fluorin atau klorin untuk membentuk disprosium fluorida, DyF3, atau disprosium klorida, DyCl3. Kedua senyawa ini dapat direduksi menggunakan logam kalsium atau litium dalam reaksi berikut:

3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl

Komponen tersebut ditempatkan dalam sebuah krus tantalum dan dibakar dalam atmosfer helium. Saat reaksi berlangsung, senyawa halida yang dihasilkan dan disprosium cair akan terpisah karena perbedaan kepadatan. Saat campuran tersebut mendingin, disprosium dapat diambil dari kotorannya.

Sekitar 100 ton disprosium diproduksi di seluruh dunia setiap tahunnya, dengan 99% dari jumlah tersebut diproduksi di Tiongkok. Harga disprosium naik hampir 20 kali lipat, dari AS$7 per pon pada tahun 2003, menjadi AS$130 per pon pada akhir tahun 2010. Harganya semakin naik menjadi AS$1.400/kg pada tahun 2011 tetapi turun menjadi AS$240 pada tahun 2015, sebagian besar disebabkan oleh produksi ilegal di Tiongkok yang menghindari pembatasan pemerintah.

Saat ini, sebagian besar disprosium diperoleh dari bijih tanah liat pengadsorb ion di Tiongkok selatan. , pabrik percontohan Browns Range Project, 160 km sebelah tenggara Halls Creek, Australia Barat memproduksi  disprosium per tahun.

Menurut Departemen Energi Amerika Serikat, berbagai kegunaannya saat ini dan yang diproyeksikan, bersama dengan kurangnya pengganti yang cocok, menjadikan disprosium sebagai satu-satunya unsur paling penting untuk teknologi berenergi bersih; bahkan proyeksi mereka yang paling konservatif memperkirakan kekurangan disprosium sebelum 2015. Hingga akhir 2015, terdapat industri ekstraksi tanah jarang (termasuk disprosium) yang baru hadir di Australia.

Aplikasi
Disprosium digunakan, bersama dengan vanadium dan unsur lainnya, dalam pembuatan bahan laser dan pencahayaan komersial. Karena penampang lintang penyerapan neutron termal yang tinggi dari disprosium, kermet disprosium-oksida–nikel digunakan dalam batang kendali penyerap neutron dalam reaktor nuklir. Disprosium–kadmium kalkogenida adalah sumber radiasi inframerah, yang berguna untuk mempelajari beberapa reaksi kimia. Karena disprosium dan senyawanya sangat rentan terhadap magnetisasi, mereka digunakan pada berbagai aplikasi penyimpanan data, seperti pada cakram keras. Disprosium semakin diminati untuk magnet permanen yang digunakan pada motor mobil-listrik dan generator turbin angin.

Magnet neodimium–besi–boron dapat memiliki hingga 6% dari neodimium yang digantikan oleh disprosium untuk meningkatkan koersivitas pada beberapa aplikasi, seperti motor penggerak untuk kendaraan listrik dan generator untuk turbin angin. Penggantian ini membutuhkan hingga 100 gram disprosium per mobil listrik yang diproduksi. Berdasarkan proyeksi 2 juta unit per tahun dari Toyota, penggunaan disprosium dalam aplikasi seperti ini akan dengan cepat menghabiskan pasokan yang tersedia. Substitusi disprosium juga berguna dalam aplikasi lain karena dapat meningkatkan ketahanan korosi magnet.

Disprosium adalah salah satu komponen Terfenol-D, bersama dengan besi dan terbium. Terfenol-D memiliki magnetostriksi suhu kamar tertinggi dari bahan apa pun yang diketahui, yang digunakan dalam transduser, resonator mekanis pita lebar, dan injektor bahan bakar cair presisi tinggi.

Disprosium digunakan dalam dosimeter untuk mengukur radiasi pengion. Kristal kalsium sulfat atau kalsium fluorida didoping dengan disprosium. Ketika kristal ini terkena radiasi, atom disprosium akan menjadi tereksitasi dan berpendar. Pendaran ini dapat diukur untuk menentukan tingkat paparan yang telah terkena dosimeter.

