ジスプロシウム

ジスプロシウム、  66 Dy
ジスプロシウム
発音/ d ɪ ˈ s p r oʊ z i ə m / ⓘ ​( dih- SPROH -zee-əm )
外観銀白色
標準原子量 A r °(Dy)
  • 162.500 ± 0.001 [1]
  • 162.50 ± 0.01  （要約）[2]
周期表におけるジスプロシウム
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
–
↑
Dy
↓
Cf
テルビウム←ジスプロシウム→ホルミウム
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6期
ブロック  fブロック
電子配置[ Xe ] 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 位相固体
融点1680  K (1407 °C、2565 °F)
沸点2840 K (2562 °C、4653 °F)
密度（20℃）8.550 g/cm 3  [3]
液体の場合（  mp）8.37 g/cm 3
融解熱11.06  kJ/モル
蒸発熱280 kJ/モル
モル熱容量27.7 J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 13781523（1704年）（1954年）（2304）（2831）
原子の性質
酸化状態共通: +3
0, [4] +2, [5] +4 [5]
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
  • 1位: 573.0 kJ/mol
  • 2番目: 1130 kJ/モル
  • 3番目: 2200 kJ/mol
原子半径経験的: 午後178時
共有結合半径192±7時
スペクトル範囲における色の線
ジスプロシウムのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造六方最密充填（hcp）（hP2）
格子定数
ジスプロシウムの六方最密充填結晶構造
a  = 359.16 pm
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 /mol (293.2 K) [6]
ヤング率61.4 GPa
せん断弾性率24.7 GPa
体積弾性率40.5 GPa
音速の 細い棒2710 m/s（20℃）
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
ネーミングギリシャ語のδυσπρόσιτοςにちなんで、分離に30回の試行が必要なことから「入手困難」を意味する
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
主な同位体[7]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
154 Dyシンセ1.40 × 10 6 年[8]α150 Gd
156 Dy0.056%安定した
158 Dy0.095%安定した
159 Dyシンセ144.4日ε159テラバイト
160 Dy2.33%安定した
161 Dy18.9%安定した
162 Dy25.5%安定した
163 Dy24.9%安定した
164 Dy28.3%安定した
165 Dyシンセ2.332時間β −165ホ
166 Dyシンセ3.40日β −166ホ
 カテゴリー: ジスプロシウム
|参照

ジスプロシウムは化学元素であり、記号 Dy、原子番号66で表されます。ランタノイド系列に属する希土類元素で、金属的な銀光沢を持ちます。ジスプロシウムは自然界では単体で存在することはなく、他のランタノイドと同様に、ゼノタイムなどの様々な鉱物に含まれています。天然に存在するジスプロシウムは7つの同位体で構成されており、その中で最も豊富なのは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同定されましたが、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、電気自動車のモーターや風力タービンの効率的な運転に不可欠なネオジム・鉄・ホウ素（NdFeB）磁石の製造に使用されています。 [9]ジスプロシウムは、その高い熱中性子吸収断面積を利用して原子炉の制御棒を製造したり、その高い磁化率（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程度、磁気歪材​​料であるテルフェノールDの成分としても利用されています。可溶性ジスプロシウム塩は軽度の毒性がありますが、不溶性ジスプロシウム塩は無毒性であると考えられています。

特徴

物理的特性

ジスプロシウムサンプル

ジスプロシウムは希土類元素であり、金属的な明るい銀光沢を呈する。柔らかく、過熱を避ければ火花を散らすことなく機械加工できる。ジスプロシウムの物理的特性は、微量の不純物によっても大きく影響を受ける可能性がある。[10]

ジスプロシウムとホルミウムは、元素の中で最も高い磁気強度を持ち、[11]特に低温でその強さが顕著です。[12]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、この時点で斜方晶系から六方最密充填(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になり、隣接する層のモーメントに対して一定の角度で配向されたらせん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。[13]ジスプロシウムは、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、湿った空気中では徐々に変色します。容易に燃焼してジスプロシウム(III)酸化物を形成します。

4 Dy + 3 O 2 → 2 Dy 2 O 3

ジスプロシウムは非常に電気陽性であり、冷水とはゆっくりと反応し（温水とは急速に反応し）、水酸化ジスプロシウムを形成します。

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、その後再び分解して酸化ジスプロシウム(III)となる。[14]

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：[15]

