NGUYÊN TỐ DYSPROSI


I. ĐƠN CHẤT
Dysprosi (tên La tinh: Dysprosium) là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Dy và số nguyên tử 66. Cấu hình electron [Xe]4f105d06s2. Trạng thái oxi hóa bền là 0 và +3. Ở nhiệt độ dưới 13840C có cấu trúc gói gém chặt khít kiểu lục phương, trên 13840C thì có cấu trúc lập phương tâm khối. Dysprosi không được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng tự do, mặc dù nó được tìm thấy trong một loạt các khoáng vật, như trong xenotim. Dysprosi nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 7 đồng vị, trong đó đồng vị phổ biến nhất là Dy164.
Dysprosi được Paul Émile Lecoq de Boisbaudran nhận dạng đầu tiên năm 1886, nhưng đã không được cô lập ở dạng tinh khiết cho tới khi có sự phát triển của các kỹ thuật trao đổi ion trong thập niên 1950.
1. Lý tính:
Dysprosi là kim loại đất hiếm, có ánh màu bạc sáng hay xám bạc kim loại. Nó đủ mềm để cắt bằng dao và có thể được gia công cơ khí không gây đánh lửa nếu tránh không tăng nhiệt quá cao. Các đặc trưng vật lý của dysprosi có thể bị thay đổi mạnh nếu có lẫn dù chỉ một lượng nhỏ tạp chất. Dysprosi dễ dàng bị ôxi hóa và vì thế được sử dụng ở dạng nguyên tố chỉ trong các mục đích nghiên cứu. Chẳng hạn, các nguyên tử Dy riêng lẻ được cô lập bằng cách cấy chúng vào các phân tử fulleren.
Dysprosi và holmi có cường độ từ lớn nhất trong các nguyên tố, đặc biệt khi ở các nhiệt độ thấp. Dysprosi có trật tự sắt từ đơn giản ở nhiệt độ dưới 85 K. Trên 85 K, nó trở thành trạng thái phản sắt từ xoắn ốc trong đó mọi mômen nguyên tử trong một lớp phẳng cơ sở cụ thể là song song và định hướng ở góc cố định với các mômen của các lớp cận kề. Hiện tượng phản sắt từ bất thường này chuyển thành trạng thái thuận từ (không trật tự) ở 179 K.
Các hằng số vật lý quan trọng được ghi trong bảng sau:

Các hằng số vật lý
Khối lượng nguyên tử 162.5 (đvC)
Tỉ khối 8.56 (g/cm3)
Năng lượng ion hóa 6.82 (eV/ngtg)
Nhiệt độ nóng chảy 1680 K
Nhiệt độ sôi 2873 K
Thế điện cực chuẩn -2.36 V
Độ âm điện 1.2
2. Hóa tính
Dysprosi bị phủ màng oxit - hydroxit trong không khí ẩm. Bị thụ động hóa trong nước nguội.Không phản ứng với kiềm, hiđrat hóa ammoniac. Dysprosi là một chất khử mạnh: phản ứng với nước nóng, axit, halogen, lưu huỳnh, …
Dysprosi kim loại bị xỉn chậm trong không khí và cháy thành oxit dysprosi (III):
4 Dy + 3 O2 → 2 Dy2O3
Dysprosi có độ điện âm vừa phải (1.22) và phản ứng chậm với nước lạnh nhưng rất nhanh với nước nóng để tạo thành hydroxit dysprosi:
2 Dy (r) + 6 H2O (hơi nóng) → 2 Dy(OH)3 (dd) + 3 H2 (k)
Dysprosi kim loại phản ứng mãnh liệt với mọi halogen ở nhiệt độ trên 200 °C:
2 Dy (r) + 3 F2 (k) → 2 DyF3 (r) (xanh lục)
2 Dy (r) + 3 Cl2 (k) → 2 DyCl3 (r) (trắng)
2 Dy (r) + 3 Br2 (k) → 2 DyBr3 (r) (trắng)
2 Dy (r) + 3 I2 (k) → 2 DyI3 (r) (xanh lục)
Dysprosi cũng phản ứng được với lưu huỳnh ở nhiệt độ khoảng 500-8000C:
2Dy +3S → Dy2S3 (r) (vàng)
Dysprosi hòa tan được trong cả axit loãng và axit đặc để tạo ra các dung dịch chứa ion Dy3+có màu vàng nhạt, tồn tại như là phức hợp [Dy(OH2)9]3+:
2 Dy (r) + 3 H2SO4 (loãng) → Dy2(SO4)3 (dd) + 3 H2 (k)
2Dy(r) + 6HCl (loãng) → 2DyCl3 (dd) + 3H2 (k)
Dy (r) + 6HNO3 (đặc) →Dy(NO3)3 (dd) + 3NO2 (k) + 3H2O


3. Điều chế
Dysprosi thu được chủ yếu từ cát monazit, hỗn hợp của các dạng photphat khác nhau. Kim loại này thu được như là phụ phẩm trong chiết tách thương mại cho yttri. Để cô lập dysprosi, phần lớn các kim loại không mong muốn khác có thể được loại bỏ bằng từ tính hay bằng quy trình tách đãi. Sau đó dysprosi có thể được tách ra từ các kim loại đất hiếm khác bằng quy trình trao đổi ion. Các ion dysprosi thu được sau đó có thể cho phản ứng với flo hay clo để tạo thành florua dysprosi (DyF3) hay clorua dysprosi (DyCl3). Các hợp chất này có thể khử bằng canxi hay liti kim loại theo phản ứng sau:
3 Ca + 2 DyF3 → 2 Dy + 3 CaF2
3 Li + DyCl3 → Dy + 3 LiCl

Các thành phần được đặt trong nồi nấu bằng tantali và đốt trong môi trường chứa heli. Khi phản ứng xảy ra, các halua tạo thành và dysprosi nóng chảy bị chia tách do khác biệt về tỷ trọng. Khi hỗn hợp nguội đi, dysprosi có thể được cắt ra khỏi các tạp chất.