Serat nano senyawa disprosium memiliki kekuatan tinggi dan luas permukaan yang besar. Oleh karena itu, mereka dapat digunakan untuk memperkuat bahan lain dan bertindak sebagai katalis. Serat disprosium oksida fluorida dapat diproduksi dengan memanaskan larutan berair DyBr3 dan NaF hingga suhu 450 °C pada tekanan 450 bar selama 17 jam. Bahan ini sangatlah kuat, dapat bertahan lebih dari 100 jam dalam berbagai larutan berair pada suhu melebihi 400 °C tanpa terlarut kembali atau tergumpal. Selain itu, disprosium telah digunakan untuk membuat sebuah superpadat 2 dimensi di lingkungan laboratorium. Superpadat diperkirakan menunjukkan sifat yang tidak biasa, termasuk superfluiditas.

Disprosium iodida dan disprosium bromida digunakan dalam lampu halida logam intensitas tinggi. Kedua senyawa ini berdisosiasi di dekat pusat panas lampu, melepaskan atom disprosium yang terisolasi. Disprosium bromida akan memancarkan kembali cahaya di bagian spektrum hijau dan merah, sehingga secara efektif menghasilkan cahaya terang.

Beberapa garam kristal paramagnetik dari disprosium (garnet disprosium galium, DGG; garnet disprosium aluminium, DAG; garnet disprosium besi, DyIG) digunakan dalam refrigerator demagnetisasi adiabatik.

Ion disprosium trivalen (Dy3+) telah dipelajari karena sifat luminesensinya yang menurun. Garnet itrium aluminium yang didoping Dy (Dy:YAG) yang tereksitasi di wilayah ultraungu dari spektrum elektromagnetik akan menghasilkan emisi foton dengan panjang gelombang lebih panjang di wilayah tampak. Ide ini adalah dasar untuk dioda pemancar cahaya (LED) putih yang dipompa UV generasi baru.

Isotop stabil disprosium telah didinginkan dengan laser dan dikurung dalam perangkap magneto-optik untuk percobaan fisika kuantum. Gas degenerasi kuantum Bose dan Fermi pertama dari sebuah lantanida kulit terbuka dibuat dengan disprosium.  Karena disprosium sangat bersifat magnetik---memang, ia adalah unsur fermionik yang paling magnetik dan hampir terikat dengan terbium untuk sebagian besar atom bosonik magnetik---gas semacam itu berfungsi sebagai dasar untuk simulasi kuantum dengan atom dipolar yang kuat.

Pencegahan
Seperti kebanyakan bubuk lainnya, bubuk disprosium dapat menimbulkan bahaya ledakan saat bercampur dengan udara dan jika terdapat sumber pengapian. Lapisan tipis zat tersebut juga dapat tersulut oleh percikan api atau listrik statis. Kebakaran disprosium tidak dapat dipadamkan dengan air. Ia dapat bereaksi dengan air untuk menghasilkan gas hidrogen yang mudah terbakar. Kebakaran disprosium klorida dapat dipadamkan dengan air. Disprosium fluorida dan disprosium oksida tidak mudah terbakar. Disprosium nitrat, Dy(NO3)3, adalah zat pengoksidasi kuat dan mudah menyala saat bersentuhan dengan zat organik.

Garam disprosium yang larut, seperti disprosium klorida dan disprosium nitrat agak beracun jika tertelan. Berdasarkan toksisitas disprosium klorida terhadap tikus, diperkirakan bahwa menelan 500 gram atau lebih dapat berakibat fatal bagi manusia (bandingkan dengan dosis mematikan garam dapur biasa sebesar 300 gram untuk manusia dengan berat 100 kilogram). Garam yang tidak larut tidak beracun.

Referensi

Pranala luar

  It's Elemental – Dysprosium

 
Unsur kimia
Unsur kimia dengan struktur padat heksagon
Lantanida
Material feromagnetik
Pembangunan energi
Reduktor
Teknologi energi terbarukan