Атомный номер диспрозий. Химические свойства элементов. Лантаноиды. Медицина. Лазер, выполненный на основе диспрозия, излучает микроволны, которые применяются для лечения глазных болезней и кожной онкологии


Всемирная выставка в Чикаго (1 мая – 1 ноября 1893 г.) , приуроченная к 400-летию открытия Колумбом Америки, размещалась в живописной местности, на берегу озера Мичиган и стала одной из самых масштабных в истории. Будучи посвящена 400-летию открытия Америки, она была наречена «Колумбовской» (англ. World"s Columbian Exposition).


В архитектурном отношении это был триумф принципов бозара в применении к американскому градостроительству. Выставочный городок проектировали ведущие архитекторы того времени - Дэниел Хадсон и Фредерик Олмстед.
Дэниел Хадсон, архитектор, планировщик Всемирной выставки 1893 года

Подготовка к выставке проходила одновременно с восстановлением города после великого пожара 1871 года.

Самый удачный день доставил ей 47 тыс. посетителей, а за весь период выставку посмотрели 27 млн. человек.

На территории в 600 акров были представлены около 200 великолепных зданий белого цвета (материал – дерево, обработанное специальной штукатуркой), надземная железная дорога, движущиеся тротуары, светящиеся фонтаны, гигантское колесо-качели, ледяная гора, целая «улица удовольствий» с театрами, зверинцами, базарами – все это манило и завораживало.

На Чикагской выставке публика могла лицезреть машину, пришивающую по 1 тыс. пуговиц в час на солдатские мундиры (отдел машин), целую библиотеку из книг, написанных исключительно женщинами (женский отдел), беседку из кукурузы (отдел земледелия) и многое другое.

Вместе с тем Колумбова выставка отличалась поразительной бессистемностью. К примеру, в русском земледельческом отделе было выставлено «слишком много водки и притом на первом плане».

На «белой» Всемирной выставке 1893 г. Российскую империю представляли Морское министерство, Главное управление почт и телеграфов, а также частные экспоненты (всего 600, в том числе 12 - по отделу «Электричество»). Отсутствие собственного павильона и выход в свет каталога русского отдела с опозданием на два с половиной месяца привели к тому, что огромная страна совершенно потерялась на этом всемирном празднике. По свидетельству современника, создавалось впечатление, что русские прибыли в Чикаго, чтобы «удивить» мир несколькими плугами да пятью ящиками сахара.

Затраты американцев на Колумбову выставку оказались ненапрасными. «Белая» выставка имела большой успех.

На основе ее экспонатов впоследствии был создан Филадельфийский торговый музей – крупнейший в мире.

Именно на Третьем конгрессе, проходившем в рамках всемирной выставки 1893 года в Чикаго, были приняты международные электротехнические единицы, такие как – Ом, Ватт, Джоуль, Фарад, Вольт, Генри.
Посетители выставки изумлялись Николой Тесла. Посетители с удивлением смотрели, как высокий и худой ученый пропускал через себя электрошок напряжением в два миллиона вольт. От смелого экспериментатора в принципе не должно было остаться и следа, но Тесла улыбался и держал в руках ярко горевшие электролампы. Фокус-эксперимент казался чудом. Безумный изобретатель поражал не только простых обывателей, но и коллег-учёных. Это теперь мы знаем, что убивает не напряжение, а ток и что ток высокой частоты проходит только по поверхностным покровам. В эпоху младенчества электричества подобный фокус казался чудом. Тесла, демонстрирует электрические лампы, горящие у него в руках.
Также Никола Тесла остроумно обыгрывает известное выражение Колумба. Он доказывает возможность поставить яйцо вертикально, даже не разбивая его. При включении электромагнитного индуктора медное яйцо начинает вращаться и постепенно принимает вертикальное положение. Официально это изобретение получило название «индуктор электромагнитного поля». Сам Тесла называл его Колумбовым Яйцом.

Норвежцы оспорили первенство Колумба в открытии Америки, приплыв в Чикаго на точной копии гокстадского дракара.

В 1891 году организаторы Всемирной выставки в Чикаго, запланированной на 1893 год, объявили конкурс на лучший проект сооружения, которое могло бы стать «визитной карточкой» будущего мероприятия и по своим масштабам затмило бы Эйфелеву башню - «гвоздь» Всемирной выставки 1889 года в Париже. Организаторы получили немало писем от инженеров со всего мира. Однако их проекты были не оригинальны. В основном предлагалось построить еще более высокую башню.

