El disprosio es el elemento químico con el símbolo Dy y el número atómico 66. Es un elemento de tierras raras con un brillo plateado metálico. El disprosio nunca se encuentra en la naturaleza como un elemento libre, aunque se encuentra en varios minerales, como la xenotima . El disprosio natural se compone de siete isótopos , el más abundante de los cuales es 164 Dy.
Disprosio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / D ɪ s p r oʊ z i ə m / | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | blanco plateado | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, estándar (Dy) | 162.500 (1) [1] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Disprosio en la tabla periódica | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 66 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | n / A | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque f | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Xe ] 4f 10 6s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 28, 8, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1680 K (1407 ° C, 2565 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 2840 K (2562 ° C, 4653 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 8.540 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 8,37 g / cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 11,06 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 280 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 27,7 J / (mol · K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | 0, [2] +1, +2, +3 , +4 (un óxido débilmente básico ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,22 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 178 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 192 ± 7 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de disprosio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | hexagonal compacto (hcp) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 2710 m / s (a 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | α, poli: 9,9 µm / (m⋅K) ( rt ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 10,7 W / (m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | α, poli: 926 nΩ⋅m ( rt ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético a 300 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | +103 500 × 10 −6 cm 3 / mol (293,2 K) [3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | Forma α: 61,4 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | Forma α: 24,7 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | Forma α: 40,5 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | forma α: 0,247 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 410–550 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 500-1050 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7429-91-6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Lecoq de Boisbaudran (1886) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Georges Urbain (1905) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales del disprosio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El disprosio fue identificado por primera vez en 1886 por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran , pero no se aisló en forma pura hasta el desarrollo de las técnicas de intercambio iónico en la década de 1950. El disprosio tiene relativamente pocas aplicaciones donde no puede ser reemplazado por otros elementos químicos. Se utiliza por su alta sección transversal de absorción de neutrones térmicos en la fabricación de barras de control en reactores nucleares , por su alta susceptibilidad magnética () en aplicaciones de almacenamiento de datos y como componente de Terfenol-D (un material magnetoestrictivo). Las sales de disprosio solubles son levemente tóxicas, mientras que las sales insolubles se consideran no tóxicas.
Caracteristicas
Propiedades físicas
El disprosio es un elemento de tierras raras y tiene un brillo plateado brillante metálico. Es bastante blando y se puede mecanizar sin chispas si se evita el sobrecalentamiento. Las características físicas del disprosio pueden verse muy afectadas incluso por pequeñas cantidades de impurezas. [4]
El disprosio y el holmio tienen las fuerzas magnéticas más altas de los elementos, [5] especialmente a bajas temperaturas. [6] El disprosio tiene un orden ferromagnético simple a temperaturas por debajo de 85 K (-188,2 ° C). Por encima de 85 K (−188,2 ° C), se convierte en un estado antiferromagnético helicoidal en el que todos los momentos atómicos en una capa del plano basal particular son paralelos y están orientados en un ángulo fijo a los momentos de las capas adyacentes. Este antiferromagnetismo inusual se transforma en un estado desordenado ( paramagnético ) a 179 K (-94 ° C). [7]
Propiedades químicas
El disprosio metálico conserva su brillo en el aire seco, sin embargo, se empañará lentamente en el aire húmedo y se quema fácilmente para formar óxido de disprosio (III) :
- 4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3
El disprosio es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría (y bastante rápido con agua caliente) para formar hidróxido de disprosio:
- 2 Dy (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Dy (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
El disprosio metálico reacciona vigorosamente con todos los halógenos por encima de 200 ° C:
- 2 Dy (s) + 3 F 2 (g) → 2 DyF 3 (s) [verde]
- 2 Dy (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 DyCl 3 (s) [blanco]
- 2 Dy (s) + 3 Br 2 (g) → 2 DyBr 3 (s) [blanco]
- 2 Dy (s) + 3 I 2 (g) → 2 DyI 3 (s) [verde]
El disprosio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen los iones amarillos Dy (III), que existen como un complejo [Dy (OH 2 ) 9 ] 3+ : [8]
- 2 Dy (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Dy 3+ (aq) + 3 SO2−
4(ac) + 3 H 2 (g)
El compuesto resultante, sulfato de disprosio (III), es notablemente paramagnético.
