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| ジスプロシウム | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 発音 | / d ɪ s ˈ p r oʊ z i ə m / ( dis- PROH -zee-əm ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 外観 | 銀白色 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Dy) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるジスプロシウム | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 66 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | f ブロック グループ(番号なし) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | fブロック | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ゼ] 4f 10 6s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、28、8、2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 1680 K (1407 °C、2565 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 2840 K (2562 °C、4653 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 8.550 g/cm3 [ 3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 8.37グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 11.06 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 280 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 27.7 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 0、[4] +1、+2、+3、+4（弱塩基性酸化物） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 1.22 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後178時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 192±7時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方最密充填（hcp）（hP2） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 565.01 pm （20℃）[3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | ポリ：9.9 µm/(m⋅K) ( rt ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 10.7 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | α, ポリ: 926 nΩ⋅m ( rt ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 300 Kで常磁性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | +103 500 × 10 −6 cm 3 /モル（293.2 K）[5] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 61.4 万気圧 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 24.7GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 40.5GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 2710 m/s (20 °C時) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.247 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ビッカース硬度 | 410～550MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 500～1050MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7429-91-6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | ルコック・ド・ボワボードラン（1886） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | ジョルジュ・ユルバン（1905） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ジスプロシウムの同位体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ジスプロシウムは化学元素で、記号 Dy、原子番号66を持ちます。ランタノイド系列の希土類元素で、金属的な銀色の光沢を持ちます。ジスプロシウムは自由元素として自然界に見つかることはありませんが、他のランタノイドと同様に、ゼノタイムなどのさまざまな鉱物に含まれています。天然のジスプロシウムは 7 つの同位体で構成されており、そのうち最も豊富なのは164 Dy です。
