Disprosi

El disprosi és un element químic de la taula periòdica el símbol del qual és Dy i el seu nombre atòmic és 66. Pertany a la sèrie dels lantanoides. És un metall prou tou per a poder ser tallat amb un ganivet, dúctil i mal·leable, de lluïssor metàl·lica argentada. S'empra en la fabricació d'imants per a discs durs d'ordinadors i altres dispositius, en aliatges com el terfenol-D d'elevada magnetoresistència, per absorbir neutrons als reactors nuclears i en la fabricació de làmpades halògenes.

Disprosi
66Dy
terbi ← disprosi → holmi - ↑ Dy ↓ Cf Taula periòdica
Aspecte
Blanc platejat Línies espectrals del disprosi
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Disprosi, Dy, 66
Categoria d'elements	Lantànids
Grup, període, bloc	n/d, 6, f
Pes atòmic estàndard	162,500
Configuració electrònica	[Xe] 4f10 6s2 2, 8, 18, 28, 8, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	8,540 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	8,37 g·cm−3
Punt de fusió	1.680 K, 1.407 °C
Punt d'ebullició	2.840 K, 2.562 °C
Entalpia de fusió	11,06 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	280 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	27,7 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 1.378 1.523 (1.704) (1.954) (2.304) (2.831)
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	3, 2, 1 (òxid bàsic feble)
Electronegativitat	1,22 (escala de Pauling)
Energies d'ionització	1a: 573,0 kJ·mol−1
	2a: 1.130 kJ·mol−1
	3a: 2.200 kJ·mol−1
Radi atòmic	178 pm
Radi covalent	192±7 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Ordenació magnètica	Paramagnètic a 300 K
Resistivitat elèctrica	(t, a,) (α. poli) 926 nΩ·m
Conductivitat tèrmica	10,7 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(t, a,) (α. poli) 9,9 µm/(m·K)
Velocitat del so (barra prima)	(20 °C) 2.710 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	(forma α) 61,4 GPa
Mòdul de cisallament	(forma α) 24,7 GPa
Mòdul de compressibilitat	(forma α) 40,5 GPa
Coeficient de Poisson	(forma α) 0,247
Duresa de Vickers	540 MPa
Duresa de Brinell	500 MPa
Nombre CAS	7429-91-6
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del disprosi
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 154Dy sin 3,0×106 a α 2,947 150Gd 156Dy 0,06% 1×1018 a α ? 152Gd 158Dy 0,10% 158Dy és estable amb 92 neutrons 160Dy 2,34% 160Dy és estable amb 94 neutrons 161Dy 18,91% 161Dy és estable amb 95 neutrons 162Dy 25,51% 162Dy és estable amb 96 neutrons 163Dy 24,90% 163Dy és estable amb 97 neutrons 164Dy 28,18% 164Dy és estable amb 98 neutrons

Història

Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran.

En el 1886, en el seu laboratori personal de París, el químic francès Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) analitzà espectroscòpicament una mostra d’òxid d’holmi o hòlmia, terra rara descrita pel suec Per Teodor Cleve (1840-1905) en el 1879. L’anàlisi li feia pensar en l’existència d’algunes impureses no atribuïbles a cap dels elements químics descrits. Lecoq tenia present que l’holmia de Cleve era el mateix compost que el suís Jacques-Louis Soret (1827-1890) el 1878 havia designat com a terra X, i era parcialment identificable amb la “philippine” postulada pel suís Marc Delafontaine (1838-1911) el mateix 1878. La terra X de Soret era caracteritzada per les següents línies espectrals:

804 nm: ben forta. 753 nm: feble. 640,4 nm: força característica. 536,3 nm: força característica. 485,5 nm.

474,5 nm: força feble i nebulosa. 453-449 nm. 430 nm: dubtosa. 414,5 nm. 389-387 nm.

Lecoq emprengué un penós procés de precipitacions fraccionades. A la solució àcida d’òxid d’holmi, hi afegia quantitats variables d’amoníac i de sulfat de potassi. Després de centenars de rondes de fraccionament, Lecoq comprovà com distingia dues tipologies de fraccions:

1. En les primeres, les línies de 753 nm i de 451,5 nm eren ben fortes, alhora que hi mancaven completament les línies de 640,4 i 536,3 nm.
2. En les segones, les línies de 753 nm i 451,5 nm eren força més febles, però es veien nítidament les de 640,4 nm i de 536,3 nm.

Lecoq deduïa que l’hòlmia no era pas una terra homogènia, i que darrere hi havia d’haver, si més no, dos radicals o elements.

