Dy

Dysprosium


Dysprosium is een relatief stabiel zilvergrijs lanthanide, gemakkelijk te bewerken en met een mes te snijden. De naam van het element is afgeleid van het Griekse woord voor 'moeilijk te verkrijgen'. Het kostte ontdekker Paul ??mile Lecoq de Boisbaudran meer dan dertig pogingen om het element te identificeren. Pas in de vijftiger jaren van de vorige eeuw lukte het om metallisch dysprosium in handen te krijgen.
Symbool Dy Protonen/elektronen 66
Groep 12 Isotopen 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy, 164Dy
Periode Elektronenconfiguratie [Xe] 6s2 4f10
Blok f Elektronegativiteit 1,2 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 175 10-12m
Dichtheid 8530 kg m-3 Relatieve atoommassa 162.5
Smeltpunt 1408 oC
(1681 K)
Soortelijke warmte J kg-1K-1
Kookpunt 2562 oC
(2835 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt W m-1K-1

Vliegtuigmetaal

Bepaalde magnesiumlegeringen voor de vliegtuig­bouw en ruimtevaart bevatten dysprosium. Het verhoogt de hard­heid en verbe­tert de verwerkbaar­heid van het materiaal.

 

Permanente magneet

Legeringen van zeldzame aarden (met onder andere ijzer, kobalt, nikkel of aluminium) vertonen goede magneti­sche eigenschappen vanwege één of meer ongepaarde elektronen.  Je vind ze darom in permanente magneten. Bij dyspro­sium gaat het vooral om de legering met aluminium, Al2Dy3.

Stralingsbescherming

Legeringen van dysprosium en andere zeldzame aardmetalen met lood beschermen tegen radioactieve straling in zogenaamde 'stralingsschilden'. Dat geldt ook voor keramische materialen met zeldzame aarden (bijv. dysprosiumoxide).

 

Laser

In verschillende lasermedia levert dysprosium in combinatie met andere zeldzame aarden en vanadium een grote verscheidenheid aan kleuren.

Lampen

Halogeniden van dysprosium (met name het iodide en bromide) zijn te vinden in hoogvermogen metaalhalogenidelampen (ook wel - incorrect - metaalhalidelampen genoemd). Dit zijn gasontladingslampen waarin de metaalatomen in een zogenoemde aangeslagen toestand worden gebracht. Bij het terugkeren naar hun normale grondtoestand komt energie vrij in de vorm van licht.

Deze lampen kennen uiteenlopende toepassingen zoals verlichting van hallen, hotels en winkels. Ze zijn ook te vinden in krachtige LCD-projectoren (beamers) voor stadions en vliegvelden en in lampen voor film- en tv-opnamen. 

 

De kleur van het licht is afhankelijk van de vulling van de lamp. Het gaat om natrium-en scandiumhalogeniden, halogeniden van lithium, thallium en indium, en verschillende lanthanidehalogenides (zoals van dysprosium). De juiste combinatie van metaalhalogenides levert vrijwel wit licht. Gekleurd licht ontstaat dankzij de halogeniden van lithium (rood), natrium (geel), indium (blauw) of thallium (groen).

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • toevoeging aan staal
  • regelstaven voor kernreactoren (Dy is een zeer goed neutronenabsorbens).

In verbindingen

  • Harddisks van computers
  • koelen van de controlesonde in kernreactoren      Dy2O3/Ni
  • neutronenabsorptie                                                Dy2O3
  • supergeleiding                                                        DyBa2Cu3O7

Naam

De naam dysprosium is afgeleid van het Griekse woord dys­prositos voor 'moeilijk te verkrijgen'. Dat herinnert aan de moeite die het kostte om het element te identificeren en isoleren. 

Ontdekking

De Franse chemicus Paul Emile (François) Lecoq de Boisbaudran (foto) isoleerde in 1886 het oxide van dysprosium uit ytteraarde of yttria, verkregen uit mona­ziet­zand. Het was een ingewikkelde procedure die hij meer dan dertig keer moest herhalen voordat hij succes had.

