Dysprosium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) gebildet, der in AGB-Sternen (asymptotische Riesenäste) mit niedriger bis mittlerer Masse stattfindet, mit einem signifikanten Beitrag des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) bei explosiven Ereignissen wie Supernovae. Aktuelle Nukleosynthesemodelle schätzen, dass etwa 60-70% des solaren Dysprosiums aus dem s-Prozess und 30-40% aus dem r-Prozess stammen. Dieser gemischte Ursprung macht es zu einem interessanten Tracer für beide Nukleosyntheseprozesse.
Die kosmische Häufigkeit von Dysprosium beträgt etwa 1,9×10⁻¹² mal die von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es etwas häufiger als Terbium macht. Aufgrund seiner geraden Ordnungszahl (Z=66) ist es häufiger als seine ungeraden Nachbarn (Tb-65 und Ho-67), entsprechend der Oddo-Harkins-Regel. In der Reihe der Lanthanoide gehört Dysprosium zu den "schweren Seltenen Erden", deren Häufigkeiten mit zunehmender Ordnungszahl allmählich abnehmen, mit Ausnahme der Gadolinium-Anomalie (Z=64), die eine besondere Stabilität aufweist.
Das Dysprosium/Europium-Verhältnis (Dy/Eu) in Sternen wird als Indikator für das Gleichgewicht zwischen s- und r-Prozessen in der Geschichte der Galaxis verwendet. Da Europium fast ausschließlich durch den r-Prozess produziert wird, deutet ein hohes Dy/Eu-Verhältnis in einem Stern auf einen signifikanten Beitrag des s-Prozesses hin. Junge, metallreiche Sterne haben in der Regel höhere Dy/Eu-Verhältnisse als alte, metallarme Sterne, was die progressive Anreicherung der s-Prozess-Produkte während der galaktischen Evolution widerspiegelt.
Dysprosium wurde in den Spektren vieler Sterne nachgewiesen, einschließlich metallarmer Sterne im galaktischen Halo. Seine Spektrallinien (hauptsächlich Dy II) sind in der astronomischen Spektroskopie relativ zugänglich. In chondritischen Meteoriten zeigt Dysprosium eine ähnliche Häufigkeit wie die Sonne, was seinen stellaren Ursprung bestätigt. Isotopenstudien von Dysprosium in refraktären Einschlüssen primitiver Meteoriten haben entscheidende Informationen über die Bedingungen der Entstehung des Sonnensystems und das mögliche Vorhandensein anomalen Sternenmaterials (isotopische Anomalien) geliefert.
Dysprosium leitet seinen Namen vom altgriechischen δυσπρόσιτος (dysprositos) ab, was "schwer zu erreichen" oder "schwer zugänglich" bedeutet. Dieser Name wurde von seinem Entdecker gewählt, um die Schwierigkeiten widerzuspiegeln, die er bei der Isolierung dieses Elements von anderen Seltenen Erden hatte. Im Gegensatz zu anderen Lanthanoiden, die nach Orten oder Personen benannt sind, beschreibt der Name von Dysprosium direkt die Komplexität seiner chemischen Trennung.
Dysprosium wurde 1886 vom französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) entdeckt, der auch für die Entdeckung von Gallium (1875) und Samarium (1879) bekannt ist. Lecoq de Boisbaudran arbeitete an Holmia-Proben (Holmiumoxid) und gelang es ihm nach mehr als 30 Versuchen der fraktionierten Kristallisation, ein neues Oxid zu isolieren, das er als zu einem unbekannten Element gehörend identifizierte. Er beobachtete deutliche Spektrallinien und nannte das neue Element "Dysprosium" wegen der extremen Schwierigkeiten bei seiner Reinigung.
Die Isolierung von Dysprosium in reiner Form war jahrzehntelang eine große technische Herausforderung. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts, mit der Entwicklung von Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionstechniken, konnte Dysprosium mit ausreichender Reinheit für eine vollständige Charakterisierung gewonnen werden. Das Metall selbst wurde erstmals 1906 durch Reduktion von Dysprosiumfluorid mit metallischem Kalzium hergestellt, aber erst in den 1950er Jahren wurden zuverlässige industrielle Verfahren entwickelt.
Dysprosium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 5,2 ppm (parts per million) vorhanden, was es häufiger als Terbium, aber seltener als Gadolinium macht. Unter den schweren Seltenen Erden ist es relativ häufiger.
