Disprósio: estrutura, propriedades, obtenção, usos - Ciência - 2023

Contente

o disprósio É um elemento metálico pertencente à série dos lantanídeos, das chamadas terras raras, e cujo símbolo químico é Dy. Sua abundância é relativamente baixa, tendo uma concentração aproximada de 5,2 ppm na crosta terrestre. Geralmente, faz parte dos minerais fosfato e de muitos outros onde predominam os óxidos de lantanídeos.

O disprósio é, junto com o hólmio, o metal com maior força magnética, sendo um componente essencial para a fabricação de ímãs e equipamentos de armazenamento de dados. Apesar de seu nome ser precedido pelo prefixo dis-, a verdade é que ele representa um dos metais com as maiores e mais promissoras aplicações tecnológicas.

O disprósio geralmente participa como cátion Dy³⁺ em muitos de seus compostos, possuindo até cinco elétrons desemparelhados em seus orbitais 4f, o que explica a origem de suas propriedades magnéticas incomuns. Seus compostos, de cor amarelada ou esverdeada, são luminescentes, emissores de radiação infravermelha e bons dopantes para materiais magnéticos.

Descoberta

O disprósio foi descoberto em 1886 pelo químico francês Paul Èmile Lecoq, que estudou amostras de minerais de terras raras e o identificou espectroscopicamente por meio da análise de diferentes frações extraídas do óxido de hólmio. A Lecoq realizou mais de 30 precipitações dos hidróxidos metálicos utilizando amoníaco, seguidas da obtenção dos respetivos sais de oxalato.

Por causa do extenso trabalho, Lecoq chamou este metal de ‘disprósio’, cuja origem etimológica vem da palavra grega ‘disprositas’, que significa ‘difícil de obter’.

No entanto, Lecoq só foi capaz de preparar amostras de disprósio impuras. Quase 80 anos tiveram que se passar antes, graças à invenção e ao desenvolvimento da cromatografia de troca iônica em 1950, a produção da primeira amostra metálica pura de disprósio foi possível. Essa façanha científica foi obra do químico Frank Spedding.

Estrutura do disprósio

Os átomos de disprósio, Dy, são mantidos juntos em seus cristais pela ação da ligação metálica. Como resultado dessas interações, seus raios atômicos e o modo de seu empacotamento, o disprósio acaba adotando uma estrutura cristalina hexagonal compacta (hcp), que caracteriza sua dureza, e que corresponde à fase α-Dy.

Em baixas temperaturas, a estrutura hcp sofre distorções ortorrômbicas (fase β-Dy), causadas por transições magnéticas entre os estados ferromagnético (abaixo de -188,2 ºC) e antiferromagnético.

Enquanto isso, em altas temperaturas (acima de 1381 ºC), a estrutura do disprósio se transforma em cúbica centrada no corpo (bcc), correspondendo à fase γ-Dy ou alótropo.

Configuração eletronica

A configuração eletrônica e abreviada para disprósio é a seguinte:

[Xe] 4f¹⁰6s²

Sendo o décimo membro da série dos lantanídeos, há uma correspondência entre este fato e seus dez elétrons nos orbitais 4f.

Quando se oxida e perde três elétrons, o cátion Dy³⁺ resultante tem configuração:

[Xe] 4f⁹6s⁰

Onde até cinco elétrons desemparelhados permanecem em seus orbitais 4f. Essa característica explica as propriedades magnéticas incomuns do disprósio e seus compostos.

Propriedades do disprósio

Aparência física

O disprósio é um metal acinzentado que escurece ainda mais quando oxidado. Tem uma dureza considerável, cuja superfície, ao ser afiada com uma roda, emite faíscas de tons amarelados esverdeados.

Número atômico

Massa molar

162,5 g / mol

Ponto de fusão

1407 ºC

Ponto de ebulição

2562 ºC

Densidade

À temperatura ambiente: 8.540 g / cm³

Bem no ponto de fusão: 8,37 g / cm³

Estados de oxidação

O disprósio tem os seguintes estados ou números de oxidação em seus compostos: 0 (Dy⁰ em ligas ou compostos orgânicos), +1 (Dy⁺), +2 (Dy²⁺), +3 (Dy³⁺) e +4 (Dy⁴⁺) De todos eles, o mais estável e predominante é +3, uma vez que os cátions Dy³⁺ possuem uma estabilidade eletrônica distinta.

Eletro-negatividade

1,22 na escala de Pauling

Energias de ionização

Primeiro: 573 kJ / mol

Segundo: 1130 kJ / mol

Terceiro: 2200 kJ / mol

Ordem magnética

É fortemente paramagnético acima de 300 K. Nem mesmo um poderoso ímã de neodímio o atrai com força notável; a menos que congele em nitrogênio líquido e alcance seu estado ferromagnético. Então ele será atraído fortemente.

