Диспрозий и гольмий
Общие сведения
Диспрозий и гольмий представляют собой редкоземельные химические элементы, относящиеся к семейству лантаноидов. Диспрозий является шестьдесят шестым элементом периодической системы, а гольмий — шестьдесят седьмым. Открытие данных элементов тесно связано исторически: гольмий был обнаружен в 1879 году при выделении из эрбиевой земли, а диспрозий был открыт в 1886 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном в результате многократного отделения от гольмия в виде оксида. Название диспрозия переводится как «труднополучимый», что отражает крайнюю сложность его выделения из смесей. Название гольмия происходит от латинского наименования Стокгольма. В чистом виде диспрозий не удавалось получить вплоть до пятидесятых годов двадцатого века, когда были разработаны промышленные методы ионного обмена.
Свойства и характеристики
Оба элемента в чистом виде представляют собой нерадиоактивные металлы. Диспрозий характеризуется как серебристо-серый металл, являющийся ферромагнетиком, с типичной степенью окисления плюс три. Гольмий описывается как мягкий, ковкий и пластичный редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Отличительной физической особенностью гольмия является его крайне высокая магнитная проницаемость, которая считается самой высокой среди всех известных химических элементов. Атомные массы диспрозия и гольмия имеют близкие значения, а химические свойства обоих металлов типичны для всех представителей группы лантаноидов. С биологической точки зрения элементы обладают низким уровнем токсичности. Металлическая пыль диспрозия может вызывать механическое раздражение дыхательных путей, а вдыхание значительных количеств солей гольмия способно привести к повреждениям органов дыхания, однако в целом данные металлы считаются достаточно безопасными для живых организмов.
Нахождение в природе
Диспрозий и гольмий относятся к категории редких элементов и в природе всегда встречаются совместно, входя в состав одних и тех же минералов. К основным минералам, содержащим данные лантаноиды, относятся гадолинит, ксенотим, монацит, апатит, бастнезит и эвксенит. Основные мировые запасы и производственные мощности по добыче редкоземельных металлов сосредоточены в Китае, на долю которого приходится около девяноста процентов рынка, а также на территории России, в частности на Кольском полуострове. Значительные залежи лантаноидов также были обнаружены на территории Японии. Помимо земных месторождений, гольмий был обнаружен в космическом пространстве: аномально высокое содержание этого элемента зафиксировано в спектре звезды Пшибыльского.
Получение
Из-за физико-химического сходства всех лантаноидов их разделение представляет собой сложную технологическую задачу. Для получения чистых диспрозия и гольмия применяются методы ионного обмена, позволяющие эффективно отделять элементы друг от друга. На финальных стадиях производства металлический диспрозий получают путем реакции восстановления из его хлорида или фторида. Металлический гольмий аналогичным образом восстанавливают из фторида гольмия. Процесс выделения чистых металлов отличается высокой энергоемкостью и сложностью, поэтому рыночные цены на эти элементы демонстрируют постоянный и стремительный рост. Стоимость диспрозия с 2008 года увеличилась в десятки раз, а цена гольмия всего за несколько лет выросла со 150 до 1000 долларов за килограмм.
Применение
Диспрозий и гольмий находят применение в передовых отраслях науки и техники. Главным направлением использования обоих металлов является производство сверхмощных магнитов. Диспрозий активно применяется в металлургии как легирующий компонент цинковых сплавов, а также используется в качестве катализатора, магнитострикционного и термоэлектрического материала. Благодаря высокому сечению захвата нейтронов диспрозий востребован в атомной технике, где также применяется борат гольмия. Кроме того, диспрозий используется в медицинских лазерах, при производстве металлогалогенных ламп и ветряных турбин. Гольмий из-за своей редкости чаще применяется в виде сплавов с эрбием и другими элементами. Он служит материалом для генерации лазерного излучения и радиоактивным индикатором в аналитической химии. Особый научный интерес представляют перспективы использования гольмия в сфере информационных технологий: благодаря уникальным магнитным спиновым состояниям на одном атоме гольмия возможно сохранять информацию объемом в один бит. Данная технология в будущем может стать основой для создания микроскопических вычислительных устройств, пригодных для безопасной интеграции в человеческое тело.