Disprozij

Disprozij je hemijski element sa simbolom Dy i atomskim brojem 66. To je rijetki zemni element, metalnog srebrenastog sjaja. Ne može naći se u prirodi u elementarnom stanju nego je prisutan u brojnim mineralima, kao što je ksenotim. Prirodna izotopska smjesa disprozija sastavljena je iz sedam izotopa, među kojima je najviše izotopa 164Dy.

Ima relativno malo primjena, uglavnom tamo gdje se ne može zamijeniti nekim drugim hemijskim elementima. Najčešće se upotrebljava zbog vrlo velikog poprečnog presjeka apsorpcije termalnih neutrona, što ga čini pogodnim za kontrolne šipke u nuklearnim reaktorima, kao i zbog velike magnetne susceptibilnosti. Također se koristi u uređajima za pohranjivanje podataka te kao sastojak terfenola-D. Rastvorive soli disprozija slabo su otrovne, dok se njegove nerastvorive soli ne smatraju otrovnima.

 Historija 
Godine 1878. u rudama erbija nađeni su oksidi elemenata holmija i tulija. Francuski hemičar Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, dok je 1886. u Parizu radio sa holmij-oksidom, iz uzorka je izdvojio disprozij-oksid. Njegova procedura za izdvajanje uključivala je rastvaranje disprozij-oksida u kiselinama, zatim dodavanje amonijaka kako bi se istaložio hidroksid. Tek nakon više od 30 pokušaja uspio je izolirati disprozij iz njegovog oksida. Novom elementu dao je ime dysprosium, od grčkog disprositos (δυσπρόσιτος), što približno znači "(onaj) koji se teško dobije". Ipak, element u relativno čistom obliku nije dobijen sve do razvoja ionsko-izmjenjivačkih tehnika koje je razvio Frank Spedding sa saradnicima na Državnom univerzitetu Iowe početkom 1950-ih.

 Osobine 
 Fizičke 
Disprozij je rijetki zemni element, s metalnim, svijetlosrebrnim sjajem. Dosta je mehak, tako da se može rezati nožem te mašinski obrađivati bez iskrenja, čak i kada nema hlađenja pri obradi. Fizičke osobine disprozija znatno se mijenjaju ako su u njemu prisutne čak i najmanje količine nečistoća drugih elemenata i supstanci.

Disprozij i holmij imaju najveći magnetsku propustljivost (snagu) od svih elemenata, a naročito pri vrlo niskim temperaturama. Disprozij ima vrlo jednostavno feromagnetno uređenje na temperaturama ispod 85 K (−188,2 °C). Na temperaturama iznad toga prelazi u spiralno antiferomagnetno stanje, u kojem su svi atomski momenti u određenom sloju bazične ravni paralelni, orijentirani pod nepromjenjivim uglom prema momentima susjednih slojeva. Ovako neobičan antiferomagnetizam transformira se u neuređeno (paramagnetno) stanje pri temperaturi 179 K (−94 °C).

 Hemijske 
Metalni disprozij polahko potamni u prisustvu zraka i lahko sagorijeva dajući disprozij(III)-oksid:
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3

Dosta je elektropozitivan i sporo reagira s hladnom vodom (a mnogo brže s vrelom) gradeći disprozij-hidroksid:
2 Dy (č) + 6 H2O (t) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Disprozij burno reagira sa svim halogenim elementima na temperaturi iznad 200 °C:
2 Dy (č) + 3 F2 (g) → 2 DyF3 (č) [zelen]
2 Dy (č) + 3 Cl2 (g) → 2 DyCl3 (č) [bijel]
2 Dy (č) + 3 Br2 (g) → 2 DyBr3 (č) [bijel]
2 Dy (č) + 3 I2 (g) → 2 DyI3 (č) [zelen]

Također se lahko rastvara u razrijeđenoj sumpornoj kiselini gradeći rastvore koji sadrže žute Dy(III) ione u obliku kompleksa [Dy(OH2)9]3+:

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

Nastali spoj, disprozij(III)-sulfat, izrazito je paramagnetičan.

 Izotopi 
Disprozij u prirodi sastavljen je iz sedam izotopa: 156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy i 164Dy. Za sve ove izotope smatra se da su stabilni, mada se izotop 156Dy raspada alfa raspadom s vremenom poluraspada od preko 1 godina. Od prirodnih izotopa, najzastupljeniji je 164Dy sa udjelom od 28%, a slijedi izotop 162Dy sa 26%. Najmanje je zastupljen izotop 156Dy sa 0,06% udjela.