 

Pas in 1950 was dysprosium met geavanceerde technieken voor ionenwisseling in redelijk zuivere toestand te verkrijgen, onder andere door de Canadese chemicus Frank Spedding.

Toelichting: Zeldzame aardmetalen

Dysprosium behoort tot de zeldzame aardmetalen. De groep omvat de elementen scandium (21) en yttrium (39) en de elementen 57 tot en met 71. Die laatste reeks is ook bekend als de lanthaniden (naar het eerste element uit de reeks: lanthaan).

Zeldzaam wil niet zeggen dat de betreffende elementen weinig op aarde voorkomen. Het gaat hier om een groep elementen die allemaal ontdekt zijn via de isolatie van hun oxide. De term 'zeldzaam' vindt zijn oorsprong in het feit dat deze oxiden (aarden) bijzonder moeilijk te herkennen en scheiden zijn. Het duurde meer dan een eeuw voordat ze allemaal ontdekt waren. In dezelfde periode werd bijna honderd keer de ontdekking van andere nieuwe elementen geclaimd.

Na verloop van tijd kwam de term 'zeldzaam' ook in zwang als aanduiding van de elementen zelf. Ze werden vaak pas vele jaren na hun ontdekking in zuivere vorm geïsoleerd.

De nieuwe oxiden vinden hun oorsprong voor het grootste deel in twee mineralen: gadoliniet en ceriet. Daaruit werden respectievelijk de oxidenmengsels yttria en ceria ontsloten.

Het relatief 'zware' mineraal gadoliniet was in 1787 door de Zweedse chemicus Carl Axel Arrhenius ontdekt in een wingebied voor veldspaat bij Ytterby (in de buurt van Stockholm). Het heette eerst ytteriet, vandaar dat het verwerkingsproduct in 1794 yttria werd genoemd. Men beschouwde Yttria aanvankelijk als het oxide van één enkel element; het latere yttrium (Y). Uiteindelijk bleek het een mengsel van zowel yttriumoxide als de oxiden van de zwaardere lanthaniden: gadolinium, terbium, erbium, dysprosium, holmium, thulium, ytterbium en lutetium.

Ceria werd in 1803 voor het eerst bereid uit ceriet, dat in 1751 was gevonden door de Zweedse chemicus/mineraloog Axel Fredrik Cronstedt. Het leverde de oxiden op van lanthaan en de lichtere lanthaniden: cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium.

Tot het einde van de 19e eeuw waren er geen toepassingen voor (verbindingen van) de zeldzame aarden. De Oostenrijkse wetenschapper Carl Auer Freiherr von Welsbach bracht daar verandering in. Hij gebruikte thorium en cesium ter verhoging van de lichtopbrengst van een gasvlam. De gaspitten werden daartoe in een mengsel van thorium- en ceriumnitraat gedompeld. Bij de verbranding ontstaan dan de oxiden. Ceriumoxide katalyseert de verbranding en door de zeer slechte geleidbaarheid van het thoriumoxide werden de deeltjes zeer heet en geven ze een helder licht.

Met de vinding van Von Welsbach kwam zowel het grootschaliger speuren naar de zeldzame aarden als het zoeken naar toepassingen in een stroomversnelling. Inmiddels zijn meer dan 100 mineralen bekend met zeldzame aardmetalen. Deze metalen kennen specialistische toepassingen in allerlei hoogtechnologische (elektronische) apparatuur. China is verreweg de belangrijkste producent van deze elementen.

Voorkomen

Het aandeel van dysprosium in de aardkorst is 5,2.10-4 %, het is het 42e ele­ment in de rangorde van voorkomen.

