Dysprosium

**鏑**（拼音：dī，注音：ㄉㄧ；英語：**Dysprosium**），是一種化學元素，其化學符號為 **Dy**，原子序數為 66，原子量為 162.500 u 屬於鑭系元素，也是稀土元素之一。鏑的外觀具銀色金屬光澤。鏑在大自然中不以單質出現，而是包含在多種礦物之中，例如磷釔礦等。自然形成的鏑由 7 種同位素組成，其中豐度最高的是 164Dy。

1886 年保羅・埃米爾・勒科克・德布瓦博德蘭首次辨認出鏑元素，但要直到 1950 年代離子交換技術的發展後，才有純態的鏑金屬被分離出來。由於其熱中子吸收截面很高，所以在核反應爐中被用作控制棒；其磁化率亦很高，所以可用於數據儲存技術上，以及做 Terfenol-D 材料的成份。可溶鏑鹽具有微毒性，不可溶鏑鹽則無毒。

## 性質

### 物理性質

鏑是一種稀土元素，呈亮銀色金屬光澤。鏑金屬質軟，可以用小刀切割。在沒有過熱的情況下，其加工過程不會產生火花。就算是少量的雜質也會大大改變鏑的物理性質。

鏑和鈥擁有所有元素中最高的磁強度，這在低溫狀態下更為顯著。鏑在 85 K（−188.2 °C）以下具有簡單的鐵磁序，但在這一溫度以上會轉變為一種螺旋形反鐵磁狀態，其中特定基面上所有原子的磁矩都互相平行，並相對相鄰平面的磁矩有固定的角度。這種奇特的反鐵磁性在溫度達到 179 K（−94 °C）時再轉變為無序順磁態。

### 化學性質

鏑金屬在空氣中緩慢氧化並失去光澤，其燃燒反應會產生氧化鏑：

　
: 4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3

鏑的電正性較高，它會在冷水中慢速進行反應，在熱水中快速反應，並產生氫氧化鏑：

　
: 2 Dy (s) + 6 H2O (l) → 2 Dy(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

氫氧化鏑在高溫下會分解成 DyO (OH)，而後者又會分解成氧化鏑。

在 200 °C 以上，鏑金屬會和所有鹵素反應：

　
: 2 Dy (s) + 3 F2 (g) → 2 DyF3 (s)（綠色）

　
: 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)（綠色）

鏑會在稀硫酸中迅速溶解，形成含有鏑 (III) 離子的黃色溶液。這些離子以 [Dy (OH2)9]3+ 配合物的形式存在：

　
: 2 Dy (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Dy3+ (aq) + 3 SO2− 
4 (aq) + 3 H2 (g)

反應的產物硫酸鏑 (III) 有明顯的順磁性。

### 化合物

鏑的鹵化物，如 DyF3 和 DyBr3，一般呈黃色。氧化鏑是一種黃色粉末，有強大的磁性，其磁性比氧化鐵還要強。

鏑在高溫下可以和各種非金屬形成二元化合物，其氧化態可以是 + 3 或 + 2。這包括 DyN、DyP、DyH2 和 DyH3；DyS、DyS2、Dy2S3 和 Dy5S7；DyB2、DyB4、DyB6 和 DyB12；以及 Dy3C 和 Dy2C3。

碳酸鏑（Dy2(CO3)3）和硫酸鏑（Dy2(SO4)3）可以經過相似的化學反應製成。大部份鏑化合物都溶於水，但四水合碳酸鏑（Dy2(CO3)3·4H2O）和十水合草酸鏑（Dy2(C2O4)3·10H2O）都不溶於水。

### 同位素

自然形成的鏑由 7 種同位素組成：156Dy、158Dy 和 160Dy 至 164Dy，其中 156Dy 會進行 α 衰變，半衰期超過 1×1018 年，所以通常和其他 6 種同歸為穩定同位素。自然同位素中豐度最高的是比例為 28% 的 164Dy，緊接著的是比例為 26% 的 162Dy。豐度最低的是比例為 0.06% 的 156Dy。

通過人工合成，科學家共發現了 29 種放射性同位素，其原子量在 138 和 173 之間。最穩定的是 154Dy，其半衰期約為 3×106 年；接著是半衰期為 144.4 天的 159Dy。最不穩定的是 138Dy，其半衰期只有 200 毫秒。比穩定同位素輕的同位素主要進行 β+ 衰變；除個別特例之外，更重的同位素主要進行 β−衰變。154Dy 主要進行 α 衰變，152Dy 和 159Dy 則主要進行電子捕獲。鏑擁有至少 11 種同核異構體（亞穩態），原子量在 140 和 165 之間。最穩定的是 165mDy，其半衰期為 1.257 分鐘。149Dy 有兩種亞穩態，第二種（149m2Dy）的半衰期只有 28 奈秒。

## 歷史

1878 年，科學家發現鉺礦中也含有鈥和銩的氧化物。1886 年，法國化學家保羅・埃米爾・勒科克・德布瓦博德蘭在巴黎研究氧化鈥時，成功地把氧化鏑從中分離出來。他把樣本溶於酸中，再加入氨，將鏑以氫氧化物的形態沉澱出來。他在嘗試了 30 次以後，才成功分離出鏑。他依據希臘文「δυσπρόσιτος」（Dysprositos，意為「難以取得」）把該新元素命名為「Dysprosium」。不過，要直到 1950 年代美國愛荷華州立大學的弗蘭克・斯佩丁（Frank Spedding）發展了離子交換技術之後，才有純度較高的鏑被分離出來。