Pored stabilnih, poznato je još i 29 radioaktivnih vještačkih izotopa, čije atomske mase se kreću u rasponu od 138 do 173. Najstabilniji radioaktivni izotop disprozija je 154Dy sa vremenom poluraspada od približno 3 godina. Slijedi 159Dy, čije vrijeme poluraspada iznosi 144,4 dana. Najmanje stabilan izotop je 138Dy, koji ima vrijeme poluraspada od 200 ms. Kao općenito pravilo, izotopi lakši od stabilnih pretežno se raspadaju beta raspadom (β+), dok oni teži od stabilnih uglavnom se raspadaju β− raspadom. Ipak, izotop 154Dy se raspada uglavnom alfa raspadom, dok se izotopi 152Dy i 159Dy pretežno raspadaju elektronskim zahvatom. Disprozij također ima najmanje 11 metastabilnih izomera, čije atomske mase se kreću od 140 do 165. Najstabilniji metastabilni izomer je 165mDy, čije vrijeme poluraspada iznosi 1,257 minutu. Izotop 149Dy ima dva metastabilna izomera, od kojih drugi, 149m2Dy, ima vrijeme poluraspada od 28 nanosekundi.

 Rasprostranjenost 
Iako se disprozij nigdje ne može naći u obliku samorodnog elementa, nađen je u sastavu brojnih minerala, kao što su  ksenotim, fergusonit, gadolinit, euksenit, polikras, blomstrandin, monacit i bastnesit; često zajedno s erbijem, holmijem i drugim rijetkim zemnim elementima. U današnje vrijeme, većina disprozija dobija se iz ionsko-apsorbirajućih glinenih ruda iz južne Kine, a u budućnosti se očekuje da bi se mogao dobijati iz rudnih izvora u području Halls Creeka u zapadnoj Australiji. U takvim rudnim izvorima koji sadrže velike količine itrija, disprozij je jedan od najviše zastupljenih teških lantanoida, sa sadržajem od 7% do 8% koncentrata (u usporedbi, takav koncentrat sadrži oko 65% itrija). Koncentracija Dy u Zemljinoj kori iznosi oko 5,2 mg/kg a u morskoj vodi oko 0,9 ng/L.

 Dobijanje 
Osnovni način dobijanja disprozija je iz monacitnog pijeska, mješavine raznih fosfata. Metal se dobija kao nusproizvod pri industrijskoj proizvodnji i izdvajanju itrija. Da bi se iz rude izdvojio čisti disprozij, većina nepoželjnih metala se može ukloniti djelovanjem magneta ili procesom flotacije. Tek nakon toga disprozij se može odvojiti od drugih rijetkih zemnih metala u nekom od procesa ionsko-izmjenjivačke tehnike. Dobijeni ioni disprozija zatim reagiraju bilo sa fluorom ili hlorom da bi se dobio disprozij-fluorid, DyF3 ili disprozij-hlorid, DyCl3. Ovi spojevi se mogu reducirati sa metalnim kalcijem ili litijem, kako je prikazano u sljedećim reakcijama:

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

Sastojci se stavljaju u tigl sačinjen od tantala te se pale u atmosferi helija. Kako reakcija napreduje, dobijeni halidni spojevi i istopljeni disprozij se odvajaju jedni od drugih jer imaju različite gustoće. Zatim se smjesa hladi, a disprozij se može odsjeći i odvojiti od nečistoća. Svake godine u svijetu se proizvede oko 100 tona disprozija, a 99% od toga se proizvede u Kini. Cijena ovog metala povećala se 20 puta, od 7 US$ za funtu (0,45359237 kg) 2003. na 130 US$ za funtu krajem 2010. Na svjetskom tržištu cijena je bila otprilike 1.400 US$ po kg u 2011. ali je pala na 240 US$ u 2015, uglavnom zbog bespravne proizvodnje u Kini, gdje su proizvođači "zaobilazili" zakonske regulative i ograničenja kineske vlade. Prema izvještajima američkog ministarstva energije, zbog velikog broja trenutnih i očekivanih aplikacija za čiji uspjeh je neophodan, između ostalog, i disprozij, uz istovremeni nedostatak nekog pogodnog materijala koji bi ga zamijenio u kratkom vremenskom intervalu, navodi se da bi disprozij mogao biti jedan od najkritičnijih elemenata za nepojavljivanje tehnologija za dobijanje čiste energije. Prema izvještajima iz 2011, najoptimističnija predviđanja bila su da će već za naredne četiri godine doći do nedostatka disprozija na svjetskom tržištu. Ipak, već krajem 2015. u pogonu je bila ekstrakcijska industrija rijetkih zemalja (uključujući i disprozija) u zapadnoj Australiji.