Тогда молодой инженер из Иллинойса Джордж Феррис предложил построить гигантское колесо обозрения с кабинками для людей. На эту идею его натолкнуло воспоминание о колесах водяных мельниц, которые он видел в детстве на реке Карсон в Неваде.
Коллеги посчитали идею Ферриса абсурдной. Но он не сдавался. Инженер потратил $25 000 своих собственных средств на создание чертежей и разработку точных спецификаций сооружения, и в результате администрация выставки согласилась. Было, правда, одно условие: в отличие от Эйфелевой башни, строительство которой частично финансировало правительство Франции, Джордж Феррис должен был сам найти деньги для сооружения своего детища.

Большинство деталей будущего колеса было изготовлено в Детройте, а потом на поездах доставлено в Чикаго. Колесо Ферриса имело диаметр 80 м и сидело на оси длиной почти 14 м и диаметром в 2 м. 36 кабинок вмещали по 60 посетителей каждая. Масса всего сооружения составляла 4100 тонн. Всего на постройку колеса было затрачено $250 000.
21 июня 1893 года аттракцион открылся для публики. За все время выставки на колесе прокатились почти 1,5 млн. посетителей, заплатив за 10-минутную поездку 50 центов. Это принесло организаторам почти $730 000 прибыли - по тем временам огромные деньги!

Публике был представлен движущийся тротуар в виде крытого навесом конвейера длиной 730 метров с установленными на нем скамейками. Посетители выставки, прибыв по озеру на катерах, переходили с причала на конвейер и со скоростью пешехода ехали к входу на выставку.

На Всемирной выставке 1893 года в Чикаго, также называемой Колумбийской Экспозицией, был концессионер, который заработал более $2000, продавая холодный чай и лимонад. Сувенирная Кулинарная книга Всемирной выставки от Home Queen – Две тысячи ценных кулинарных рецептов и Домашнее Хозяйство, Меню, Этикет за столом и т.д., поданные двумя тысячами женщин управляющих, жен губернаторов и других женщин, занимающих какие-либо должности и имеющие влияние, содержала рецепты подачи холодного чая.

Лантаноиды – это 14 элементов, следующих за лантаном, у которых к электронной конфигурации лантана последовательно добавляются 14 4f -электронов. В табл. 8.12 приведены электронные конфигурации лантаноидов и их наиболее устойчивые степени окисления. Общая электронная конфигурация лантаноидов – 4f 2–145d 0–16s 2.

У церия на 4f -уровне находятся два электрона – один за счет увеличения порядкового номера по сравнению с лантаном на единицу, а другой переходит с 5d -уровня на 4f . До гадолиния происходит последовательное увеличение числа электронов на 4f -уровне, а уровень 5d остается незанятым. У гадолиния дополнительный электрон занимает 5d -уровень, давая электронную конфигурацию 4f 75d 16s 2, а у следующего за гадолинием тербия происходит, аналогично церию, переход 5d -электрона на 4f -уровень (4f 96s 2). Далее до иттербия наблюдается монотонное увеличение числа электронов до 4f 14, а у завершающего ряд лютеция вновь появляется 5d -электрон (4f 145d 16s 2).

Элемент

Электронная конфигурация

Степень окисления

Элемент

Электронная конфигурация

Степень окисления

4f 26s 2

4f 96s 2

Празеодим

4f 36s 2

Диспрозий

4f 106s 2

4f 46s 2

4f 116s 2

Прометий

4f 56s 2

4f 126s 2

4f 66s 2

4f 136s 2

4f 76s 2

Иттербий

4f 146s 2

Гадолиний

4f 75d 16s 2

4f 145d 16s 2

Таблица 8.12.

Электронные конфигурации и степени окисления 4 f -элементов (лантаноидов).

