Dysproz (łac. dysprosium), Dy – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 66, jeden z metali ziem rzadkich. W przyrodzie nie występuje w postaci wolnej, ale najczęściej jako dodatkowy składnik minerału ksenotymu. Naturalnie występujący dysproz zawiera 7 izotopów, spośród których najbardziej rozpowszechniony jest ¹⁶⁴Dy. Dysproz został odkryty w 1886 roku przez Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, lecz po raz pierwszy w czystej postaci został otrzymany dopiero w latach 50. XX wieku za pomocą wymiany jonowej. Ze względu na swój przekrój czynny używany jest do produkcji prętów kontrolnych w reaktorach jądrowych, a ze względu na swoją wysoką podatność magnetyczną na magnetyzację w urządzeniach do przechowywania danych jako składnik stopu Terfenol-D. Rozpuszczalne sole dysprozu są lekko toksyczne, natomiast nierozpuszczalne sole uważane są za nietoksyczne.

Historia odkrycia

W 1878 odkryto, że rudy erbu zawierają tlenki holmu i tulu. Francuski chemik Paul Émile Lecoq de Boisbaudran podczas swojej pracy w Paryżu w 1886 nad tlenkiem holmu zdołał wyodrębnić tlenek dysprozu^[4]. Jego procedura do wyizolowania dysprozu wymagała rozpuszczania tlenku dysprozu w kwasie, następnie dodawania amoniaku w celu strącenia wodorotlenku. Wyizolowanie dysprozu w ten sposób wymagało jedynie trzydziestu powtórzeń powyższej procedury. Zanim udało mu się uzyskać dysproz nazwał go dysprositos ((gr.) δυσπρόσιτος), co znaczy „trudny do otrzymania”. Jednakże pierwiastek nie został wyizolowany w dostatecznie czystej formie, aż do wczesnych lat 50. XX wieku, kiedy została rozwinięta technika wymiany jonowej przez Franka Speddinga z Iowa State University.

Właściwości

Właściwości fizyczne

Dysproz jest metalem ziem rzadkich o metalicznym, srebrzystym połysku. Jest na tyle miękki, że można kroić go nożem i łatwo poddaje się obróbce mechanicznej. Właściwości fizyczne dysprozu w bardzo dużej mierze zależą nawet od niewielkich ilości zanieczyszczeń (domieszek). W temperaturze poniżej 85 K dysproz jest ferromagnetykiem, powyżej tej temperatury staje się antyferromagnetykiem, by w temperaturze 179 K stać się paramagnetykiem^[5].

Właściwości chemiczne

Świeża powierzchnia metalu w warunkach normalnych powoli matowieje tworząc tlenek dysprozu(III):

4 Dy + 3 O₂ → 2 Dy₂O₃

Dysproz jest elektrododatni i reaguje powoli z zimną wodą, a szybciej z gorącą, tworząc wodorotlenek dysprozu(III):

2 Dy _(s) + 6 H₂O_(l) → 2 Dy(OH)_3(aq) + 3 H_2(g)

Metaliczny dysproz z łatwością reaguje ze wszystkimi chlorowcami w temperaturze powyżej 200 °C:

2 Dy_(s) + 3 F_2(g) → 2 DyF_3(s)   (zielony)

2 Dy_(s) + 3 Cl_2(g) → 2 DyCl_3(s) (biały)

2 Dy_(s) + 3 Br_2(g) → 2 DyBr_3(s) (biały)

2 Dy_(s) + 3 I_2(g) → 2 DyI_3(s)    (zielony)

Dysproz z łatwością roztwarza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym tworząc roztwór o żółtej barwie, zawierający jony Dy³⁺ w postaci kompleksu [Dy(OH₂)₉]^3+[6]:

2 Dy_(s) + 3 H₂SO_4(aq) → 2 Dy³⁺_(aq) + 3 SO2−4_(aq) + 3 H_2(g)

Związki chemiczne

Halogenki dysprozu, takie jak DyF₃ czy DyBr₃, na ogół przybierają żółtą barwę. Tlenek dysprozu(III) jest białym proszkiem, który posiada silniejsze właściwości magnetyczne niż tlenki żelaza. Dysproz w wysokich temperaturach reaguje z niemetalami, tworząc związki dwuskładnikowe o zmiennym składzie, najczęściej o +3 stopniu utlenienia, rzadziej na +2. Tego typu znane są związki jak: DyN, DyP, DyH₂, DyH₃, DyS, DyS₂, Dy₂S₃, Dy₅S₇, DyB₂, DyB₄, DyB₆, DyB₁₂, Dy₃C i Dy₂C₃. Większość związków dysprozu jest rozpuszczalnych w wodzie, jednakże związki jak tetrahydrat węglanu dysprozu(III) (Dy₂(CO₃)₃·4H₂O) i dekahydrat szczawianu dysprozu(III) (Dy₂(C₂O₄)₃·10H₂O) są nierozpuszczalne w wodzie^[7][8].

Izotopy

Występujący w przyrodzie dysproz składa się z 7 izotopów:¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶¹Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶³Dy, i ¹⁶⁴Dy. Wszystkie wymienione są uważane za stabilne, chociaż ¹⁵⁶Dy rozpada się poprzez rozpad alfa o czasie połowicznego rozpadu T_1/2 ponad 1×10¹⁸  lat. Spośród naturalnie występujących izotopów ¹⁶⁴Dy jest najbardziej rozpowszechnionym o zawartości izotopu w metalu około 28%, następnie ¹⁶²Dy o zawartości 26%. Najmniej rozpowszechnionym jest ¹⁵⁶Dy – tylko 0,06%^[9].