 Upotreba 
Nema veliki broj aplikacija koje su svojstvene isključivo za disprozij. Theodore Gray u svojoj knjizi The Elements navodi: "...kada pogledamo na disprozij, moramo otići na četvrtu stranicu rezultata pretrage da pronađemo bilo šta, što nije stavka na veb-stranici o periodnom sistemu elemenata, obično sa obaveznim tekstom u smislu to je element, pa moramo imati stranicu o njemu".

Zajedno sa vanadijem i drugim elementima, disprozij se koristi za izradu laserskih materijala i materijala za industriju sijalica i lampi. Pošto disprozij ima veoma veliki poprečni presjek apsorpcije termalnih neutrona, tvrdi materijali (zvani kermeti, od keramika-metal) na bazi disprozij-oksida i nikla koriste se kao kontrolne šipke za apsorbiranje neutrona u nuklearnim reaktorima. Disprozij-kadmij halkogenidi su izvori infracrvene radijacije pogodni za proučavanje hemijskih reakcija. Iz razloga što disprozij i njegovi spojevi imaju veoma veliku magnetsku susceptibilnost, pa se upotrebljavaju u raznim aplikacijama za pohranu podataka kao što su tvrdi diskovi. Za disprozijem danas se više raste potražnja kao materijalom za izradu stalnih magneta, potrebnih u modernim motorima za električna vozila i generatore struje u vjetroelektranama.

Magneti NdFeB (neodij-željezo-bor) mogu sadržavati i do 6% disprozija koji zamjenjuje neodij čime se povećava koercitivnost za tražene aplikacije poput pogonskih motora za električna vozila i vjetroturbine. Međutim, ovakva zamjena traži i do 100 grama disprozija po svakom proizvedenom električnom automobilu. Prema projekciji japanskog proizvođača Toyota za proizvodnju dva miliona vozila godišnje, korištenje disprozija u svrhe poput ove, vrlo brzo bi iscrpilo dostupne zalihe ovog metala. Zamjena disprozijem također je korisna i za druge svrhe jer se njime poboljšava otpornost magneta na koroziju.

Disprozij je jedan od sastojaka terfenola-D, zajedno sa željezom i terbijem. Terfenol-D ima najvišu magnetostrikciju pri sobnoj temperaturi od svih poznatih materijala; a upotrebljava se u širokopojasnim mehaničkim rezonatorima, transduktorima i visokopreciznim ubrizgavačima tečnog goriva. Ovaj element se koristi u dozimetrima za mjerenje ionizirajućeg zračenja. Kristali kalcij-sulfata ili kalcij-fluorida dopiraju se disprozijem. Kad se takvi kristali izlože zračenju, atomi disprozija prelaze u pobuđeno stanje i svijetle. Ta svjetlost se može mjeriti te na taj način odrediti stepen zračenja kojem je izložen dozimetar.

 Spojevi 
lijevo|thumb|180px|Disprozij-sulfat, Dy2(SO4)3
Halidi disprozija, kao što su DyF3 i DyBr3, obično su žute boje. Disprozij-oksid, poznat i pod nazivom disprozija, je bijeli prah koji je izuzetno magnetičan, čak mnogo više od željeznog oksida.

Disprozij se spaja sa mnogim nemetalima pri visokim temperaturama gradeći binarne spojeve različitog sastava i u oksidacijskom stanju +3 a ponekad i u +2, kao naprimjer DyN, DyP, DyH2 i DyH3; zatim DyS, DyS2, Dy2S3 i Dy5S7; DyB2, DyB4, DyB6 i DyB12, a također i Dy3C i Dy2C3.

Disprozij-karbonat, Dy2(CO3)3 i disprozij-sulfat, Dy2(SO4)3 nastaju u sličnim reakcijama. Većina spojeva ovog elementa su rastvorljivi u vodi, mada su disprozij-karbonat tetrahidrat (Dy2(CO3)3·4H2O) i disprozij-oksalat dekahidrat (Dy2(C2O4)3·10H2O) oba nerastvorljiva u vodi. Za dva najrasprostranjenija karbonata disprozija, tengerit-(Dy) (Dy2(CO3)3·2–3H2O) i kozoit-(Dy) (DyCO3(OH)) poznato je da nastaju preko amorfne prekursorske faze sa formulom Dy2(CO3)3·4H2O. Ovaj amorfni prekursor sastoji se iz veoma hidratiziranih loptastih nano čestica prečnika 10–20 nm a koji su neuobičajeno stabilni pri suhom tretmanu na normalnoj i na visokim temperaturama.

 Reference 

 Vanjski linkovi 

 It's Elemental – Dysprosium  


Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Lantanoidi
Kategorija:Feromagnetni materijali
Kategorija:Reducensi
Kategorija:Energetski razvoj
Kategorija:Tehnologija za obnovljivu energiju