 

De belangrijkste mineralen met kleine hoeveelheden van het element zijn

  • bastnaesiet-(Ce)        (Ce,La)CO3F
  • bastnaesiet-(Y)          (Y,La)CO3F    
  • euxeniet-(Y)               (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ti,Ta)2O6
  • fergusoniet-(Ce)         (Ce,La,Nd)NbO4
  • fergusoniet-(Nd)         (Nd,Ce)NbO4
  • fergusoniet-(Y)           YNbO4
  • gadoliniet-(Ce)           (Ce,La,Nd,Y)2Fe,+2Be2Si2O10
  • gadoliniet-(Y)             Y,Fe,+2Be2Si2O10
  • monaziet-(Ce)            (Ce,La,Nd,Th)PO4 
  • monaziet-(La)             (La,Ce,Nd)PO4 
  • samarskiet-(Y) (foto)  (Y,Ce,U,Fe+2)3(Nb,Ta,Ti)5O16
  • xenotiem-(Y)               YPO4

Winning

De belangrijkste wingebieden liggen in Austra­lië, China, Mongolië, India, Brazi­lië, de Verenigde Staten van Amerika, Malei­sië, Rusland, Tanzania, Burundi, Zambia, Madagaskar, Noorwegen, Zweden, Canada, Duitsland, Oostenrijk en Zuid-Afrika. 

Vroeger

Zeldzame aarden werden oorspronkelijk gescheiden op grond van de uiterst kleine verschillen in oplosbaarheid van de metaalhydroxiden en -oxiden in loog. Ook bleek het mogelijk te scheiden op basis van de oplosbaarheid van hun zouten, voornamelijk de oxalaten en sulfaten (met name Ln2(SO4)3.Na2SO4.xH2O, met Ln als symbool voor de lantaniden). De oplosbaarheid neemt licht toe naarmate de atoommassa van het lanthanide toeneemt.

De verschillen zijn echter zo klein dat voor een redelijke scheiding vele malen herkristalliseren nodig is. Duizend maal is daarbij geen uitzondering. Om bijvoorbeeld een geringe hoeveelheid zuiver thuliumbromaat te verkrijgen werd zelfs tot vijftienduizend keer geherkristalliseerd.

 

Tegenwoordig

Na 1950 maakten moderne scheidingsmethoden het makkelijker de zouten van de zeldzame aarden in redelijke hoeveelheden te scheiden. Continue vloeistofextractie bijvoorbeeld, waarbij de waterige oplossing van de zouten wordt geëxtraheerd met tri-n-butylfosfaat. Een andere methode is ionenwisseling, die zouten met een hoge zuiverheid oplevert en doorgaans op wat kleinere schaal wordt toegepast

De nieuwe scheidingstechnieken dienden in de eerste plaats voor de productie van goede splijtstof voor kernreactoren. Daarbij is het van belang uraan- en thoriumertsen te ontdoen van alle sterk neutronenremmende elementen, zoals de lanthaniden. Dit stimuleerde vervolgens ook het zoeken naar toepassingen en daarmee kwam ook een bredere zoektocht naar zeldzame aarden op gang.

Winning uit erts

Het mineraal monaziet bevat (naast 5 - 10 % thoriumoxide, ThO2) enkele procenten van de oxiden uit de zogenaamde yttria-groep (zie tabblad Naam&Ontdekking); andere lanthaniden komen in veel mindere mate voor. Bastnaesiet en allaniet bevatten enkele procenten van - voornamelijk - de oxiden van cerium, lanthaan, neodymium en praseodymium.

Om de lanthaniden te verkrijgen behandelt men het erts, bijvoorbeeld monaziet, met geconcentreerd zwavelzuur bij 200 °C. Daarbij ontstaat een oplossing van de sulfaten van lanthaan, thorium en de aanwezige lanthaniden. Na toevoegen van ammonia slaat eerst het thoriumzout neer. Na toevoegen van natriumsulfaat slaan vervolgens de zouten van de lichtere lanthaniden neer. Na scheiding van de diverse zouten volgt zuivering.

De bereiding van de elementen in zuivere vorm verloopt meestal via elektrolyse van gesmolten zouten. Een andere mogelijkheid is de reductie van oxiden met lanthaan of calcium, of van fluoriden en chloriden met calcium, kalium of natrium. Daarbij wordt het zout gesmolten in een tantalen kroes, gevolgd door reductie (in vacuüm of in een argonatmosfeer) met bijvoorbeeld calciumdamp. Dysprosium wordt bereid door reductie van het trifluoride met calcium, natrium of kalium.

Deel dit op: