Disprosyum, nadir toprak elementlerinden bir metaldir. Ticari anlamda kullanımı yok denecek kadar azdır. Manyetik özellikleri sebebiyle kalıcı mıknatıslarda kullanılır. Disprosyumun karakteristik özellikleri, az miktarda bir yabancı madde karıştırılsa bile değişkenlik gösterir. Paramanyetik direnci, yüksek sıcaklıklara dayanıklılığı sebebiyle ayrıcalıklı uygulamalarda tercih edilen bir elementtir. Eşsiz özellikleri belirli uygulamalar için çok ideal kullanım olanakları sunar. Dünyadaki disprosyum üretiminin yüzde 99’u Çin’de gerçekleştiriliyor. Adını hemen hemen hiç duymadığımız bir metal olan disprosyum, çok zor, karmaşık bir dizi prosedürle keşfedilebilmiş. Bu sebeple de “zor elde edilen” anlamına gelen bir kelimeden esinlenilerek bu isim verilmiş. Zor, nadir ve karmaşık bu elementle ilgili detayları makalemizde bulabilirsiniz.
Tarihçesi
Disprosyum, 1886 yılında Fransız kimyager Paul Emile Lecog de Boisbaudran tarafından keşfedilmiştir. 1878 yılında eriyum cevherlerinde holmiyum ve tulyum oksitleri tespit edildi. 1886 yılında Paris’te holmiyum oksitte çalışma yapan Boisbaudran, disprosyum oksit izole etti. Boisbaudran, disprosyumu izole etmek için çok karmaşık ve uzun bir prosedür uyguladı. Bu prosedür, amonyak kullanarak 32 hidroksit çökeltisini ve ardından çözünmeyen 26 oksalat tuzunun çökelmesini içeren bir çalışmaydı. 1906 yılında Georges Urbain tarafından elementin daha saf formları izole edildi.
Disprosyum, 1950 yılında Iowa Üniversitesi bilim adamlarından Kanadalı bilim adamı Frank Harold Spedding tarafından iyon değişimi ve metalografik indirgeme yöntemlerinin geliştirilmesi ile saf olarak izole edilebilmiştir. 1980’li yıllarda disprosyumun da bulunduğu “Terfenol-D” alaşımı geliştirildi ve bu alaşım donanma sonar uygulamalarında kullanılmaya başlandı. Disprosyum, 1980’li yıllardan itibaren kalıcı mıknatıslarda bir bileşen olarak kullanılmaya başlandı. Böylece, dönemin en güçlü kalıcı mıknatısı samaryum-kobalt mıknatıslarından daha güçlü ve daha ucuz mıknatıslar üretilmesinin yolu açıldı.
“Disprosyum” kelimesi, Yunanca “zor erişilebilir”, “elde edilmesi zor” anlamındaki “dysprositos” sözcüğünden esinlenilerek türetilmiştir.
Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Disprosyumun kimyasal simgesi “Dy”dir. Atom numarası 66, atom ağırlığı 162,50’dir. Erime noktası 1412 derece, kaynama noktası 2567 derecedir. Nadir toprak elementleri yani lantanit element serisinde yer alır. Fiziksel özellikleri, az miktardaki yabancı bir maddeden bile yüksek oranda etkilenebilir. Metal gümüş renginde, parlak bir metaldir. Bıçakla kesilebilecek kadar yumuşaktır. Aşırı ısınması önlendiğinde kıvılcım çıkarmadan işlenebilir. Kristal yapısı hekzagonaldır. Elektropozitifliği yüksektir.
Disprosyum, -118 derecenin altındaki sıcaklıklarda ferromanyetiktir; yani normalde mıknatıslık özelliği olmadığı halde mıknatıslanır. -118 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda antiferromanyetik özelliğe dönüşür. Bu olağan dışı antiferromanyetizma -94 derecede düzensiz bir duruma gelir. (Antiferromanyetizma; kristaldeki iki atom birbirine çok yaklaştığında manyetik momentleri aynı yönde duramaz; paralel olmayan şekilde yönelirler. Bu duruma antiferromanyetizma ve antiferromanyetik adı verilir.) -94 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda paramanyetikliği yüksektir; yani geniş sıcaklık aralıklarında manyetik alanlara çekilebilir; herhangi bir mıknatısın manyetik alan içinde o mıknatısın manyetik alan çizgileri ile aynı yönde mıknatıslanabilir; kendisini mıknatıslaştıran madde tarafından çekilir.
Disprosyum metali, oksit oluşturmak için havada yavaşça yanar. Oda sıcaklığında havada tepki verme eğilimi azdır. 200 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda tüm halojenlerle şiddetle tepki verir. Disprosyum hidroksit oluşturmak için soğuk suyla yavaş, sıcak suyla hızlı reaksiyona girer. Seyreltik sülfürik asitte kolayca çözünür. Seyreltik ve derişik mineral asitlerinde hidrojen açığa çıkararak çözünür. Hidroforik asitte yüzeyinde koruyucu flüorür tabaka oluşur. Halojenürleri sarı renktedir. Disprosyum oksit, “disproya” olarak da bilinir. Disproya, demir oksitten çok daha manyetik olan beyaz bir tozdur. Tuzları kolayca tutuşur, beyaz alevle yanar. Disprosyum nitrat, güçlü bir oksitleyici ajandır, organik maddelerle temas ettiğinde kolaylıkla tutuşabilir. Önemli disprosyum bileşikleri şunlardır; disprosyum florür, disprosyum iyodür ve disprosyum sülfat. Bileşikleri genellikle +3 oksidasyon durumu sergiler.
Doğada saf olarak bulunmaz. Yerkabuğunda ağırlık olarak kilogram başına 5,2 miligram disprosyum içerdiği vardır. Deniz suyunda ise litrede 0,9 nanogram disprosyum içeriği bulunur. Nadir toprak elementleri mineralleri arasında oluşur. Başlıca mineralleri; ksenotim, fergusonit, gadolinit, öksenit, polikeraz, blomstrandin, monazit, bastnasittir. Genellikle nadir toprak elementleri erbiyum ve holmiyum ile birlikte oluşur. Nükleer fisyon ürünleri arasında da bulunur. Ticari olarak sıvı ekstraksiyonu ve iyon değişimi yöntemleri ile elde edilir. Metal disprosyum, susuz halidlerin alkali ve toprak alkali metallerle metalotermik yöntemle indirgenmesi ile hazırlanır.
Disprosyum, doğada 7 izotopun karışımından oluşur. Bu izotoplar; Dy-156, Dy-158, Dy-160, Dy-161, Dy-162, Dy-163 ve Dy-164’tür. En bol olduğu izotop Dy-164’tür. Atom kütle numaraları 138 ila 173 arasında değişen 29 radyoaktif izotopu karakterize edilmiştir. Bu izotoplar arasında en kararlı olanı Dy-154’tür ve yarılanma ömrü yaklaşık 3 milyon yıldır. En az kararlı izotopu Dy-138’in yarılanma ömrü 200 milisaniyedir. Atom kütlesi 140 ila 165 arasında değişen 11 metastabil izomeri de bulunur. Bu izotoplardan en kararlı olan Dy-165m’nin yarılanma ömrü 1,2 dakikadır.
Hangi Alanlarda Uygulaması Vardır?
Disprosyum, az sayıda uygulamada kullanılır. Ticari olarak saf halde ve yapısal alaşımlarda kullanımı yoktur. Disprosyum, “Terfenol-D” adı verilen manyetostriktif alaşımın bileşenlerinden biridir. Disprosyum, terbiyum ve demirden oluşan bu alaşım, yüksek manyetik duyarlılığa sahiptir ve manyetik alan içinde genişleyip daralabilir. Bu özelliğine manyetostriktif veya manyetostriksiyon adı verilir. Bu alaşım, SoundBug adı verilen ve masa gibi düz yüzeyleri hoparlör zemini haline getirebilen hoparlörlerin de ana bileşenidir. Disprosyum oksit (disproya), nikel çimentosunda kullanılan nükleer reaktörlerin soğutma çubuklarının bir bileşenidir. Vanadyum ve benzeri elementlerle alaşımları lazer yapımında kullanılır. Yüksek erime noktası ve yüksek termal nötron emilim kesiti özellikleri sebebiyle nükleer reaktörlerde kullanılan kontrol çubuklarının üretiminde ideal bir elementtir. Disprosyum-kadmiyum kalkogenitler, kimyasal reaksiyon gözlemlerinde kızılötesi ışınım kaynağıdır. Disprosyum iyodür, film sektöründe kullanılan lambalarda yoğun beyaz bir ışık verir.
Disprosyumun yüksek paramanyetik özelliği, manyetik rezonans (MR) uygulamalarında görüntüleme ajanı olarak kullanılmasına olanak sağlar. Nano mıknatıs yapımında kullanılması ile ilgili araştırmalar yapılmış; ancak oksitlenme eğilimi sebebiyle uygulanamamıştır. Neodim-demir-bor alaşımı mıknatıslara yüzde 3 ila 6 oranında disprosyum ilave edilmesiyle mıknatısın Curie noktası ve tutma-kavrama oranı artar. Böylece mıknatısların yüksek sıcaklıklara dayanıklılığını ve performansını artırır, manyetizasyonunu azaltır.
Disprosyum, alaşımları ve bileşiklerinin kullanıldığı bazı alan ve ürünler şunlardır; nükleer reaktör kontrol çubukları, veri saklama uygulamaları, kompakt diskler, sabit diskler, rüzgâr türbini jeneratörleri, elektrikli bisikletler, enerji depolama sistemleri, kimyasal reaksiyonlar, kapasitörler, deşarj lambaları, lazer malzemeleri, dozimetreler, nanofiberler, sensörler…
Bunları Biliyor Musunuz?
- Disprosyum, elementler arasında özellikle düşük sıcaklıklarda en yüksek manyetik momenti (bir manyetik alandan etkilenen çekim gücü ve yönü) olan elementlerden biridir; diğeri holmiyumdur.
- Çözünebilen disprosyum tuzları hafif toksik yani zehirlidir. Çözünmeyen tuzları toksik değildir.
- Disprosyum cevherlerinin bulunduğu başlıca ülkeler şunlardır; Çin, Batı Avustralya ve Malezya.
- Disprosyum üretiminde dünya lideri olan Çin, bu elementin pazarını da elinde bulunduruyor. Disprosyum üretiminin yüzde 99’u Çin’de gerçekleştiriliyor.
- Dünya genelinde disprosyum üretimi yıllık 100 ton civarındadır. Bu miktar, her yıl rafine edilen nadir toprak elementlerinin yalnızca yüzde 1’ine tekabül eder.
- Yüzde 99 saflıkta 1 kilogram disprosyumun fiyatı 300 dolar civarındadır.