4. Ứng dụng
Dysprosi được sử dụng, kết hợp với vanadi và các nguyên tố khác để chế tạo vật liệu laser. Do tiết diện hấp thụ nơtron nhiệt cao của dysprosi, các cermet của ôxít dysprosi-niken được sử dụng trong các thanh kiểm soát hấp thụ nơtron của các lò phản ứng hạt nhân. Các chalcogen dysprosi-cadmi là nguồn bức xạ hồng ngoại hữu ích trong nghiên cứu các phản ứng hóa học. Do dysprosi và các hợp chất của nó có độ cảm từ cao nên chúng được sử dụng trong nhiều loại thiết bị lưu trữ dữ liệu, như trong các đĩa CD.
Dysprosi là một trong các thành phần của Terfenol-D, cùng với sắt và terbi. Ở nhiệt độ phòng, Terfenol-D có độ kháng từ cao nhất trong số các vật liệu đã biết, tính chất này được sử dụng trong các máy biến năng, các thiết bị cộng hưởng cơ học phổ rộng và các kim phun nhiên liệu lỏng độ chính xác cao.
Dysprosi được sử dụng trong các máy đo liều lượng để đo đạc lượng bức xạ ion hóa. Các tinh thể sulfat canxi hay florua canxi được kích thích bằng dysprosi. Khi các tinh thể này được đặt vào trong nguồn bức xạ, các nguyên tử dysprosi bị kích hoạt và phát sáng. Sự phát quang này có thể đo đạc được để xác định mức độ phơi nhiễm mà thiết bị đo liều lượng đang hứng chịu.
Các sợi nano chứa các hợp chất của dysprosi có diện tích bề mặt lớn và sức bền cao. Vì thế, chúng có thể được sử dụng để gia cố các vật liệu khác và làm chất xúc tác.
II. HỢP CHẤT
1. Oxit của Dysprosi (Dy2O3)
Tính chất:
Oxit dysprosi (III) còn gọi là dysprosia, là chất bột màu trắng, khó nóng chảy, có từ tính cao hơn so với oxit sắt.
Dy2O3 phản ứng với H2O, CO2 trong không khí tạo cacbonat bazơ; Dy2O3 hấp thụ H2O tỏa nhiều nhiệt, giống phản ứng của CaO với H2O.
Dy2O3 + 3CO2 → Dy2(CO3)3
Dy2O3 + 3H2O → Dy(OH)3
Dy2O3 hòa tan nhanh trong các axit tạo thành muối, nhưng không tan trong kiềm do có tính bazơ là chủ yếu. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao có thể phản ứng với bazơ tạo thành muối hỗn hợp
Dy2O3 + 6HNO3 → 2Dy(NO3)3 + 3H2O
Dy2O3 + Na2CO3(nc) → NaDyO2¬ + CO2↑
Dy2O3 được điều chế bằng cách nhiệt phân muối oxalat của nó:
Dy2(C2O4)3.xH2O → Dy2O3 + 3CO↑ + 3CO2↑ + xH2O↑
Ứng dụng:
Dy2O3 được dùng trong ngành gốm sứ, điều chế thủy tinh có độ khúc xạ lớn. Chế tạo chất phát quang, laser. Độ tinh khiết cao của Dy2O3 được sử dụng trong công điện tử như một lớp phủ chống phản xạ cho các thiết bị quang điện.
2. Dysprosi hyđroxit Dy(OH)3
Tính chất:
Dy(OH)3 là chất kết tủa màu trắng. Dy(OH)3 là hyđroxit lưỡng tính yếu, hầu như không tan trong kiềm.
Dy(OH)3 được điều chế bằng cách cho dung dịch muối của Dy3+ tác dụng với dung dịch kiềm hoặc dung dịch NH3.
Dy3+ + 3OH- → Dy(OH)3↓
Ứng dụng:
Dy(OH)3 được sử dụng trong gốm, thủy tinh, chất lân quang, laser và công nghiệp điện tử.