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、硫酸ジスプロシウム(III)は顕著に常磁性である。

化合物

硫酸ジスプロシウム、Dy 2 (SO 4 ) 3

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呈する傾向があります。ジスプロシウム酸化物（ジスプロシアとも呼ばれる）は、鉄酸化物よりも強い磁性を持つ白色粉末です。 [12]

ジスプロシウムは高温で様々な非金属と化合し、さまざまな組成と酸化状態+3または+2の二元化合物を形成します。例として、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。[16]

炭酸ジスプロシウムDy2 ( CO3 ) 3と硫酸ジスプロシウムDy2 ( SO4 ) 3は、同様の反応で生成される。[17]ほとんどのジスプロシウム化合物は水に溶けるが、炭酸ジスプロシウム四水和物(Dy2 ( CO3 ) 3・4H2O )とシュウ酸ジスプロシウム十水和物(Dy2 ( C2O4 ) 3・10H2O )はどちらも水に溶けない。[18] [19]最も豊富な炭酸ジスプロシウムのうちの2つ、Dy2 ( CO3 ) 3 · 2–3H2O（鉱物テンゲライト-(Y)に類似）とDyCO3(OH)（鉱物コゾイト-(La)とコゾイト-(Nd)に類似）は、化学式Dy2(CO3)3·4H2Oの秩序性の低い（非晶質）前駆体相を経て形成されることが知られている。この非晶質前駆体は、直径10～ 20nm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る。[20]

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。[21]

同位体

天然に存在するジスプロシウムは、 7つの同位体、すなわち156 Dy、158 Dy、160 Dy、161 Dy、162 Dy、163 Dy、164 Dy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、理論的に安定しているのは最後の2つだけです。その他の同位体は理論的にアルファ崩壊を起こす可能性があります。天然に存在する同位体の中で、164 Dyが最も多く28%、次いで162 Dyが26%です。最も稀少なのは156 Dyで0.06%です。[7]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だけでなく、理論的に安定した同位体を持つ最も重い元素です。

原子量138から173までの29の放射性同位体が合成されている。最も安定しているのは154 Dyで、半減期は1.40 × 10である。6 年で崩壊し、続いて半減期が144.4日の159 Dyが続く。一般的に、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るが、 154 Dyはアルファ崩壊によって、 152 Dyと159 Dyは電子捕獲崩壊によってのみ崩壊する。一方、より重い同位体はβ崩壊によって崩壊する傾向がある。 [7]ジスプロシウムには、原子量が140から165の範囲にある少なくとも11の準安定異性体が存在する。これらの中で最も安定なのは165m Dyで、半減期は1.257分である。

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ました。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年にパリで酸化ホルミウムの研究をしながら、そこから酸化ジスプロシウムを分離しました。 [22] [23]彼のジスプロシウム単離法は、酸化ジスプロシウムを酸に溶解し、アンモニアを加えて水酸化物を沈殿させるというものでした。彼は30回以上の試行錯誤を経て、ようやく酸化物からジスプロシウムを単離することができました。分離に成功した彼は、ギリシャ語で「入手困難」を意味するジスプロシトス（δυσπρόσιτος）にちなんで、この元素をジスプロシウムと名付けました。この元素が比較的純粋な形で単離されるようになったのは、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した後のことでした。 [11] [24]

風力タービンに用いられる永久磁石にジスプロシウムが利用されていることから、再生可能エネルギーで稼働する世界において、ジスプロシウムは地政学的競争の主要な標的の一つとなるだろうと主張されてきた（誰が主張したのか？）。しかし、この見解は、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いる。[25] [26]

2011年に、 Dy原子のボーズ・アインシュタイン凝縮が初めて得られました。[27]

2021年にDyは2次元超固体量子気体に変換されました。[28]

発生

ゼノタイム

ジスプロシウムは自由元素として発見されることはありませんが、ゼノタイム、ファーガソナイト、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、多くの鉱物中に存在し、エルビウム、ホルミウム、その他の希土類元素と共存することがよくあります。ジスプロシウムが主成分の鉱物（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な鉱物）はまだ発見されていません。[29]

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に存在し、濃縮物の最大7～8％を占めます（イットリウムの場合は約65％）。[30] [31]地殻中のジスプロシウムの濃度は約5.2 mg/kg、海水中では0.9 ng/Lです。[16]