ジスプロシウムは1886年にポール・エミール・ルコック・ド・ボワボードランによって初めて特定されましたが、1950年代にイオン交換技術が開発されるまで、純粋な形で単離されることはありませんでした。ジスプロシウムは、他の化学元素で置き換えることができない用途が比較的少ないです。原子炉の制御棒を作る際に高い熱中性子吸収断面積が、また高い磁化率（χ v ≈ジスプロシウムは、データストレージ用途では5.44 × 10 −3 、磁気歪材料であるTerfenol-Dの成分としても使用されています。可溶性ジスプロシウム塩は軽度の毒性がありますが、不溶性塩は無毒であると考えられています。
特徴
物理的特性
ジスプロシウムは希土類元素であり、金属的な明るい銀色の光沢を持っています。非常に柔らかく、過熱を避ければ火花を出さずに機械加工することができます。ジスプロシウムの物理的特性は、少量の不純物によっても大きく影響を受ける可能性があります。[8]
ジスプロシウムとホルミウムは、元素の中で最も高い磁力を持ち、[9]特に低温でその強さが顕著です。[10]ジスプロシウムは、キュリー温度90.5 K (-182.7 °C)未満の温度では単純な強磁性秩序を示し、この時点で斜方晶構造から六方最密充填(hcp)構造への一次相転移を起こします。 [3]次に、特定の基底面層のすべての原子磁気モーメントが平行で、隣接する層のモーメントに対して一定の角度で配向しているらせん状の反強磁性状態になります。この異常な反強磁性は、179 K (-94 °C) で無秩序 (常磁性) 状態に変化します。[11] 1,654 K (1,381 °C) でhcp 相から体心立方相に変化します。 [3]
化学的性質
ジスプロシウム金属は乾燥した空気中では光沢を保ちますが、湿った空気中ではゆっくりと変色し、容易に燃えてジスプロシウム(III)酸化物を形成します。
- 4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3
ジスプロシウムは電気陽性であり、冷水とはゆっくりと反応し（温水とは急速に反応し）、ジスプロシウム水酸化物を形成します。
- 2 Dy (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Dy(OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
水酸化ジスプロシウムは高温で分解してDyO(OH)を形成し、その後再び酸化ジスプロシウム(III)に分解する。[12]
ジスプロシウム金属は200℃以上ですべてのハロゲンと激しく反応する：[引用が必要]
- 2Dy(s)+3F2 ( g)→2DyF3 ( s)[緑]
- 2 Dy (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 DyCl 3 (s) [白]
- 2 Dy (s) + 3 Br 2 (l) → 2 DyBr 3 (s) [白]
- 2 Dy (s) + 3 I 2 (g) → 2 DyI 3 (s) [緑]
ジスプロシウムは希硫酸に容易に溶解し、黄色のDy(III)イオンを含む溶液を形成し、[Dy(OH 2 ) 9 ] 3+錯体として存在する：[13]
- 2 Dy (秒) + 3 H 2 SO 4 (水溶液) → 2 Dy 3+ (水溶液) + 3 SO2−4
...(水溶液) + 3 H 2 (g)
得られた化合物である硫酸ジスプロシウム(III)は、顕著に常磁性を示します。
化合物
DyF 3や DyBr 3などのジスプロシウムハロゲン化物は黄色を帯びる傾向があります。ジスプロシウム酸化物はジスプロシアとも呼ばれ、鉄酸化物よりも強い磁性を持つ白色粉末です。 [10]
ジスプロシウムは高温で様々な非金属と化合し、様々な組成と酸化状態+3、時には+2の二元化合物を形成します。例えば、DyN、DyP、DyH 2、DyH 3、DyS、DyS 2 、Dy 2 S 3、Dy 5 S 7、DyB 2、DyB 4、DyB 6、DyB 12 、Dy 3 C、Dy 2 C 3などがあります。[14]
炭酸ジスプロシウムDy 2 (CO 3 ) 3と硫酸ジスプロシウムDy 2 (SO 4 ) 3 は、同様の反応で生成されます。[15]ほとんどのジスプロシウム化合物は水に溶けますが、炭酸ジスプロシウム四水和物（Dy 2 (CO 3 ) 3 ·4H 2 O）とシュウ酸ジスプロシウム十水和物（Dy 2 (C 2 O 4 ) 3 ·10H 2 O）はどちらも水に溶けません。[16] [17]最も豊富な炭酸ジスプロシウムのうちの2つ、Dy 2 (CO 3 ) 3 ·2–3H 2 O（鉱物テンゲライト-(Y)に類似）とDyCO 3 (OH)（鉱物コゾイト-(La)とコゾイト-(Nd)に類似）は、式Dy 2 (CO 3 ) 3 ·4H 2 Oの秩序性の低い（アモルファス）前駆体相を経て形成されることが知られています。このアモルファス前駆体は、直径10～20 nmの高度に水和した球状ナノ粒子で構成されており、常温および高温での乾燥処理下で非常に安定しています。[18]
