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ジスプロシウム元素特性と用途
ジスプロシウムの紹介
ジスプロシウム（記号Dy、原子番号66）は希土類元素で、周期表のランタニド系列に属する。ジスプロシウムは、1886年にスウェーデンの化学者ペール・テオドール・クレーブによって発見された。エルビウム含有鉱物から抽出された。その希少性と抽出の容易さから、「入手困難」を意味するギリシャ語のdysprositosから名付けられた。
ジスプロシウムはモナザイト、バストナイト、ゼノタイムなどの鉱物の中に天然に存在し、通常は他のランタノイドと組み合わさっている。ジスプロシウムは比較的希少ですが、その特徴的な性質、特に磁気的性質、熱的性質、中性子吸収特性により、現代技術に不可欠な物質となっています。
ジスプロシウムの物理的性質
ジスプロシウムは、高性能のアプリケーションで重宝される重要な物理的特性を有しています：
|
特性 |
値 |
単位 |
|
原子番号 |
66 |
- |
|
原子量 |
~162.5 |
u |
|
融点 |
1407 |
°C |
|
沸点 |
2567 |
°C |
|
密度 |
8.55 |
g/cm³ |
|
電子配置 |
[Xe] 4f¹⁰ 6s² |
- |
白銀色のジスプロシウムは、バルクでは非常に柔らかいが、粉末にすると強い反応性を示す。沸点と融点はランタノイドの範囲内で高く、この耐熱性は有用である。より詳細なデータについては、Stanford Advanced Materials (SAM)をご確認ください。
化学的性質
化学的には、ジスプロシウムは安定な+3酸化状態によって定義され、ほとんどの化合物でこの酸化状態が支配的です。そのイオン性と反応性により、幅広い酸化物、ハロゲン化物、錯塩を生成することができます。
主な化学的性質は以下の通り：
-反応性：金属ジスプロシウムは、冷水とはゆっくりと反応するが、酸とは容易に反応してDy³⁺イオンを生成する。
-酸化物の形成：酸化物の形成：熱安定性の高い酸化ジスプロシウム（Dy₂O₃）は、レーザーや磁石のターゲット材料として広く使用されている。
- 磁気挙動：ジスプロシウムは低温では反強磁性、85K以下では強磁性を示すため、磁性合金に利用される価値が高い。
これらの化学的特性と熱的安定性を併せ持つジスプロシウムは、磁性の強化や高温動作が要求される用途に最適な材料である。
調製と抽出
ジスプロシウムの生産は、希土類鉱物の抽出から始まる：
1.鉱物の処理鉱物の処理：モナザイトとバストネサイト鉱物を粉砕し、酸またはアルカリ処理して希土類元素を分離する。
2.溶媒抽出とイオン交換：ジスプロシウムは、選択的溶媒抽出またはイオン交換樹脂によって残りのランタノイドから分離され、精製されたジスプロシウム溶液が得られる。
3.酸化物転換：精製された物質を沈殿させ、焼成することで、工業で最も一般的に使用されるDy₂O₃を得る。
4.金属の製造：リチウムまたはカルシウム金属を利用して、高温炉で酸化ジスプロシウムを還元し、純粋なジスプロシウム金属を得る。
ジスプロシウムは化学的に反応しやすいため、取り扱いには注意が必要であり、特に粉末にした場合は発火性がある。
工業的および技術的用途
ジスプロシウムの磁性、熱、中性子吸収特性の組み合わせにより、ジスプロシウムはいくつかの現代産業において不可欠なものとなっている：
1.高性能磁石
- ジスプロシウムは、ネオジム-鉄-ホウ素（NdFeB）磁石の重要なドーパントであり、保磁力と熱安定性を向上させます。
- 図解電気自動車では、NdFeB磁石に5～10%のジスプロシウムを使用することで、モーターは180℃まで磁気性能を維持できる。
- このような磁石は、EVモーター、風力タービン発電機、航空宇宙用アクチュエーターに使用されている。
2.レーザーと光デバイス
- ジスプロシウムをドープした材料は、可視光や赤外光を放射するファイバーレーザーや固体レーザーに使用されています。
- ケーススタディジスプロシウムをドープしたYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶は、工業用および医療用の切断用赤外線レーザーシステムに使用されている。
3.原子炉
- ジスプロシウムは中性子吸収断面積が大きいため、原子炉の制御棒として理想的です。
- 核分裂反応の制御に役立ち、加圧水型原子炉（PWR）や高速炉の安全性と効率を向上させる。
4.放射線量計
- 医療用、工業用、環境用の電離放射線は、ジスプロシウムドープセンサーで検出されます。
- Dyを活性化した硫酸カルシウム線量計は、放射線治療を行うセンターで使用され、正確な線量照射を実現しています。
5.新しい合金とエレクトロニクス
- ジスプロシウムは、強磁性合金や磁歪合金に添加すると、高温での安定性と機能を発揮します。
- そのユニークな磁気特性により、メモリーデバイスやスピントロニクスデバイスに使用されています。
よくある質問
ジスプロシウムはどこで発見されますか？
ジスプロシウムは、モナザイト、バストナイト、ゼノタイムなどの鉱物の中に、他の希土類元素とともに存在します。
ジスプロシウムの主な化学的特徴は何ですか？
主に+3の酸化状態を持ち、安定した酸化物を形成し、熱的・化学的安定性が高い。
ジスプロシウムはどのようにして作られるのですか？
鉱物処理、溶媒抽出、イオン交換、酸化物の還元によって金属状のジスプロシウムが生成されます。
主な商業用途は？
高性能磁石、レーザー、原子炉制御棒、線量計、特殊合金など。
安全性についての配慮はありますか？
はい、ジスプロシウム粉末は反応性があり、潜在的に発火性があるため、閉鎖環境での取り扱いには注意が必要です。
Chin Trento