Die wichtigsten Dysprosium-haltigen Minerale sind Bastnäsit ((Ce,La,Nd,Dy)CO₃F) und Monazit ((Ce,La,Nd,Dy,Th)PO₄), in denen es typischerweise 0,5 bis 1% des gesamten Gehalts an Seltenen Erden ausmacht, und Xenotim (YPO₄), in dem es konzentrierter sein kann.
Die weltweite Produktion von Dysprosiumoxid (Dy₂O₃) beträgt etwa 100 bis 200 Tonnen pro Jahr, was zwar signifikant, aber im Vergleich zu leichten Seltenen Erden wie Cer oder Neodym gering ist. Aufgrund seiner strategischen Bedeutung für Permanentmagnete ist Dysprosium eines der teuersten Seltenen Erden mit typischen Preisen von 300 bis 600 Dollar pro Kilogramm Oxid (mit Spitzen über 2000 $/kg bei Versorgungsengpässen). China dominiert die Produktion mit etwa 85-90% des weltweiten Gesamtvolumens.
Dysprosiummetall wird hauptsächlich durch metallothermische Reduktion von Dysprosiumfluorid (DyF₃) mit metallischem Kalzium in einer inerten Argonatmosphäre hergestellt. Die jährliche Weltproduktion von Dysprosiummetall beträgt etwa 50 bis 100 Tonnen. Das Recycling von Dysprosium aus gebrauchten Permanentmagneten ist zu einer strategischen Priorität geworden und wird intensiv entwickelt, wobei erste industrielle Prozesse nun betriebsbereit sind.
Dysprosium (Symbol Dy, Ordnungszahl 66) ist das zehnte Element der Lanthanoid-Reihe und gehört zu den Seltenen Erden des f-Blocks im Periodensystem. Sein Atom hat 66 Protonen, 98 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{164}\mathrm{Dy}\)) und 66 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁰ 6s². Diese Konfiguration verleiht Dysprosium außergewöhnliche magnetische Eigenschaften.
Dysprosium ist ein silbernes, glänzendes und an der Luft relativ stabiles Metall. Es weist bei Raumtemperatur eine hexagonale dichteste Kugelpackung (hcp) auf. Dysprosium besitzt außergewöhnliche magnetische Eigenschaften: Es ist stark paramagnetisch und zeigt mehrere magnetische Übergänge. Es wird unter 178 K (-95 °C) antiferromagnetisch und unter 85 K (-188 °C) ferromagnetisch. Obwohl diese Temperaturen sehr niedrig sind, ist Dysprosium in Legierungen wie Terfenol-D (mit Terbium und Eisen) entscheidend, die bei Raumtemperatur riesige magnetostriktive Eigenschaften aufweisen.
Dysprosium schmilzt bei 1412 °C (1685 K) und siedet bei 2567 °C (2840 K). Wie die meisten Lanthanoide hat es hohe Schmelz- und Siedepunkte. Dysprosium durchläuft bei 1381 °C eine allotrope Umwandlung, bei der seine Kristallstruktur von hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp) zu kubisch raumzentriert (bcc) wechselt. Seine elektrische Leitfähigkeit ist schlecht, etwa 25-mal niedriger als die von Kupfer. Dysprosium zeigt auch eine elektrische Widerstandsfähigkeit, die stark mit dem Magnetfeld variiert (Magnetowiderstand).
Dysprosium ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil, oxidiert aber langsam zu Dy₂O₃. Es oxidiert schneller, wenn es erhitzt wird, und verbrennt zu Oxid: 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. Dysprosium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Dysprosium(III)-hydroxid Dy(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoff. Es löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren. Das Metall muss unter Mineralöl oder in einer inerten Atmosphäre aufbewahrt werden.
Schmelzpunkt von Dysprosium: 1685 K (1412 °C).
Siedepunkt von Dysprosium: 2840 K (2567 °C).
Néel-Temperatur (antiferromagnetischer Übergang): 178 K (-95 °C).
Curie-Temperatur (ferromagnetischer Übergang): 85 K (-188 °C).