## 存量

鏑在自然界中不以單質出現，但存在於多種礦物之中，包括磷釔礦、褐釔鈮礦、矽鈹釔礦、黑稀金礦、復稀金礦、鈦鉭鈮鈾礦、獨居石和氟碳鈰礦等。它一般還和鉺和鈥等稀土元素一同出現。目前大部份的鏑都是在中國南部的離子吸附型稀土礦中開採而得。西澳大利亞州的 Halls Creek 區域也將開採包括鏑在內的稀土元素。在釔含量較高的礦物中，鏑是所有重鑭系元素中豐度最高的，佔濃縮物的 7 至 8%（相比釔的 65%）。地球地殼中的鏑含量約為 5.2 mg/kg，在海水中為 0.9 ng/L。

## 生產

鏑的生產主要來自開採由多種磷酸鹽混合組成的獨居石砂，是釔萃取過程的副產品之一。鏑的分離過程可以使用磁力或浮力方法移除其他金屬雜質，再經離子交換方法分離各種稀土金屬。所產生的鏑離子與氟或氯反應後分別形成氟化鏑（DyF3）或氯化鏑（DyCl3），再經鈣或鋰金屬還原：

　
: 3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2

　
: 3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl

反應在鉭製坩堝、氦氣環境中進行。過程中產生的鹵化物和熔融鏑會因比重不同而自然分離。冷卻之後，可用刀把鏑從其他雜質分開。

全球每年產出大約 100 噸鏑，其中 99% 產自中國。從 2003 年至 2010 年底，鏑的價格從每磅 7 美元飆升至每磅 130 美元，升幅近 20 倍。根據美國能源部，鏑的現有及潛在用途廣泛，加上缺乏代替品，所以是目前最迫切需要潔淨能源技術的元素。保守估計，鏑在 2015 年前就會有短缺。

## 應用

鏑與釩及其他元素一起，可用於雷射材料和商業照明應用上。由於鏑的熱中子吸收截面很高，所以氧化鏑 - 鎳金屬陶瓷是一種核反應爐控制棒材料。鏑 - 鎘氧族元素化合物是紅外線輻射源，能用於研究化學反應。鏑及其化合物有很強的磁性，所以在硬盤等數據儲存裝置中都有用到。

釹 - 鐵 - 硼磁鐵中釹部分可以替換為鏑，以提高矯頑力，從而改善磁鐵的耐熱性能，用於電動汽車驅動馬達等性能要求較高的應用上。用了這種磁鐵的汽車每輛可含高達 100 克的鏑。根據豐田汽車每年 200 萬輛車的預計銷售量，很快就會耗盡全球鏑金屬的供應。替換成鏑的磁鐵還具有較高的抗腐蝕性。

鏑、鐵和鋱是 Terfenol-D 材料的組成元素。Terfenol-D 是常溫下磁致伸縮性最強的已知物料。這種性質可用於換能器、寬頻機械共鳴管和高精度液態燃料噴射器。

鏑被用於劑量計中，測量致電離輻射量。當摻有鏑的硫化鈣或氟化鈣受輻射照射時，鏑原子會進入激發態並發光。通過測量發光強度可以推算出輻射劑量。

鏑化合物奈米纖維具有高強度、高表面積，所以可以用來加強其他材料或作催化劑。在 450 巴壓力下對 DyBr3 和 NaF 的水溶液加熱 17 小時至 450 °C，可以製成氟氧化鏑纖維。這種材料在超過 400 °C 高溫下，可以在各種水溶液中存留超過 100 小時而不會溶解或集聚。

一些高強度金屬鹵化物燈用到碘化鏑和溴化鏑。這些化合物在燈的中心高溫處分解，釋放出遊離鏑原子。這些原子會發出綠光和紅光。

隔熱退磁冰箱用到某些順磁性鏑鹽晶體，包括鏑鎵石榴石（DGG）、鏑鋁石榴石（DAG）和鏑鐵石榴石（DyIG）等。

## 安全

鏑金屬粉末在空氣中如果在火源附近，會有爆炸的危險；其薄片也可以被火花和靜電點燃。鏑所引起的金屬火焰不能用水來澆熄，因為它會和水反應，產生易燃的氫氣。氯化鏑火焰卻可以用水澆熄，而氟化鏑和氧化鏑則不易燃。硝酸鏑（Dy (NO3)3）屬於強氧化劑，在接觸到有機物質時可迅速起火。

可溶鏑鹽，如氯化鏑和硝酸鏑等，在進食後具微毒性；不可溶鹽則無毒。從老鼠對氯化鏑的毒性反應估算，人類在進食 500 克以上的鏑可以致命。

## 參見

* 鑭系元素

## 參考資料

## 外部連結

* 元素鏑在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鏑（英文）
* 元素鏑在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鏑在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鏑（英文）
* It's Elemental – Dysprosium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）