Периодический характер заполнения 4f -орбиталей сначала по одному, а потом по два электрона предопределяет внутреннюю периодичность свойств лантаноидов. Периодически изменяются металлические радиусы, степени окисления, температуры плавления и кипения, величины магнитных моментов, окраска и другие свойства (рис. 8.15). Участие 4f -электронов в образовании химической связи обусловлено предварительным возбуждением на уровень 5d . Энергия возбуждения одного электрона невелика, поэтому обычно лантаноиды проявляют степень окисления III (табл. 8.12, рис. 8.15). Однако некоторые из них проявляют так называемые аномальные степени окисления – 2, 4. Эти состояния окисления связывают с образованием наиболее устойчивых электронных конфигураций 4f 0, 4f 7, 4f 14. Так, Ce и Tb приобретают конфигурации f 0 и f 7, переходя в состояние окисления +4, тогда как Eu и Yb имеют соответственно конфигурации – f 7 и f 14 в состоянии окисления +2. Однако существование Pr (IV), Sm (II), Dy (IV) и Tm (II) свидетельствует об относительности критерия особой устойчивости электронных конфигураций 4f 0, 4f 7 и 4f 14. Как и для d -элементов, стабильность состояния окисления наряду с этим фактором характеризуется термодинамическими параметрами реального соединения.

Ограниченная возможность возбуждения 4f -электронов определяет сходство химических свойств лантаноидов в одинаковых степенях окисления. Основные изменения в свойствах лантаноидов являются следствием f -сжатия, то есть уменьшения эффективных радиусов атомов и ионов с увеличением порядкового номера.

В свободном состоянии лантаноиды – весьма активные металлы. В ряду напряжений они находятся значительно левее водорода (электродные потенциалы лантаноидов составляют около –2,4 В). Поэтому все лантаноиды взаимодействуют с водой с выделением водорода:

а соединения со степенью окисления II (Eu, Sm, Yb) – восстановительные, причем окисляются даже водой:

Лантаноиды очень реакционноспособны и легко взаимодействуют со многими элементами периодической системы: в кислороде сгорают при 200–400 °С с образованием Э 2O 3, а в атмосфере азота при 750–1000 °С образуют нитриды. Церий в порошкообразном состоянии легко воспламеняется на воздухе, поэтому его используют при изготовлении кремней для зажигалок. Лантаноиды взаимодействуют с галогенами, серой, углеродом, кремнием и фосфором. Химическая активность элементов в ряду Ce–Lu несколько уменьшается из-за уменьшения их радиусов. С водородом лантаноиды образуют солеобразные гидриды ЭH 2 и ЭH 3, которые по свойствам более близки к гидридам щелочно-земельных металлов, чем к гидридам d-элементов. С кислородом все лантаноиды образуют оксиды типа Э 2O 3, являющиеся химически и термически устойчивыми; так, La 2O 3 плавится при температуре 2000 °С, а CeO 2 – около 2500 °С. Самарий, европий и иттербий, кроме оксидов Э 2O 3, образуют также монооксиды EuO, SmO, YbO. Церий легко образует оксид CeO 2. Оксиды лантаноидов в воде нерастворимы, но энергично ее присоединяют с образованием гидроксидов:

Гидроксиды лантаноидов по силе уступают лишь гидроксидам щелочно-земельных металлов. Лантаноидное сжатие приводит к уменьшению ионности связи Э–ОН и уменьшению основности в ряду Ce(OH) 3 – Lu(OH) 3.

Лантаноиды используют в металлургии для легирования сталей, что повышает прочность, жаростойкость и коррозийную устойчивость последних. Такие стали применяют для изготовления деталей сверхзвуковых самолетов и оболочек искусственных спутников Земли.

Добавление оксида лантана в стекла повышает их показатель преломления (так называемая лантаноидная оптика). Радиационно-оптическую устойчивость стекол повышает CeO 2. Стекла с неодимом используются в оптических квантовых генераторах. Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. Соединения лантаноидов используются в качестве катализаторов. Способность их соединяться с атмосферными газами используется для создания высокого вакуума.

Диспрозий - один из самых распространенных элементов иттриевой подгруппы. В земной коре его в 4,5 раза больше, чем вольфрама. Выглядит он так же, как и остальные члены редкоземельного семейства, проявляет валентность 3+ , окраска окиси и солей - светло-желтая, обычно с зеленоватым, реже с оранжеватым оттенком.

Название этого элемента происходит от греческого, что означает «труднодоступный». Название элемента № 66 отразило трудности, с которыми пришлось столкнуться его первооткрывателю. Окисел этого элемента - землю диспрозию - открыл Лекок де Буабодран спектроскопически, а затем выделил ее из окиси иттрия. Произошло это в 1886 г., а через 20 лет Урбен получил диспрозий в относительно чистом виде.
Однако более или менее точно определить основные физико-химические константы этого элемента удалось лишь после того, как А. Н. Даапе и Ф. Спендинг разработали двухстадийный способ получения элементарного диспрозия. Сначала окись диспрозия превращают во фторид, на который затем воздействуют металлическим кальцием при быстром нагревании до 1500° С. Таким способом получают серебристо-белый пластичный металл с плотностью 8,5 г/см 3 , который плавится при 1407° С. Сейчас в нашей стране получают кальциетермический диспрозий чистотой 99,76%.

Изотопы диспрозия

Среди прочих лантаноидов диспрозий мало чем выделяется . Правда, ему, как и гадолинию , при определенных условиях свойствен ферромагнетизм, но только при низкой температуре.


Природный диспрозий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 156, 158, 160, 161, 162, 163 и 164. Самый тяжелый изотоп распространеннее других (его доля в природной смеси 28,18%), а легчайший - самый редкий (0,0524%).
Радиоактивные изотопы диспрозия короткоживущи, за исключением диспрозия-159 (его период полураспада 134 дня). Получается он из диспрозия-158 под действием нейтронов. Используется и другой радиоактивный изотоп диспрозия - с массовым числом 165 - в качестве радио-активного индикатора при химических исследованиях. Этот же изотоп, кстати, имеет самое большое сечение захвата тепловых нейтронов среди всех изотопов элемента № 66 - 2600 барн.
Для атомной энергетики диспрозий представляет ограниченный интерес, поскольку сечение захвата тепловых нейтронов у него достаточно велико (больше 1000 барн) по сравнению с бором или кадмием , но намного меньше, чем у некоторых других лантаноидов - гадолиния, самария ... Правда, диспрозий более тугоплавок, чем они, и это в какой-то мере уравнивает шансы.
Практическое применение диспрозия, естественно, пока ограниченно. В небольших количествах диспрозий и некоторые его соединения входят в состав фосфоров, магнитных сплавов, специальных стекол. Специалисты считают, что в будущем этот элемент может быть использован в радиоэлектронике и химической промышленности (в качестве катализатора).
В литературе встречались сообщения о диспрозиевых добавках (вместе с эрбием и самарием) к сплавам на основе циркония. Такие сплавы намного лучше, чем чистый цирконий, поддаются обработке давлением. Сообщалось также о легировании цинка диспрозием. Но, видимо, дальше опытов дело пока не пошло.
А вот о «нежном» диспрозиевом лазере, излучающем волны длиной всего 2,36 мкм, известно, что его применяют в медицинской практике для лечения глаукомы и злокачественных заболеваний кожи.
Лампы с диспрозием дают свет, спектр которого наиболее близок к спектру солнечного света, и такие лампы тоже уже работают.