L’abril del 1886 Lecoq publicà una nota on proposà conservar el nom d’holmi (Ho) per a l’element responsable de les bandes de 640,4 nm i de 536,3 nm. Alhora, les bandes 753 nm i 451,5 calia atribuir-les a un altre element, per al qual proposà el nom de disprosi i el símbol químic Dy, per la paraula grega δυσπρόσιτος, dispróssitos, que vol dir ‘difícil d'obtenir’. Després de moltes etapes, aconseguí una petita mostra de l'element.

L'element fou aïllat per primera vegada per un altre químic francès, Georges Urbain (1872-1938), el 1906, però no se'n pogué obtenir una mostra pura fins molts anys després. Quan al voltant de 1950 es desenvolupà la cromatografia de bescanvi iònic, un procés que separa ions i molècules polars, finalment es pogué separar el disprosi i aconseguir una mostra pura. Aquest procés fou emprat pels científics Frank H. Spedding (1902-1984) i J.L. Dye a la Universitat Estatal d'Iowa el 1950, que finalment pogueren aïllar una mostra pura de disprosi.

Estat natural

Yftisita-(Y)

Quant a l'abundància dels elements a l'escorça terrestre el disprosi ocupa la posició 42, amb una concentració mitjana de 6 ppm. Es troba en molts minerals en proporcions molt baixes juntament amb altres lantanoides. Entre els minerals que en tenen més hi ha la churchita-(Dy) amb un 17,17%, la agardita-(Dy) amb un 9,00 %, la yftisita-(Y) amb un 6,47 % i la adamsita-(Y) amb un 4,72 %.

Sorra de monazita.

S'obté, malgrat estar-hi en menors proporcions, a partir dels minerals monazita ${\ce {(Ce,\!La,\!Nd,\!Th,\!Sm,\!Gd,\!Ca)PO4}}$ i bastnäsita ${\ce {(Ce,\!La,\!Y)CO3F}}$, juntament amb altres lantanoides. El metall s'extreu com a subproducte del procés d'extracció de l'itri. Metalls indesitjats s'eliminen per separació magnètica i per flotació. Després per aïllar-lo d'altres lantanoides s'empren resines de bescanvi iònic. A continuació s'obté clorur de disprosi(III) o fluorur de disprosi(III) que, per reducció amb calci o amb liti, donen el disprosi metàl·lic:

$${\ce {2DyF3 + 3Ca -> 2Dy + 3CaF2}}$$$${\ce {DyCl3 + 3Li -> Dy + 3LiCl}}$$

La producció mundial se situa al voltant de les 1 700 tones anuals d'òxid de disprosi(III). De cara al futur, es preveu un creixement de la demanda de disprosi impulsat per l'augment global de la demanda de vehicles elèctrics, l'energia neta, l'eficiència energètica i l'automatització.

Propietats

Propietats físiques

El disprosi és un metall de la sèrie dels lantanoides, té una densitat de 8,551 g/cm³, un punt de fusió de 1 412 °C i un punt d'ebullició de 2 567 °C. És dúctil i mal·leable. Té una lluïssor metàl·lica platejada. És prou tou per a poder ser tallat amb un ganivet. És relativament estable a temperatura ambient. La seva configuració electrònica és [Xe] (4f )¹⁰(6s)².

S'han descrit tres formes al·lotròpiques. A temperatura ambient hom troba la fase α constituïda per un empaquetatge compacte hexagonal. Si es refreda per sota els 90 K es transforma en la fase β, que té estructura cristal·lina ortoròmbica. La fase γ té estructura cúbica centrada en el cos i hom pot trobar-la a 1,38 °C. El metall té un elevat paramagnetisme per sobre els 180 K (−93 °C); és antiferromagnètic entre uns 90 (−183 °C) i 180 K i ferromagnètic per sota de 90 K.

Propietats químiques

El disprosi s'oxida lentament exposat a l'aire i es crema fàcilment per formar òxid de disprosi(III), blanc, l'únic òxid conegut:

$${\ce {4 Dy + 3 O2 -> 2 Dy2O3}}$$

Clorur de disprosi(III)—aigua(1/6) ${\ce {DyCl3*6H2O}}$

És força electropositiu i generalment és trivalent, malgrat que s'han descrit alguns composts on actua amb nombre d'oxidació +2. Reacciona lentament amb aigua freda i força ràpidament amb aigua calenta per formar hidròxid de disprosi(III):

$${\ce {2 Dy(s) + 6 H2O(l) -> 2 Dy(OH)3(aq) + 3 H2(g)}}$$ Reacciona amb tots els halògens donant els corresponents halogenurs de disprosi(3+), alguns dels quals són acolorits:

$${\ce {2 Dy (s) + 3 F2 (g) -> 2 DyF3 (s) [verd]}}$$$${\ce {2 Dy (s) + 3 Cl2 (g) -> 2 DyCl3 (s) [blanc]}}$$$${\ce {2 Dy (s) + 3 Br2 (g) -> 2 DyBr3 (s) [blanc]}}$$$${\ce {2 Dy (s) + 3 I2 (g) - 2 DyI3 (s) [verd]}}$$

Es dissol fàcilment en àcid sulfúric diluït per formar solucions que contenen els cations disprosi(3+) com a complexos ${\ce {[Dy(OH2)9]^3+}}$de color groc verdós.

Acetat de disprosi(III)—aigua(1/4) ${\ce {Dy2(C2H3O2)3*4H2O}}$

Altres composts de disprosi(3+) són: el nitrat de disprosi(III)—aigua(1/5) ${\ce {Dy(NO3)3*5H2O}}$, el carbonat de disprosi(III)—aigua(1/4) ${\ce {Dy2(CO3)3*4H2O}}$, l'acetat de disprosi(III)—aigua(1/4) ${\ce {Dy2(C2H3O2)3*4H2O}}$, l'hidrur de disprosi(III) ${\ce {DyH3}}$, el sulfur de disprosi(III) ${\ce {Dy2S3}}$, el tel·lurur de disprosi(III) ${\ce {Dy2Te3}}$, el tetraborur de disprosi ${\ce {DyB4}}$, el nitrur de disprosi ${\ce {DyN}}$ o el silicur de disprosi ${\ce {DySi2}}$.

La majoria dels composts del disprosi són compostos de disprosi(3+), però també n'hi ha uns pocs de disprosi(2+) com el clorur de disprosi(II) ${\ce {DyCl2}}$ i el iodur de disprosi(II) ${\ce {DyI2}}$, de colors foscs.

Isòtops

Article principal: Isòtops del disprosi

Els isòtops naturals són tots estables i tenen els nombres màssics 164 (abundància natural 28,3 %), 162 (25,5 %), 163 (24,9 %), 161 (18,9 %), 160 (2,33 %), 158 (0,10 %) i 156 (0,06 %). Exclosos els isòmers nuclears, es coneixen un total de 29 isòtops radioactius de disprosi. Oscil·len en nombre màssic des del 138 fins al 173. El menys estable és el disprosi 139 (semivida de 0,6 segons), i el més estable és el disprosi 154 (semivida de 3,0 × 10⁶ anys).

Aplicacions

Maqueta de cotxe híbrid.

Fabricació d'imants

Disc dur d'ordinador.

El disprosi, juntament amb el neodimi i el terbi, és utilitzat en els imants de neodimi ${\ce {Nd2Fe14B}}$ en què part del neodimi, més del 6 %, se substitueix per disprosi. D'aquesta manera s'eleva la temperatura de Curie i la coercitivitat, incrementant així el rendiment de l'imant a altes temperatures. Aquests imants tenen aplicacions cada vegada més importants en els motors elèctrics dels vehicles híbrids i en els aerogeneradors elèctrics, dels quals milloren el rendiment. També és un dels components principals dels imants dels discos durs dels ordinadors.

Indústria metal·lúrgica

El disprosi tendeix a millorar la resistència dels acers a la corrosió. El disprosi, el ferro i el terbi formen l'aliatge amb la magnetoresistència més potent que existeix a temperatura ambient, el terfenol-D ${\ce {Tb_{0,3}Dy_{0,7}Fe2}}$, usat en sistemes de sonar naval i en sensors magnetomecànics.

Generació d'energia

Té una gran capacitat d'absorció de neutrons, raó per la qual s'utilitza en la fabricació de les barres de control dels reactors nuclears, que tenen com a funció regular la reacció nuclear en cadena que produeix calor.

Indústria elèctrica

El iodur de disprosi i el bromur de disprosi es fan servir en la fabricació de làmpades halògenes d'alta intensitat anomenades làmpades MSR (Medium Source Rare Earth Lamps) per a il·luminació i projecció, perquè en millora la qualitat de l'espectre, sobretot en la franja dels vermells.

Toxicitat

El disprosi no té cap funció biològica. Les sals de disprosi solubles són lleugerament tòxiques per ingestió, mentre que les sals insolubles no són tòxiques. A partir de proves de toxicitat amb ratolins es calculà que caldria una dosi de 500 grams, o més, per posar en risc la vida d'una persona.

Enllaços externs

• Los Alamos National Laboratory - Disprosi Arxivat 2009-03-13 a Wayback Machine. (anglès)
• webelements.com - Disprosi (anglès)
• environmentalchemistry.com - Disprosi (anglès)
• It's Elemental - Disprosi (anglès)

Viccionari