镝

镝（Dysprosium），是一种化学元素，其化学符号为镝，原子序数为66，原子量为162.500u，属于镧系元素，也是稀土元素之一。镝的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，例如磷钇矿等。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，所以在核反应炉中被用作控制棒；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

### 物理性质

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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85K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179K时再转变为无序顺磁态。

### 化学性质

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)

氢氧化镝在高温下会分解成DyO(OH)，而后者又会分解成氧化镝。

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。这些离子以Dy(OH2)93+配合物的形式存在：

2 Dy (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Dy3+ (aq) + 3 SO42- (aq) + 3 H2 (g)

反应的产物硫酸镝(III)有明显的顺磁性。

### 化合物

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镝的卤化物，如DyF3和DyBr3，一般呈黄色。氧化镝是一种黄色粉末，有强大的磁性，其磁性比氧化铁还要强。

镝在高温下可以和各种非金属形成二元化合物，其氧化态可以是+3或+2。这包括DyN、DyP、DyH2和DyH3；DyS、DyS2、Dy2S3和Dy5S7；DyB2、DyB4、DyB6和DyB12；以及Dy3C和Dy2C3。

碳酸镝（Dy2(CO3)3）和硫酸镝（Dy2(SO4)3）可以经过相似的化学反应制成。大部分镝化合物都溶于水，但四水合碳酸镝（Dy2(CO3)3·4H2O）和十水合草酸镝（Dy2(C2O4)3·10H2O）都不溶于水。

### 同位素

自然形成的镝由7种稳定同位素组成：156Dy、158Dy和160Dy至164Dy。自然同位素中丰度最高的是比例为28%的164Dy，紧接着的是比例为26%的162Dy。丰度最低的是比例为0.06%的156Dy。

通过人工合成，科学家共发现了29种放射性同位素，其原子量在138和173之间。最稳定的是154Dy，其半衰期约为1.406年；接着是半衰期为144.4天的159Dy。最不稳定的是138Dy，其半衰期只有200毫秒。比稳定同位素轻的同位素主要进行β+衰变；除个别特例之外，更重的同位素主要进行β−衰变。154Dy主要进行α衰变，152Dy和159Dy则主要进行电子捕获。镝拥有至少11种同核异构体（亚稳态），原子量在140和165之间。最稳定的是165mDy，其半衰期为1.257分钟。149Dy有两种亚稳态，第二种（149m2Dy）的半衰期只有28纳秒。

164Dy是理论上最重的稳定同位素，任何更重的核素，理论上都会发生α衰变，类似于铋-209与锇-186的情形。

## 历史

1878年，科学家发现铒矿中也含有钬和铥的氧化物。1886年，法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰在巴黎研究氧化钬时，成功地把氧化镝从中分离出来。他把样本溶于酸中，再加入氨，将镝以氢氧化物的形态沉淀出来。他在尝试了30次以后，才成功分离出镝。他依据希腊文“δυσπρόσιτος”（Dysprositos，意为“难以取得”）把该新元素命名为“Dysprosium”。不过，要直到1950年代美国爱荷华州立大学的弗兰克·斯佩丁（Frank Spedding）发展了离子交换技术之后，才有纯度较高的镝被分离出来。

## 存量

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镝在自然界中不以单质出现，但存在于多种矿物之中，包括磷钇矿、褐钇铌矿、硅铍钇矿、黑稀金矿、复稀金矿、钛钽铌铀矿、独居石和氟碳铈矿等。它一般还和铒和钬等稀土元素一同出现。目前大部分的镝都是在中国南部的离子吸附型稀土矿中开采而得。西澳大利亚州的Halls Creek区域也将开采包括镝在内的稀土元素。在钇含量较高的矿物中，镝是所有重镧系元素中丰度最高的，占浓缩物的7至8%（相比钇的65%）。地球地壳中的镝含量约为5.2 mg/kg，在海水中为0.9 ng/L。

## 生产

镝的生产主要来自开采由多种磷酸盐混合组成的独居石砂，是钇萃取过程的副产品之一。镝的分离过程可以使用磁力或浮力方法移除其他金属杂质，再经离子交换方法分离各种稀土金属。所产生的镝离子与氟或氯反应后分别形成氟化镝（DyF3）或氯化镝（DyCl3），再经钙或锂金属还原：

3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2

3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl

反应在钽制坩埚、氦气环境中进行。过程中产生的卤化物和熔融镝会因比重不同而自然分离。冷却之后，可用刀把镝从其他杂质分开。

全球每年产出大约100吨镝，其中99%产自中国。从2003年至2010年底，镝的价格从每磅7美元飙升至每磅130美元，升幅近20倍。根据美国能源部，镝的现有及潜在用途广泛，加上缺乏代替品，所以是目前最迫切需要洁净能源技术的元素。保守估计，镝在2015年前就会有短缺。

## 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炉控制棒材料。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小时而不会溶解或聚集。

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。

## 安全

镝金属粉末在空气中如果在火源附近，会有爆炸的危险；其薄片也可以被火花和静电点燃。镝所引起的金属火焰不能用水来浇熄，因为它会和水反应，产生易燃的氢气。氯化镝火焰却可以用水浇熄，而氟化镝和氧化镝则不易燃。硝酸镝（Dy(NO3)3）属于强氧化剂，在接触到有机物质时可迅速起火。

可溶镝盐，如氯化镝和硝酸镝等，在进食后具微毒性；不可溶盐则无毒。从老鼠对氯化镝的毒性反应估算，人类在进食500克以上的镝可以致命。

## 外部链接

- It's Elemental – Dysprosium

## 基本资料

- 名称·符号·序数：66
- 名称·符号·序数：Dy
- 名称·符号·序数：Dysprosium
- 名称·符号·序数：镝
- left：铽
- right：钬
- 元素类别：镧系元素
- 族·周期·区：6
- 族·周期·区：f
- 外貌：银白色
- 标准原子质量：162.500(1)
- 电子排布：Xe 4f10 6s2
- 电子排布：2, 8, 18, 28, 8, 2
- 物态：固体
- 密度：8.540
- 熔点时液体密度：8.37
- 熔点：1680
- 熔点：1407
- 熔点：2565
- 沸点：2840
- 沸点：2562
- 沸点：4653
- 熔化热：11.06
- 汽化热：280
- 比热容：27.7
- vapor pressure 1：1378
- vapor pressure 10：1523
- vapor pressure 100：(1704)
- vapor pressure 1 k：(1954)
- vapor pressure 10 k：(2304)
- vapor pressure 100 k：(2831)
- 晶体结构：六方密堆积
- oxidation states：3, 2, 1、（弱碱性氧化物）
- 电负性：1.22
- number of ionization energies：3
- 原子半径：178
- 共价半径：192±7
- 磁序：300 K时顺磁性
- 电阻率：（室温）（α型多晶）926 n
- 热导率：10.7
- 热膨胀系数：（室温）（α型多晶）9.9
- 声速（细棒）：2710
- 剪切模量：（α型）24.7
- 体积模量：（α型）40.5
- 泊松比：（α型）0.247
- 维氏硬度：540
- 布氏硬度：500
- CAS号：7429-91-6
- 发现：保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰
- 发现：1886