Kristallstruktur bei Raumtemperatur: Hexagonale dichteste Kugelpackung (hcp).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dysprosium-156 — \(\,^{156}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 90 | 155,924283 u | ≈ 0,06 % | Stabil | Leichtestes stabiles Isotop, in der Natur sehr selten. |
| Dysprosium-158 — \(\,^{158}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 92 | 157,924409 u | ≈ 0,10 % | Stabil | Sehr seltenes stabiles Isotop. |
| Dysprosium-160 — \(\,^{160}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 94 | 159,925197 u | ≈ 2,34 % | Stabil | Signifikantes stabiles Isotop unter den natürlichen Isotopen. |
| Dysprosium-161 — \(\,^{161}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 95 | 160,926933 u | ≈ 18,91 % | Stabil | Wichtiges stabiles Isotop, eines der häufigsten. |
| Dysprosium-162 — \(\,^{162}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 96 | 161,926798 u | ≈ 25,51 % | Stabil | Stabiles Isotop, eines der häufigsten in der natürlichen Mischung. |
| Dysprosium-163 — \(\,^{163}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 97 | 162,928731 u | ≈ 24,90 % | Stabil | Hauptstabiles Isotop, mit ähnlicher Häufigkeit wie 162Dy. |
| Dysprosium-164 — \(\,^{164}\mathrm{Dy}\,\) | 66 | 98 | 163,929175 u | ≈ 28,18 % | Stabil | Häufigstes stabiles Isotop in der Natur (~28%). |
N.B. :
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Dysprosium hat 66 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁰ 6s² hat zehn Elektronen in der 4f-Unterschale. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(28) P(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁰ 5s² 5p⁶ 6s².
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 28 Elektronen, verteilt auf 5s² 5p⁶ 4f¹⁰ 5d⁰. Die zehn 4f-Elektronen verleihen Dysprosium seine außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften.
P-Schale (n=6): enthält 2 Elektronen in der 6s²-Unterschale. Diese Elektronen sind die äußeren Valenzelektronen von Dysprosium.
Dysprosium hat effektiv 12 Valenzelektronen: zehn 4f¹⁰-Elektronen und zwei 6s²-Elektronen. Dysprosium zeigt ausschließlich den +3-Oxidationszustand in seinen stabilen Verbindungen. In diesem Zustand verliert Dysprosium seine beiden 6s-Elektronen und ein 4f-Elektron, um das Dy³⁺-Ion mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f⁹ zu bilden. Dieses Ion hat neun Elektronen in der 4f-Unterschale und weist ein starkes magnetisches Moment (10,6 μB) aufgrund seiner ungepaarten Elektronen auf.
Im Gegensatz zu einigen Lanthanoiden wie Europium oder Ytterbium bildet Dysprosium unter normalen Bedingungen keine stabilen +2- oder +4-Oxidationszustände. Einige Dysprosium(II)- und (IV)-Verbindungen wurden unter extremen Bedingungen synthetisiert, sind aber sehr instabil und von labortechnischem Interesse. Der +3-Zustand ist daher der einzige chemisch und technologisch bedeutende.
Die Chemie von Dysprosium wird vom +3-Zustand dominiert. Das Dy³⁺-Ion hat einen Ionenradius von 105,2 pm (für die Koordinationszahl 8) und bildet in wässriger Lösung allgemein blassgelbe Komplexe. Seine magnetischen Eigenschaften werden in magnetokalorischen Materialien und magnetischen Speichergläsern genutzt. Dysprosiumsalze sind paramagnetisch und zeigen im Vergleich zu anderen Lanthanoiden wie Europium oder Terbium eine schwache Lumineszenz.
Dysprosiummetall ist an trockener Luft bei Raumtemperatur relativ stabil und bildet eine dünne Schutzschicht aus Dy₂O₃. Bei hohen Temperaturen (über 200 °C) oxidiert es schnell und verbrennt zu Oxid: 4Dy + 3O₂ → 2Dy₂O₃. Dysprosium(III)-oxid ist ein weißer bis blassgelber Feststoff mit einer kubischen C-Seltenen-Erden-Struktur. In feinem Pulver ist Dysprosium pyrophor und kann sich an der Luft spontan entzünden.
Dysprosium reagiert langsam mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Dysprosium(III)-hydroxid Dy(OH)₃ und Freisetzung von Wasserstoffgas: 2Dy + 6H₂O → 2Dy(OH)₃ + 3H₂↑. Das Hydroxid fällt als gallertartiger, schwer löslicher weißer Feststoff aus. Wie bei anderen Lanthanoiden ist die Reaktion nicht heftig, aber über die Zeit beobachtbar.