ジスプロシウムはジスプロシウムスズ化物を含むいくつかの金属間化合物を形成する。[19]
同位体
天然のジスプロシウムは、156 Dy、158 Dy、160 Dy、161 Dy、162 Dy、163 Dy、164 Dyの7つの同位体で構成されています。これらはすべて安定していると考えられていますが、最後の2つだけが理論的に安定しており、他のものは理論的にはアルファ崩壊する可能性があります。天然の同位体のうち、164 Dyが最も豊富で28%、次に162 Dyが26%です。最も豊富でないのは156 Dyで0.06%です。[20]ジスプロシウムは、放射性であると予測される観測的に安定した同位体ではなく、安定であると予測される同位体を持つ最も重い元素です。
29種類の放射性同位体が合成されており、原子質量は138から173の範囲である。これらのうち最も安定しているのは154 Dyで、半減期は約3 × 10である。最も安定なの は138 Dyで、半減期は200ミリ秒です。一般に、安定同位体よりも軽い同位体は主にβ +崩壊によって崩壊する傾向があり、より重い同位体はβ −崩壊によって崩壊する傾向があります。ただし、 154 Dyは主にアルファ崩壊によって崩壊し、 152 Dyと159 Dyは主に電子捕獲によって崩壊します。 [20]ジスプロシウムには、原子量が140から165の範囲で少なくとも11の準安定異性体もあります。これらの中で最も安定しているのは165m Dyで、半減期は1.257分です。149Dyには2つの準安定異性体があり、2番目の149m2 Dyの半減期は28ナノ秒です。 [ 20]
歴史
1878年、エルビウム鉱石にホルミウムとツリウムの酸化物が含まれていることが発見された。フランスの化学者ポール・エミール・ルコック・ド・ボワボードランは、1886年にパリでホルミウム酸化物の研究中に、それからジスプロシウム酸化物を分離した。 [21] [22]彼がジスプロシウムを単離する手順は、ジスプロシウム酸化物を酸に溶かし、アンモニアを加えて水酸化物を沈殿させるというものだった。彼は30回以上この手順を試みて、ようやくジスプロシウムを酸化物から単離することができた。単離に成功した後、彼はその元素をギリシャ語の「入手困難」を意味するジスプロシトス(δυσπρόσιτος) にちなんでジスプロシウムと名付けた。この元素は、1950年代初頭にアイオワ州立大学のフランク・スペディングがイオン交換技術を開発するまで、比較的純粋な形で単離されることはなかった。[9] [23]
ジスプロシウムは風力タービンの永久磁石に使用されているため、再生可能エネルギーで動く世界では地政学的競争の主な対象の一つになるだろうと主張されてきた[誰が？ ]。しかし、この見方は、ほとんどの風力タービンが永久磁石を使用していないことを認識しておらず、生産拡大に対する経済的インセンティブの力を過小評価しているとして批判されてきた。[24] [25]
2021年にDyは2次元超固体量子気体に変換されました。[26]
発生
ジスプロシウムは自由元素として見つかることはないが、ゼノタイム、ファーガソン石、ガドリナイト、ユークセナイト、ポリクレース、ブロムストランディン、モナザイト、バストネサイトなど多くの鉱物に含まれており、エルビウムやホルミウムなどの希土類元素と共存していることが多い。ジスプロシウム優勢鉱物（つまり、組成においてジスプロシウムが他の希土類元素よりも優勢である鉱物）はまだ発見されていない。[27]
これらの高イットリウムバージョンでは、ジスプロシウムが重ランタノイドの中で最も豊富であり、濃縮物の7～8％を占めています（イットリウムの場合は約65％）。[28] [29]地殻中のDyの濃度は約5.2 mg/kg、海水中では0.9 ng/Lです。[14]
生産
ジスプロシウムは主にモナザイト砂から得られ、さまざまなリン酸塩の混合物です。この金属はイットリウムの商業的抽出の副産物として得られます。ジスプロシウムを分離する際には、不要な金属のほとんどを磁気または浮上プロセスで除去できます。その後、ジスプロシウムはイオン交換置換プロセスによって他の希土類金属から分離できます。結果として生じるジスプロシウムイオンは、フッ素または塩素と反応して、ジスプロシウムフッ化物 DyF 3またはジスプロシウム塩化物 DyCl 3を形成します。これらの化合物は、次の反応でカルシウムまたはリチウム金属を使用して還元できます。[15]
- 3 Ca + 2 DyF 3 → 2 Dy + 3 CaF 2
- 3 Li + DyCl 3 → Dy + 3 LiCl
これらの成分はタンタルるつぼに入れられ、ヘリウム雰囲気中で焼成される。反応が進むにつれて、生成したハロゲン化合物と溶融ジスプロシウムは密度の違いにより分離する。混合物が冷却されると、ジスプロシウムは不純物から切り離される。[15]
ジスプロシウムは毎年世界中で約100トン生産されており、[30]その99%は中国で生産されています。[31]ジスプロシウムの価格は、2003年の1ポンドあたり7ドルから、2010年後半には1ポンドあたり130ドルまで20倍近く上昇しました。[31]価格は2011年に1,400ドル/kgまで上昇しましたが、2015年には240ドルまで下落しました。これは主に、中国で政府の規制を回避した違法生産が原因です。[32]
現在、ジスプロシウムのほとんどは中国南部のイオン吸着粘土鉱石から採取されています。[33] 2018年11月現在、西オーストラリア州ホールズクリーク[アップデート]の南東160kmにあるブラウンズレンジプロジェクトのパイロットプラントは、年間50トン（49ロングトン）を生産しています。[34] [35]