Compuestos
Los haluros de disprosio, como DyF 3 y DyBr 3 , tienden a adquirir un color amarillo. El óxido de disprosio , también conocido como disprosia, es un polvo blanco que es altamente magnético , más que el óxido de hierro. [6]
El disprosio se combina con varios no metales a altas temperaturas para formar compuestos binarios con composición y estados de oxidación variables +3 y, a veces, +2, como DyN, DyP, DyH 2 y DyH 3 ; DyS, DyS 2 , Dy 2 S 3 y Dy 5 S 7 ; DyB 2 , DyB 4 , DyB 6 y DyB 12 , así como Dy 3 C y Dy 2 C 3 . [9]
El carbonato de disprosio, Dy 2 (CO 3 ) 3 y el sulfato de disprosio, Dy 2 (SO 4 ) 3 , son el resultado de reacciones similares. [10] La mayoría de los compuestos de disprosio son solubles en agua, aunque el carbonato de disprosio tetrahidratado (Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O) y el oxalato de disprosio decahidratado (Dy 2 (C 2 O 4 ) 3 · 10H 2 O) son insolubles en agua. [11] [12] Dos de los carbonatos de disprosio más abundantes, Dy 2 (CO 3 ) 3 · 2–3H 2 O (similar al mineral tengerita- (Y)) y DyCO 3 (OH) (similar a los minerales kozoite - (La) y kozoíto- (Nd), se sabe que se forman a través de una fase precursora mal ordenada (amorfa) con una fórmula de Dy 2 (CO 3 ) 3 · 4H 2 O. Este precursor amorfo consta de nanopartículas esféricas altamente hidratadas de 10–20 nm de diámetro que son excepcionalmente estables bajo tratamiento seco a temperatura ambiente y alta. [13]
Isótopos
El disprosio natural se compone de siete isótopos : 156 Dy, 158 Dy, 160 Dy, 161 Dy, 162 Dy, 163 Dy y 164 Dy. Todos estos se consideran estables, aunque teóricamente 156 Dy puede sufrir desintegración alfa con una vida media de más de 1 × 10 18 años. De los isótopos naturales, 164 Dy es el más abundante con un 28%, seguido de 162 Dy con un 26%. El menos abundante es 156 Dy al 0,06%. [14]
También se han sintetizado 29 radioisótopos , que varían en masa atómica de 138 a 173. El más estable de estos es 154 Dy, con una vida media de aproximadamente 3 × 10 6 años, seguido de 159 Dy con una vida media de 144,4 días. El menos estable es 138 Dy, con una vida media de 200 ms. Como regla general, los isótopos que son más ligeros que los isótopos estables tienden a decaer principalmente por β + decaimiento, mientras que los que son más pesados tienden a decaer por β - caries . Sin embargo, 154 Dy decae principalmente por decaimiento alfa, y 152 Dy y 159 Dy decaen principalmente por captura de electrones . [14] El disprosio también tiene al menos 11 isómeros metaestables , que varían en masa atómica de 140 a 165. El más estable de estos es 165m Dy, que tiene una vida media de 1.257 minutos. 149 Dy tiene dos isómeros metaestables, el segundo de los cuales, 149m2 Dy, tiene una vida media de 28 ns. [14]
Historia
En 1878, se descubrió que los minerales de erbio contenían óxidos de holmio y tulio . El químico francés Paul Émile Lecoq de Boisbaudran , mientras trabajaba con óxido de holmio , separó el óxido de disprosio en París en 1886. [15] [16] Su procedimiento para aislar el disprosio consistió en disolver el óxido de disprosio en ácido y luego agregar amoníaco para precipitar el hidróxido. . Solo pudo aislar el disprosio de su óxido después de más de 30 intentos en su procedimiento. En tener éxito, nombró el elemento disprosio del griego dysprositos (δυσπρόσιτος), que significa "difícil de conseguir". El elemento no se aisló en forma relativamente pura hasta después del desarrollo de las técnicas de intercambio iónico por Frank Spedding en la Universidad Estatal de Iowa a principios de la década de 1950. [5] [17]
Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para turbinas eólicas, se ha argumentado que el disprosio será uno de los principales objetos de competencia geopolítica en un mundo que funciona con energías renovables. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas no utilizan imanes permanentes y por subestimar el poder de los incentivos económicos para expandir la producción. [18] [19]
Ocurrencia