Dysprosium reagiert mit allen Halogenen unter Bildung der entsprechenden Trihalogenide: 2Dy + 3F₂ → 2DyF₃ (weißes Fluorid); 2Dy + 3Cl₂ → 2DyCl₃ (blassgelbes Chlorid). Dysprosium löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure) unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung der entsprechenden Dy³⁺-Salze: 2Dy + 6HCl → 2DyCl₃ + 3H₂↑.
Dysprosium reagiert bei mäßigen Temperaturen (300-400 °C) mit Wasserstoff unter Bildung von DyH₂-Hydrid, dann DyH₃ bei höheren Temperaturen. Mit Schwefel bildet es Dy₂S₃-Sulfid. Es reagiert bei hohen Temperaturen (>1000 °C) mit Stickstoff unter Bildung von DyN-Nitrid und mit Kohlenstoff unter Bildung von DyC₂-Carbid. Dysprosium bildet auch viele Koordinationskomplexe mit organischen Liganden, obwohl diese Chemie weniger entwickelt ist als bei einigen anderen Lanthanoiden.
Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Dysprosium ist sein starkes magnetisches Moment. Das Dy³⁺-Ion hat das höchste theoretische magnetische Moment aller Seltenen-Erden-Ionen (10,6 μB, Bohrsche Magnetonen) aufgrund seiner neun ungepaarten Elektronen in der 4f-Unterschale. Obwohl Dysprosiummetall nur bei sehr niedrigen Temperaturen ferromagnetisch ist, ist dieses starke magnetische Ion entscheidend, wenn es in Materialien wie Nd-Fe-B-Magneten oder Terfenol-D-Legierungen eingebaut wird. Dysprosium verbessert die Koerzitivität (Widerstand gegen Entmagnetisierung) und die thermische Stabilität dieser Materialien deutlich.
Die wichtigste und strategischste Anwendung von Dysprosium ist seine Verwendung als Zusatz in Permanentmagneten auf Basis von Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B). Diese Magnete, die kommerziell stärksten verfügbaren, verlieren ihre magnetischen Eigenschaften (insbesondere ihre Koerzitivität) bei hohen Temperaturen (über 100-150 °C). Die Zugabe von einigen Prozent Dysprosium (typischerweise 2-10% Gewichtsanteil, teilweise Ersatz von Neodym) erhöht die maximale Betriebstemperatur considerably, was ihren Einsatz in kritischen Anwendungen wie Elektrofahrzeugmotoren und Windkraftgeneratoren ermöglicht.
Dysprosium wirkt, indem es Neodym in der tetragonalen Nd₂Fe₁₄B-Kristallstruktur ersetzt. Das Dy³⁺-Ion hat eine höhere magnetische Anisotropie als das Nd³⁺-Ion, was die Energie erhöht, die benötigt wird, um die Magnetisierung des Materials umzukehren (Koerzitivität). Diese Verbesserung ist besonders bei hohen Temperaturen wichtig, bei denen thermische Bewegung dazu neigt, die magnetischen Momente zu entkoppeln. Dysprosium konzentriert sich bevorzugt an den Korngrenzen, wo es die Ausbreitung von magnetischen Domänenwänden hemmt und so den Widerstand gegen Entmagnetisierung verstärkt.
Dysprosium-dotierte Nd-Fe-B-Magnete sind unverzichtbar für:
Die steigende Nachfrage nach Dysprosium, kombiniert mit seiner begrenzten und geografisch konzentrierten Produktion (China), macht es zu einem kritischen Rohstoff. Intensive Forschung zielt darauf ab, den Dysprosiumgehalt in Magneten zu reduzieren (z.B. durch mikrostrukturelle Optimierung, wie feinkörnige Magnete), effiziente Recyclingprozesse zu entwickeln und partielle Ersatzstoffe (wie Terbium, ebenfalls selten und teuer) oder technologische Alternativen (seltene-Erden-freie Magnete wie Ferrite oder neue Elektromotorkonzepte) zu finden. Kurz- bis mittelfristig bleibt Dysprosium jedoch für Hochtemperaturanwendungen unersetzlich.