Reatividade

O disprósio metálico oxida lenta ou rapidamente em uma chama para se transformar em seu respectivo óxido:

4 Dy + 3 O₂ → 2 Dy₂OU₃

Esta ferrugem, Dy₂OU₃, tem a particularidade de possuir propriedades magnéticas de magnitudes maiores que as do óxido de ferro, Fe₂OU₃ (ambos sesquióxidos).

Além disso, o disprósio metálico reage facilmente com água fria ou quente para produzir seu hidróxido:

2 Dy + 6 H₂O → 2 Dy (OH)₃ + 3 H₂

E também diretamente com os halogênios para formar uma série de haletos cujos sólidos são brancos ou amarelados esverdeados.

O disprósio é capaz de reagir a altas temperaturas com qualquer um dos não-metais, para produzir compostos onde participa com estados de oxidação de +3 ou +2. Seus sais de oxalato, Dy₂(C₂OU₄)₃, são insolúveis em água, propriedade na qual Lecoq se baseou para ser capaz de separá-los do óxido de hólmio onde estava presente.

Obtendo

Matéria prima

O disprósio faz parte de muitos minerais de terras raras, incluindo: xenotima, monazita, bastnäsita, euxenita, gadolinita, argilas lateríticas, etc. É encontrada com abundância apreciável (7-8%) nas versões ricas em ítrio desses minerais, acompanhada também pelos íons dos metais érbio e hólmio.

No entanto, areias monazíticas e minerais de fosfato de terras raras são a principal fonte mineralógica e comercial para a produção de disprósio.

Produção

O disprósio é um subproduto da extração de ítrio e do processamento metalúrgico. Seus íons Dy³⁺ eles são separados por métodos magnéticos durante um processo de flotação, de forma que permanece um concentrado de íons lantanídeos, que por sua vez acabam sendo separados pela aplicação de técnicas de cromatografia de troca iônica.

Íons corantes³⁺ eles reagem com diferentes halogênios para obter seus haletos, que são finalmente reduzidos usando metais alcalinos ou alcalino-terrosos como agentes redutores:

3 Ca + 2 DyF₃ → 2 Dy + 3 CaF₂

A referida redução metalotérmica é realizada em um cadinho de tântalo sob uma atmosfera inerte de hélio.

A purificação do disprósio é realizada separando-o da mistura resfriada e destilando-o sob vácuo para remover impurezas de outros sais, obtendo-se amostras metálicas cada vez mais puras.

Usos / aplicações

Espectroscopia infravermelha

Os compostos formados entre disprósio e calcogenetos (O, S, Se, etc.) são emissores de radiação infravermelha, que é utilizada em análises espectroscópicas para elucidação de estruturas, caracterizações e monitoramento de reações químicas.

Reatores nucleares

O disprósio é um excelente absorvedor de nêutrons, por isso faz parte das hastes de controle dos reatores de fissão nuclear, de forma que dispersa ou neutraliza o excesso da energia liberada.

Cinetamografia

Lâmpadas contendo iodeto de disprósio, D&I são usadas em estúdios de cinema₃, misturado com iodeto de césio e brometo de mercúrio, caracterizado por sua intensa luminescência.

Computadores

Tanto o disprósio quanto seus íons são muito suscetíveis à magnetização, propriedade que os torna componentes ideais para a fabricação de discos rígidos para computadores e dispositivos de armazenamento de dados em geral.

Ímanes

Os átomos de disprósio também servem como aditivos para poderosos ímãs de neodímio (Nd-Fe-B), usados principalmente para geradores elétricos em turbinas eólicas.

Dosimetria

Da mesma forma, íons disprósio são combinados com alguns sais para lhes dar luminescência, que é ativada pela menor exposição à radiação ionizante, sendo, portanto, utilizados em dispositivos dosimétricos.

Terphenol-D

O disprósio é o componente essencial da liga Terphenol-D, que também contém átomos de érbio e ferro. É um material magnetostritivo, o que significa que muda de forma (se expande ou se contrai) ao interagir com diferentes sentidos de um campo magnético. O Terphenol-D tem aplicações em sistemas de sonar, transdutores, alto-falantes, sensores, etc.

Referências

Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (quarta edição). Mc Graw Hill.
Wikipedia. (2020). Tório. Recuperado de: en.wikipedia.org
Simon Cotton. (1 de dezembro de 2009). Disprósio. Química em seus elementos. Recuperado de: chemicalworld.com
Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2020). Disprósio. Recuperado de: britannica.com
Dr. Doug Stewart. (2020). Fatos sobre o elemento disprósio. Recuperado de: chemicool.com