3. Dysprosi nitrat Dy(NO3)3
Tính chất:
Dy(NO3)3 tan tốt trong nước, kết tinh từ dung dịch ở dạng hiđrat, hút ẩm chảy rữa trong không khí và bị nhiệt phân hủy tạo oxit bền.
Dy(NO3)3 được điều chế bằng cách cho axit nitrit tác dụng với Dy2O3, Dy(OH)3 hoặc các muối ít tan như Dy2(CO3)3, Dy2(C2O4)3,…
Dy2O3 + 6HNO3 → Dy(NO3)3 + 3H2O
Dy(OH)3 + 3HNO3 → Dy(NO3)3 + 3H2O
Ứng dụng:
Dy(NO3)3 được dùng trong gốm sứ, sợi quang, chất lân quang, đèn halogen, laser,…
4. Dysprosi sunfat Dy2(SO4)3
Tính chất:
Dy2(SO4)3 tan hạn trong nước, khi kết tinh từ dung dịch thường ở dạng hiđrat Dy2(SO4)3.8H2O. Khi đun nóng ở 600-650oC hiđrat mất nước biến thành muối khan.
Dy2(SO4)3 dễ tạo nên muối kép với muối sunfat kiềm hay amoni
Dy2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 12H2O → Dy2(SO4)3.3Na2(SO4).12H2O
Dy2(SO4)3 được điều chế bằng cách hòa tan Dy2O3, Dy(OH)3, Dy2(CO3)3 trong dung dịch H2SO4 loãng:
Dy2O3 + 3H2SO4 → Dy2(SO4)3 +3H2O
Ứng dụng:
Dy2(SO4)3 được dùng trong gốm sứ, thủy tinh, chất lân quang, laser và đèn halogen,…
5. Dysprosi halogenua DyX3 (X= F, Cl, Br, I)
Tính chất:
DyX3 là những chất rắn màu trắng, DyX3 là những hợp chất mang tính ion là chủ yếu. Vì vậy chúng khó nóng chảy, khó bay hơi. Các DyX3 hút ẩm, tan trong nước và bị thủy phân.
Các DyX3 được điều chế bằng cách cho Dy2O3 tác dụng với dung dịch HX:
Dy2O3 + 6HX → 2DyX3 + 3H2O
Ứng dụng:
DyX3 được dùng trong gốm sứ, đèn halogen, chất lân quang, sợi quang,…
III. KHẢ NĂNG TẠO PHỨC CỦA DYSPROSI
Phức chất của Dy(III) với các phối tử một càng như NH3, CN-, NO3-, SO42-,...rất không bền do ion Dy3+ có bán kính tương đối lớn, kéo theo khả năng phân cực thấp và điện tích dương yếu. Trong dung dịch loãng các phức này bị phân ly hoàn toàn, trong dung dịch đặc chúng kết tinh ở dạng muối kép.
Dy(III) có khả năng tạo thành các phức chất vòng càng (chelat) bền vững với các phối tử nhiều càng như EDTA4-, các dixetonat,…
Các phức chất thường gặp của Dy(III) :
[Dy(dpm)3H2O] (dpm: đipyvaloylmethal Me3CC(O)CHC(O)CMe3) có cơ cấu lăng trụ tam giác 1 mũ.
[DyX6]3- (X=Cl, Br) có cơ cấu bát diện.
Ứng dụng:
Các phức chất của Dy(III) được sử dụng trong phân tích hóa học và công nghệ để tách dysprosi bằng phương pháp trao đổi ion.
IV. PHÒNG NGỪA
Dysprosi và các hợp chất của nó có tuy nhiều ứng dụng quan trọng nhưng bên cạnh đó chúng cũng gây ra một số nguy hiểm cho con người như: bột dysprosi có thể có nguy hiểm cháy nổ khi trộn lẫn với không khí và có mặt nguồn kích cháy. Các lá dysprosi mỏng cũng có thể bị kích cháy bằng tia lửa hay tĩnh điện. Lửa do dysprosi cháy không thể dập tắt bằng nước do nó có thể phản ứng với nước để tạo ra khí hiđrô dễ cháy. Tuy nhiên, các đám cháy do clorua dysprosi, lại có thể dập tắt bằng nước trong khi florua dysprosi và ôxít dysprosi là các chất không cháy. Nitrat dysprosi, Dy(NO3)3, là một tác nhân ôxi hóa mạnh và dễ dàng bắt cháy khi tiếp xúc với các chất hữu cơ.
Các muối dysprosi hòa tan, như clorua dysprosi và nitrat dysprosi, là hơi độc khi nuốt phải. Tuy nhiên, các muối không hòa tan là không độc. Dựa trên độ độc của clorua dysprosi đối với chuột, người ta ước tính rằng việc nuốt phải từ 500 gam hoặc nhiều hơn có thể dẫn tới tử vong ở người.