生産

ジスプロシウムは、主にモナザイト砂（様々なリン酸塩の混合物）から得られます。この金属は、イットリウムの商業的抽出における副産物として得られます。ジスプロシウムの分離では、不要な金属の大部分を磁気的または浮選法によって除去できます。その後、ジスプロシウムはイオン交換置換法によって他の希土類金属から分離されます。得られたジスプロシウムイオンは、フッ素または塩素と反応して、フッ化ジスプロシウム（DyF 3）または塩化ジスプロシウム（DyCl 3 ）を形成します。これらの化合物は、以下の反応においてカルシウムまたはリチウム金属を用いて還元することができます。 [17]

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、ヘリウム雰囲気下で焼成されます。反応が進むにつれて、生成され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します。混合物を冷却すると、ジスプロシウムは不純物から分離されます。[17]

2021年には世界で約3100トンのジスプロシウムが生産され、そのうち40%が中国、31%がミャンマー、20%がオーストラリアで生産されました。[32]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、[33] 2011年には1kgあたり1,400ドル、そして2015年には240ドルまで上昇しました。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。[34] 2025年4月現在、価格は1kgあたり約203米ドルです。[35]

現在、ジスプロシウムの大部分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。[36] 2018年11月現在、西オーストラリア州ホールズクリークの南東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。[37] [38]

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利用される一方で、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る。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る。[39] 2015年10月現在、オーストラリアでは希土類元素（ジスプロシウムを含む）の抽出産業が芽生えつつある。[40]

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。[11] [41]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、化学反応の研究に有用です。[10]ジスプロシウムとその化合物は磁化されやすいため、ハードディスクなどの様々なデータストレージ用途に使用されています。[42]ジスプロシウムは、電気自動車のモーター[43]や風力発電機[44]に使用される永久磁石として需要が高まっています。

ネオジム・鉄・ホウ素磁石は、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おいて保磁力を高めるため、ネオジムの最大6%をジスプロシウムで置換することができる[45] 。この置換には、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、このような用途にジスプロシウムを使用すると、すぐに供給量が枯渇してしまうだろう[46] 。ジスプロシウム置換は、磁石の耐食性を向上させるため、他の用途にも有用である可能性がある[47] 。

ジスプロシウムは、鉄と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室温磁歪特性を有しており[48] 、トランスデューサー、広帯域機械共振器[49]、高精度液体燃料インジェクター[50]などに利用されています。

ジスプロシウムは電離放射線を測定する線量計に用いられます。[51]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。この発光を測定することで、線量計が受けた放射線の照射量を測定することができます。[11]

ジスプロシウム化合物のナノファイバーは、高い強度と大きな表面積を有するため、他の材料の強化や触媒としての利用が期待されます。ジスプロシウム酸化物フッ化物のファイバーは、DyBr 3とNaFの水溶液を450℃、450 バールで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堅牢で、400℃を超える温度の様々な水溶液中で100時間以上も再溶解や凝集を起こさずに耐えることができます。[52] [53] [54]さらに、ジスプロシウムは実験室環境で二次元超固体を生成するために使用されています。超固体は、超流動性を含む特異な特性を示すことが期待されています。[55]

高輝度メタルハライドランプには、ヨウ化ジスプロシウムと臭化ジスプロシウムが使用されています。これらの化合物はランプの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領域で光を再放射し、効果的に明るい光を生み出します。[11] [56]

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、断熱消磁冷蔵庫に使用されています。[57] [58]

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から研究されてきた。Dyドープイットリウムアルミニウムガーネット（Dy:YAG）は、電磁スペクトルの紫外線領域で励起され、可視領域においてより長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。[59]

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[60]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、ジスプロシウムによって生成された[61] [62] 。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[63]） 、このような気体は、強双極子原子を用いた量子シミュレーションの基礎となる。[64]

ジスプロシウム合金は、その強い磁気特性により、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。[65] [66]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ことで、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。[67]

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、また発火源が存在する場合、爆発の危険性を呈する可能性がある。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る。ジスプロシウムの火災は水で消火できない。水と反応して可燃性の水素ガスを生成する可能性がある。[68] 塩化ジスプロシウムの火災は水で消火できる。[69] 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ある。[70] [71] 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する。[12]

塩化ジスプロシウムや硝酸ジスプロシウム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を示します。塩化ジスプロシウムのマウスに対する毒性に基づくと、500グラム以上摂取するとヒトにとって致死的となる可能性があると推定されています（体重100キログラムのヒトの場合、一般的な食塩300グラムの致死量を参照）。不溶性塩は無毒です。[11]

参考文献

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