Terfenol-D ist eine Legierung auf Basis von Terbium, Dysprosium und Eisen mit der ungefähren Zusammensetzung Tb0,3Dy0,7Fe₂. Dysprosium, in Kombination mit Terbium, ermöglicht die Anpassung der magnetischen Eigenschaften, um bei Raumtemperatur eine riesige Magnetostriktion (Dimensionsänderung unter Magnetfeld) zu erreichen, während die magnetische Anisotropie minimiert wird. Dysprosium trägt auch dazu bei, die Kosten des Materials im Vergleich zu einer rein Terbium-basierten Legierung zu senken.
Anwendungen umfassen Präzisionsaktoren (Positioniersysteme, Injektoren), Sensoren (Kraftsensoren, Hydrophone), Ultraschallwandler (medizinische Bildgebung, industrielle Reinigung) und Schwingungskontrollsysteme. Obwohl der Terfenol-D-Markt kleiner ist als der der Nd-Fe-B-Magnete, stellt er eine Anwendung mit sehr hohem Mehrwert dar, bei der die einzigartigen Eigenschaften der Legierung ihren hohen Preis rechtfertigen.
Dysprosium hat einen relativ hohen thermischen Neutronenabsorptionsquerschnitt (etwa 940 Barn für die natürliche Isotopenmischung). Einige seiner Isotope, insbesondere Dysprosium-164 (2700 Barn) und Dysprosium-161 (600 Barn), haben noch höhere Querschnitte. Diese Eigenschaft ermöglicht die Verwendung von Dysprosium (in Form von Dy₂O₃-Oxid oder Metall) in Steuerstäben von Kernreaktoren und in Neutronenschutzschirmen.
Wie Gadolinium kann Dysprosium als "abbrennbares Gift" in Kernbrennstoff verwendet werden, um die Überschussreaktivität zu Beginn des Zyklus auszugleichen. Durch die Absorption von Neutronen kontrolliert es die Kettenreaktion und wird allmählich in andere Elemente umgewandelt. Seine Verwendung ist jedoch weniger verbreitet als die von Gadolinium aufgrund seiner höheren Kosten.
Dysprosium und seine Verbindungen weisen eine geringe bis mäßige chemische Toxizität auf, vergleichbar mit anderen Lanthanoiden. Lösliche Salze können Reizungen verursachen. Es wurden keine schweren akuten Toxizitäten oder karzinogenen Effekte nachgewiesen. Die LD50 (letale Dosis 50) von Dysprosiumchlorid bei Ratten beträgt etwa 300-500 mg/kg intravenös. Wie andere Lanthanoide hat Dysprosium keine bekannte biologische Rolle.
Bei Exposition reichert sich Dysprosium hauptsächlich in Leber und Knochen an, mit einer sehr langsamen Ausscheidung (biologische Halbwertszeit von mehreren Jahren für den Knochenanteil). Die Exposition der Allgemeinbevölkerung ist extrem gering und auf Arbeiter in den betreffenden Industrien beschränkt.
Die Hauptumweltauswirkungen sind mit dem Abbau von Seltenen Erden im Allgemeinen verbunden: Abfallproduktion, saure Wässer, radioaktive Rückstände (Thorium, Uran in Monazit). Die Gewinnung von einem Kilogramm Dysprosium erfordert die Verarbeitung mehrerer Tonnen Erz.
Das Recycling von Dysprosium aus gebrauchten Permanentmagneten ist aus mehreren Gründen eine strategische Priorität:
Recyclingtechniken umfassen Hydrometallurgie (Säurelösung gefolgt von Lösungsmittelextraktion) und Pyrometallurgie (Vakuumschmelzen). Die größte Herausforderung ist die Sammlung und Sortierung von Altprodukten, die Magnete enthalten. Pilotprojekte und erste industrielle Recyclinganlagen wurden eingerichtet, insbesondere in Japan und Europa. Die aktuelle Recyclingquote ist noch gering (weniger als 1%), sollte aber mit Regulierungen und wirtschaftlichen Anreizen schnell steigen.
Berufliche Exposition tritt in Bergwerken, Trennungsanlagen, Magnetherstellern und Recyclingstätten auf. Stäube von Dysprosiumverbindungen müssen durch Belüftung und Schutzausrüstung kontrolliert werden. Es gibt keine spezifische Berufskrankheit, die mit Dysprosium in Verbindung gebracht wird, aber die allgemeinen Vorsichtsmaßnahmen für Metallstäube gelten.