米国エネルギー省によると、ジスプロシウムは、現在および将来的に幅広い用途に使用され、すぐに適切な代替品がないため、新興のクリーンエネルギー技術にとって最も重要な元素となっています。最も保守的な予測でも、2015年までにジスプロシウムが不足すると予測されています。[36] 2015年後半現在、オーストラリアでは希土類元素（ジスプロシウムを含む）の抽出産業が生まれつつあります。[37]
アプリケーション
ジスプロシウムは、バナジウムや他の元素と組み合わせて、レーザー材料や商用照明の製造に使用されています。ジスプロシウムは熱中性子吸収断面積が大きいため、ジスプロシウム酸化物ニッケルサーメットは原子炉の中性子吸収制御棒に使用されています。[9] [38]ジスプロシウム-カドミウムカルコゲニドは赤外線放射源であり、化学反応の研究に役立ちます。[8]ジスプロシウムとその化合物は磁化の影響を受けやすいため、ハードディスクなどのさまざまなデータストレージアプリケーションに使用されています。[39]ジスプロシウムは、電気自動車のモーターや風力タービン発電機に使用される永久磁石の需要が高まっています。[40]
ネオジム・鉄・ホウ素磁石では、ネオジムの最大6%をジスプロシウムで置き換えて保磁力を高めることができる[41]。これは、電気自動車の駆動モーターや風力タービンの発電機など、要求の厳しい用途に使用できる。この置き換えには、電気自動車1台あたり最大100グラムのジスプロシウムが必要となる。トヨタの年間生産台数200万台という予測に基づくと、このような用途でジスプロシウムを使用すると、すぐに供給量が枯渇するだろう。[42]ジスプロシウムの置き換えは、磁石の耐腐食性を向上させるため、他の用途にも役立つ可能性がある。[43]
ジスプロシウムは、鉄やテルビウムとともに、テルフェノールDの成分の一つです。テルフェノールDは、既知の材料の中で最も高い常温磁歪を有しており、 [44]トランスデューサー、広帯域機械共振器、[45]高精度液体燃料インジェクターに使用されています。 [46]
ジスプロシウムは電離放射線を測定するための線量計に使用されています。[47]硫酸カルシウムまたはフッ化カルシウムの結晶にジスプロシウムが添加されています。これらの結晶が放射線にさらされると、ジスプロシウム原子が励起され、発光します。発光を測定することで、線量計が受けた放射線の照射レベルを判定できます。[9]
ジスプロシウム化合物のナノファイバーは強度が高く、表面積が大きいため、他の材料の補強や触媒として使用できます。ジスプロシウム酸化物フッ化物の繊維は、DyBr 3と NaF の水溶液を 450 °C、450 barsで 17 時間加熱することで生成できます。この材料は驚くほど頑丈で、400 °C を超える温度のさまざまな水溶液中で 100 時間以上も再溶解や凝集することなく耐えることができます。[48] [49] [50]さらに、ジスプロシウムは実験室環境で 2 次元の超固体を作成するために使用されています。超固体は、超流動性などの異常な特性を示すことが期待されています。[51]
ジスプロシウムヨウ化物とジスプロシウム臭化物は、高輝度メタルハライドランプに使用されています。これらの化合物はランプの高温中心部付近で解離し、孤立したジスプロシウム原子を放出します。後者はスペクトルの緑と赤の部分で光を再放射し、効果的に明るい光を生み出します。[9] [52]
ジスプロシウムのいくつかの常磁性結晶塩（ジスプロシウムガリウムガーネット、DGG、ジスプロシウムアルミニウムガーネット、DAG、ジスプロシウム鉄ガーネット、DyIG）は、断熱消磁冷凍機に使用されています。[53] [54]
三価ジスプロシウムイオン（Dy 3+）は、そのダウンシフト発光特性のために研究されてきた。電磁スペクトルの紫外線領域で励起されたDyドープイットリウムアルミニウムガーネット（Dy:YAG）は、可視領域でより長い波長の光子を放出する。このアイデアは、新世代の紫外線励起白色発光ダイオードの基礎となっている。[55]
ジスプロシウムの安定同位体は、量子物理学の実験のためにレーザー冷却され、磁気光学トラップ[56]に閉じ込められている。開殻ランタニドの最初のボーズ量子縮退気体はジスプロシウムで生成された。[57] [58]ジスプロシウムは非常に磁性が高いため（実際、最も磁性の高いフェルミオン元素 であり、最も磁性の高いボソン原子としてはテルビウムとほぼ同数である[59]） 、このような気体は、強い双極子原子による量子シミュレーションの基礎として役立つ。[60]
ジスプロシウム合金は強力な磁性を持つため、海洋産業の音響航法・測距（ソナー）システムに使用されている。[61] [62]ソナーの トランスデューサーと受信機の設計にジスプロシウム合金を組み込むと、より安定した効率的な磁場が提供され、感度と精度が向上する。[63]
予防
多くの粉末と同様に、ジスプロシウム粉末は空気と混合した場合や発火源が存在する場合に爆発の危険を及ぼす可能性があります。この物質の薄い箔も火花や静電気によって発火する可能性があります。ジスプロシウムの火災は水で消火できません。水と反応して可燃性の水素ガスを生成する可能性があります。[64]塩化ジスプロシウムの火災は水で消火できます。[65]フッ化ジスプロシウムと酸化ジスプロシウムは不燃性です。[66] [67]硝酸ジスプロシウム Dy(NO 3 ) 3 は強力な酸化剤であり、有機物と接触すると容易に発火します。[10]
ジスプロシウム塩化物やジスプロシウム硝酸塩などの可溶性ジスプロシウム塩は、摂取すると軽度の毒性があります。ジスプロシウム塩化物のマウスに対する毒性に基づくと、500グラム以上を摂取すると人間にとって致命的となる可能性があると推定されています（ 100キログラムの人間に対する一般的な食卓塩300グラムの致死量を参照）。不溶性塩には毒性はありません。[9]
参考文献
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