Sztucznie otrzymano 29 radioizotopów o masach w przedziale od 138 do 173. Najstabilniejszym spośród nich jest ¹⁵⁴Dy o T_1/2 w przybliżeniu 3×10⁶ lat, następnie ¹⁵⁹Dy o T_1/2=144 dni. Najmniej stabilnym radioizotopem jest ¹³⁸Dy o T_1/2=200 ms. Izotopy, które są lżejsze od stabilnych izotopów, mają tendencję do ulegania rozpadowi β⁺, podczas gdy cięższe częściej, z pewnymi wyjątkami, będą ulegały rozpadowi β⁻. ¹⁵⁴Dy rozpada się przede wszystkim na skutek rozpadu alfa, a ¹⁵²Dy i ¹⁵⁹Dy na skutek wychwytu elektronu^[9]. Dysproz posiada również przynajmniej 11 metastabilnych izomerów jądrowych, w zakresie mas od 140 do 165. Najstabilniejszym spośród nich jest ^165mDy o T_1/2=1,257 min. ¹⁴⁹Dy posiada dwa stany wzbudzeń, z których drugi, ^149m2Dy o czasie połowicznego rozpadu, który jest równy 28 ns^[9].

Występowanie

Dysproz nigdy nie jest spotykany w stanie wolnym, ale może być znaleziony w wielu minerałach, wliczając w to ksenotym, fergusonit, gadolinit, euksenit, polikraz, eszynit-(Y), monacyt i bastnazyt. Często występuje wraz z erbem, holmem i innymi metalami ziem rzadkich. Obecnie, najwięcej dysprozu jest uzyskiwane z adsorbujących jony złóż gliny w południowych Chinach^[10]. W glinach zawierających duże ilości itru dysproz jest rozpowszechnionym spośród ciężkich lantanowców, stanowiąc 7-8% koncentratu (itr stanowi odpowiednio 65% koncentratu)^[11][12]. Zawartość dysprozu w skorupie ziemskiej wynosi około 5,2 mg/kg, a w wodzie morskiej 0,9 ng/L^[13].

Otrzymywanie

Dysproz jest otrzymywany głównie z piasku monacytowego, będącego mieszaniną różnych fosforanów, jako produkt uboczny produkcji itru. Większość niepożądanych metali w surowym produkcie może być usunięta magnetycznie lub poprzez flotację. Dysproz również może być oddzielony od innych metali ziem rzadkich na drodze wymiany jonowej i w wyniku reakcji z fluorem lub chlorem wyizolowany w postaci fluorku lub chlorku dysprozu(III). Związki te mogą być zredukowane do wolnego metalu przy użyciu metalicznego wapnia lub litu^[14]:

3 Ca + 2 DyF₃ → 2 Dy + 3 CaF₂

3 Li + DyCl₃ → Dy + 3 LiCl

Związki są umieszczane w tantalowym tyglu i wypalane w atmosferze helu. Podczas zachodzenia reakcji, powstające halogenki i stopiony dysproz rozdzielają się z powodu różnicy gęstości. Dysproz może być oddzielony od zanieczyszczeń podczas ochładzania mieszaniny^[14].

Rocznie na świecie otrzymuje się około 100 ton dysprozu^[15], z czym 99% otrzymywanych jest w Chinach^[16]. Cena dysprozu w okresie 2003–2010 wzrosła ponad 20-krotnie^[17]. W maju 2011 cena metalicznego dysprozu sięgała około 1000$ za kilogram^[18].

Zastosowanie

Dysproz jest używany w połączeniu z wanadem, jak i innymi pierwiastkami ziem rzadkich, do wytwarzania materiałów używanych do produkcji laserów^[19]. Ze względu na wysoki przekrój czynny absorpcji neutronów termicznych przez dysproz (270 000 fm²^[20]), wykorzystywany jest jako detektor neutronów, a jego związki, jak cermety typu tlenek dysprozu-nikiel, są wykorzystywane w absorbujących neutrony prętach kontrolnych w reaktorach jądrowych^[21]. Chalkogenki dysprozowo-kadmowe są źródłem promieniowania podczerwonego, co jest wykorzystywane w badaniach nad reakcjami chemicznymi^[8]. Ze względu na wysoką podatność dysprozu i jego związków na magnetyzację, jest on wykorzystywany w magazynowaniu danych, głównie w twardych dyskach^[22].
W magnesach neodymowo-żelazo-borowych można mieć 6% neodymu zastąpić dysprozem^[23], aby podnieść koercję dla wymagających zastosowań, jak silniki napędowe dla elektrycznych pojazdów hybrydowych. Ta zamiana wymagałaby ok. 100 g dysprozu na każdy wyprodukowany samochód. Opierając się na przewidywanej produkcji Toyoty na poziomie 2 mln sztuk rocznie, użycie dysprozu w takich zastosowaniach szybko wyczerpie zasoby tego metalu^[24]. Zastępowanie neodymu dysprozem może mieć jeszcze inne użyteczne zastosowania ze względu na poprawę odporności magnesów na korozję^[25].
Dysproz jest jednym ze składników terfenolu-D. Stop znalazł zastosowanie m.in. w przetwornikach i szerokopasmowych rezonatorach mechanicznych^[26].

Uwagi