(от греч. dysprositos - труднодоступный; лат. Dysprosium) Dy, хим. элемент III гр. периодич. системы; относится к редкоземельным элементам (иттриевая подгруппа лантаноидов), ат. н. 66, ат. м. 162,50. Состоит из 7 стабильных изотопов: 156 Dy, 138 Dy, 160 Dy, 161 Dy, 162 Dy, 163 Dy и 164 Dy. Поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов 10 - 25 м 2 . Конфигурация внеш. электронных оболочек 4f 10 5s 2 5p 6 5d 0 6s 2 ; степени окисления +3, реже +2, +4; энергия ионизации Dy 0: Dy + : Dy 2+ : Dy 3+ : Dy 4+ соотв. 5,93, 11,67, 22,79, 41,47 эВ; атомный радиус 0,177 нм, ионный радиус (в скобках указано координац. число) Dy 2+ 0,121 нм (6), 0,127 нм (7), 0,133 нм (8), Dy 3+ 0,105 нм (6), 0,111 нм (7), 0,117 нм (8), 0,122 нм (9), Dy 4+ 0,087 нм (8). Содержание в земной коре 5.10 - 4 % по массе, в морской воде 7,3.10 - 7 мг/л; вместе с др. РЗЭ присутствует в минералах гадолините, ксенотиме, в небольших кол-вах - в монаците, апатите, бастнезите. Д. - металл светло-серого цвета. Ниже 1384 °С устойчив a-Dy: кристаллич. решетка гексаген, плотноупакованная типа Mg, а = 0,35603 нм, с= 0,56465 нм, z = 2, пространств. группа Р6 3 / ттс, плота. 8,559 г/см 3 . Выше 1384 °С a-Dy переходит в b-Dy: решетка кубич. типа a-Fe, а = 0,398 нм, z = 2, пространств. группа Im3m, плотн. 8,660 г/см 3 . Т. пл. 1409 °С, т. кип. 2587 °С; С 0 p 28,16 Дж/(моль. К); DH 0 пл 10,87 кДж/моль, DH 0 исп 229,70 кДж/молъ; S 0 298 75,45 Дж/(моль. К); давление пара при 1409 °С 71,9 Па; теплопроводность 11,5 Вт/(м. К); r 9.10 - 7 Ом. м (273 К); температурный коэф. линейного расширения 1,18.10 - 6 К - 1 . Ферромагнетик, точка Кюри 88,3 К. Легко поддается мех. обработке. Предел текучести 225 МПа (20 °С). Д. на воздухе медленно окисляется при ~20°С, быстро выше 100 °С; взаимод. с минер. к-тами (кроме HF), образуя соли Dy(III), не взаимод. с р-рами щелочей. Бурно реагирует при нагр. с N 2 , H 2 , Сl 2 , Вr 2 , I 2 , медленно с F 2 даже при 530 °С.
О к с и д (сесквиоксид) Dy 2 O 3 - бесцв. кристаллы; существует в двух модификациях - с моноклинной решеткой (b-Dy 2 O 3 , а= 0,1397 нм, b= 0,3519 нм, с= 0,8661 нм, b = 100°, z = 4, пространств. группа С2/m) и кубической (a-Dy 2 O 3 , а Ч 1,0665 нм, z = 16, пространств. группа 3, плотн. 8,16 г/см 3); т-ра перехода a: b 2070 °С, т. пл. 2400 °С; С 0 р 116,3 Дж/(моль. К); DH 0 обр -1868 кДж/моль; S 0 298 150,8 Дж/(моль. К); не раств. в воде. Получают разложением Dy 2 (C 2 O 4) 3 , Dy(NO 3) 3 и др. обычно выше 800 °С на воздухе.
Х л о р и д DyCl 3 - бесцв. кристаллы; решетка моноклинная (а= 0,691 нм, b= 1,197 нм, с= 0,640 нм, b = 111,2°, z = 4, пространств. группа С2/m); т. пл. 654 °С, т. кип. 1627 °С; плотн. 3,617 г/см 3 ; С 0 p 96,86 Дж/(моль. К); DH 0 обр -983 кДж/моль; S 0 298 154 Дж/(моль. К); хорошо раств. в воде. Получают взаимод. смеси Сl 2 и ССl 4 с Dy 2 (C 2 O 4) 3 выше 200 °С, хлорированием Д. выше 200 °С и др.
Ф т о р и д DyF 3 - бесцв. кристаллы с орторомбич. решеткой ( а = 0,6460 нм, b = 0,6906 нм, с = 0,4376 нм, z= 4, пространств. группа Рпта, плотн. 7,466 г/см 3); при 1030 °С переходит в гексаген, модификацию с плотн. 7,70 г/см 3 ; т. пл. 1157 °С, т. кип. > 2200 °С; С 0 р 96,61 Дж/(моль. К); DH 0 обр Ч 1719,6 кДж/моль; не раств. в воде. Получают при действии фтористоводородной к-ты на соед. Д., фторированием Д. и др. Д. получают восстановлением DyCl 3 или DyF 3 кальцием, Na или Li. Фольгу Д. используют в нейтронной радиографии облученных материалов, DуI 3 - в произ-ве ламп для освещения улиц, стадионов, Dу 2 О 3 - как компонент люминофоров красного свечения, спец. стекол. Хранят Д. в вакууме или инертной атмосфере. Д. при повыш. т-ре корродирует большинство материалов, в т. ч. Pt. Открыт в 1886 П. Э. Лекоком де Буабодраном. Л. И. Мартыненко. С. Д. Моисеев. Ю. М. Киселев.

  • - хим. элемент из семейства лантаноидов, символ Dy , ат. н. 66, ат. м. 162,50. Д. - серебристо-белый металл...

    Большой энциклопедический политехнический словарь

  • - элемент редких земель, выделенный Лекок де Буабодраном из окиси гольмия в 1886 г. По Лекок де Буабодрану, в спектре его характерны линии длины волны: 753 и 451,5 и затем 804; 756,5; 475; 427,5...

    Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

  • - Dy, химический элемент с атомным номером 66, редкоземельный металл, относится к лантаноидам...