Si bien el disprosio nunca se encuentra como un elemento libre, se encuentra en muchos minerales , como xenotima , fergusonita , gadolinita , euxenita , policrasa , blomstrandina , monacita y bastnäsita , a menudo con erbio y holmio u otros elementos de tierras raras. Todavía no se ha encontrado ningún mineral dominante de disprosio (es decir, con disprosio predominando sobre otras tierras raras en la composición). [20]
En la versión con alto contenido de itrio de estos, el disprosio es el más abundante de los lantánidos pesados , y comprende hasta un 7-8% del concentrado (en comparación con aproximadamente el 65% del itrio). [21] [22] La concentración de Dy en la corteza terrestre es de aproximadamente 5,2 mg / kg y en el agua de mar de 0,9 ng / L. [9]
Producción
El disprosio se obtiene principalmente de arena de monacita , una mezcla de varios fosfatos . El metal se obtiene como subproducto de la extracción comercial de itrio. Al aislar el disprosio, la mayoría de los metales no deseados se pueden eliminar magnéticamente o mediante un proceso de flotación . El disprosio se puede separar de otros metales de tierras raras mediante un proceso de desplazamiento de intercambio iónico . Los iones de disprosio resultantes pueden reaccionar entonces con flúor o con cloro para formar fluoruro de disprosio, DyF 3 , o cloruro de disprosio, DyCl 3 . Estos compuestos pueden reducirse utilizando calcio o metales de litio en las siguientes reacciones: [10]
- 3 Ca + 2 DyF 3 → 2 Dy + 3 CaF 2
- 3 Li + DyCl 3 → Dy + 3 LiCl
Los componentes se colocan en un crisol de tantalio y se cuecen en una atmósfera de helio . A medida que avanza la reacción, los compuestos de haluro resultantes y el disprosio fundido se separan debido a las diferencias de densidad. Cuando la mezcla se enfría, el disprosio se puede eliminar de las impurezas. [10]
Cada año se producen alrededor de 100 toneladas de disprosio en todo el mundo, [23] y el 99% de ese total se produce en China. [24] Los precios del disprosio se han multiplicado casi por veinte, de 7 dólares la libra en 2003 a 130 dólares la libra a finales de 2010. [24] El precio aumentó a 1.400 dólares / kg en 2011, pero cayó a 240 dólares en 2015, en gran parte debido a la producción ilegal en China que eludió las restricciones gubernamentales. [25]
Actualmente, la mayor parte del disprosio se obtiene de los minerales arcillosos por adsorción de iones del sur de China. [26] A noviembre de 2018[actualizar]la planta piloto del Proyecto Browns Range, a 160 km al sureste de Halls Creek, Australia Occidental, está produciendo 50 toneladas (49 toneladas largas) por año. [27] [28]
Según el Departamento de Energía de los Estados Unidos , la amplia gama de sus usos actuales y proyectados, junto con la falta de un reemplazo inmediatamente adecuado, hace que el disprosio sea el elemento más crítico para las tecnologías emergentes de energía limpia, incluso sus proyecciones más conservadoras predicen un déficit. de disprosio antes de 2015. [29] A finales de 2015, existe una incipiente industria de extracción de tierras raras (incluido el disprosio) en Australia. [30]
Aplicaciones
El disprosio se utiliza, junto con el vanadio y otros elementos, en la fabricación de materiales láser e iluminación comercial. Debido a la alta de disprosio de neutrones térmicos sección transversal de absorción, disprosio-óxido de níquel cermets se utilizan en absorbente de neutrones barras de control en los reactores nucleares . [5] [31] Los calcogenuros de disprosio- cadmio son fuentes de radiación infrarroja , que es útil para estudiar reacciones químicas. [4] Debido a que el disprosio y sus compuestos son altamente susceptibles a la magnetización, se emplean en varias aplicaciones de almacenamiento de datos, como en discos duros . [32] El disprosio tiene una demanda cada vez mayor para los imanes permanentes que se utilizan en los motores de los coches eléctricos y los generadores de turbinas eólicas. [33]
Los imanes de neodimio -hierro-boro pueden tener hasta un 6% del neodimio sustituido por disprosio [34] para aumentar la coercitividad para aplicaciones exigentes, como motores de accionamiento para vehículos eléctricos y generadores para turbinas eólicas. Esta sustitución requeriría hasta 100 gramos de disprosio por automóvil eléctrico producido. Según las proyecciones de Toyota de 2 millones de unidades por año, el uso de disprosio en aplicaciones como esta agotaría rápidamente su suministro disponible. [35] La sustitución de disprosio también puede ser útil en otras aplicaciones porque mejora la resistencia a la corrosión de los imanes. [36]
El disprosio es uno de los componentes del terfenol-D , junto con el hierro y el terbio. Terfenol-D tiene la más alta temperatura ambiente magnetostricción de cualquier material conocido, [37] que se emplea en los transductores , en toda la banda de resonadores mecánicos , [38] y los inyectores de combustible líquido de alta precisión. [39]
El disprosio se utiliza en dosímetros para medir la radiación ionizante . Los cristales de sulfato de calcio o fluoruro de calcio se dopan con disprosio. Cuando estos cristales se exponen a la radiación, los átomos de disprosio se excitan y se vuelven luminiscentes . La luminiscencia se puede medir para determinar el grado de exposición al que se ha sometido el dosímetro. [5]
Las nanofibras de compuestos de disprosio tienen una alta resistencia y una gran superficie. Por tanto, pueden utilizarse para reforzar otros materiales y actuar como catalizador. Se pueden producir fibras de fluoruro de óxido de disprosio calentando una solución acuosa de DyBr 3 y NaF a 450 ° C a 450 bares durante 17 horas. Este material es extraordinariamente robusto y sobrevive más de 100 horas en diversas soluciones acuosas a temperaturas superiores a 400 ° C sin volver a disolverse ni agregarse. [40] [41] [42]
El yoduro de disprosio y el bromuro de disprosio se utilizan en lámparas de halogenuros metálicos de alta intensidad . Estos compuestos se disocian cerca del centro caliente de la lámpara, liberando átomos de disprosio aislados. Este último vuelve a emitir luz en la parte verde y roja del espectro, produciendo así efectivamente luz brillante. [5] [43]
Varias sales de cristales paramagnéticos de disprosio (granate disprosio galio, DGG; granate disprosio aluminio, DAG; granate disprosio hierro, DyIG) se utilizan en refrigeradores de desmagnetización adiabática . [44] [45]
El ion disprosio trivalente (Dy 3+ ) se ha estudiado debido a sus propiedades de luminiscencia reductora. El granate de itrio aluminio dopado con Dy ( Dy: YAG ) excitado en la región ultravioleta del espectro electromagnético da como resultado la emisión de fotones de longitud de onda más larga en la región visible. Esta idea es la base de una nueva generación de diodos emisores de luz blanca bombeados por rayos ultravioleta. [46]
Precauciones
Como muchos polvos, el polvo de disprosio puede presentar un riesgo de explosión cuando se mezcla con aire y cuando hay una fuente de ignición presente. Las láminas delgadas de la sustancia también pueden encenderse por chispas o por electricidad estática . Los fuegos de disprosio no se pueden extinguir con agua. Puede reaccionar con el agua para producir gas hidrógeno inflamable . [47] Los incendios de cloruro de disprosio se pueden extinguir con agua. [48] El fluoruro de disprosio y el óxido de disprosio no son inflamables. [49] [50] El nitrato de disprosio, Dy (NO 3 ) 3 , es un agente oxidante fuerte y se enciende fácilmente en contacto con sustancias orgánicas. [6]
Las sales solubles de disprosio, como el cloruro de disprosio y el nitrato de disprosio, son levemente tóxicas cuando se ingieren. Con base en la toxicidad del cloruro de disprosio para los ratones , se estima que la ingestión de 500 gramos o más podría ser fatal para un ser humano. Las sales insolubles no son tóxicas. [5]
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enlaces externos
- Es elemental - disprosio