Neodym to pierwiastek chemiczny o symbolu Nd i liczbie atomowej 60. Jest to miękki, srebrzysty metal, który matowieje w powietrzu. Został odkryty w 1885 roku przez austriackiego chemika Carla Auera von Welsbacha. Substancja występuje w znacznych ilościach w piaskach monazytowych oraz w mineralnym bastnazycie.
Historia
Neodym z metalu ziem rzadkich został odkryty przez austriackiego chemika barona Karla Auera von Welsbacha w Wiedniu w 1885 roku. Naukowiec wyizolował nową substancję (a także pierwiastek prazeodym) z materiału zwanego dydymem poprzez frakcyjną krystalizację podwójnego tetrahydratu azotanu amonu z kwasu azotowego, po oddzieleniu metodą analizy spektroskopowej. Jednak aż do 1925 roku nie udało się uzyskać pierwiastka w jego najczystszej postaci.
Do późnych lat czterdziestych główną komercyjną metodą produkcji metalu była podwójna krystalizacja azotanów. Metoda jest nieskuteczna, a ilość uzyskanej substancji była niewielka. Lindsay Chemical Division jako pierwszy rozpoczął produkcję neodymu na dużą skalęmetoda oczyszczania jonowymiennego. Od lat 50. ten wysoce oczyszczony (powyżej 99%) pierwiastek był wytwarzany głównie w procesie wymiany jonowej z monazytu bogatego w pierwiastki ziem rzadkich poprzez elektrolizę jego soli halogenkowych.
Obecnie większość metalicznego neodymu jest pozyskiwana z bastnazytu. Postępy w technologii i rozwój ulepszonych metod czyszczenia sprawiły, że jest ona szeroko stosowana w przemyśle.
Opis
Pierwiastek chemiczny nie występuje naturalnie w postaci metalicznej, jest oddzielony od substancji didym, w której jest mieszany z innymi lantanowcami (w szczególności z prazeodymem). Chociaż neodym jest klasyfikowany jako metal ziem rzadkich, jest dość powszechnym pierwiastkiem, występującym co najmniej tak często jak kob alt, nikiel czy miedź i jest szeroko rozpowszechniony w skorupie ziemskiej. Większość substancji pochodzi z Chin.
Związki neodymu zostały po raz pierwszy użyte komercyjnie jako barwniki do szkła w 1927 roku i pozostają popularnym dodatkiem do soczewek okularowych. Barwa związków neodymu ze względu na obecność jonów Nd3+ często ma czerwonawo-fioletowy odcień, ale zmienia się to w zależności od rodzaju oświetlenia.
Aplikacja
Soczewki domieszkowane ndodymem są używane w laserach, które emitują promieniowanie podczerwone o długości fali od 1047 do 1062 nanometrów. Stosowane są w układach o ekstremalnie dużej mocy, np. w eksperymentach na bezwładnościpowstrzymywanie.
Nd:metal jest również używany z innymi kryształami (takimi jak granat itrowo-aluminiowy) w laserach Nd:YAG. Ta konfiguracja zazwyczaj emituje promienie podczerwone o długości fali około 1064 nm. Jest to jeden z najczęściej używanych laserów na ciele stałym.
Kolejnym ważnym zastosowaniem metalu neodymowego jest składnik wzmacniający w stopach używanych do wytwarzania silnych, wytrzymałych magnesów trwałych. Są szeroko stosowane w produktach takich jak mikrofony, profesjonalne głośniki, słuchawki douszne, wysokowydajne silniki prądu stałego, komputerowe dyski twarde, gdzie wymagana jest niska masa magnetyczna (objętość) lub silne pola magnetyczne.
Duże magnesy neodymowe są stosowane w silnikach elektrycznych dużej mocy i masie (np. samochody hybrydowe) i generatorach (np. generatory elektryczne w samolotach i farmach wiatrowych). Element służy również do utwardzania niektórych stopów. Na przykład tytan staje się półtora raza silniejszy po dodaniu zaledwie 1,5% tej substancji.
Właściwości fizyczne
Metaliczny neodym występuje w klasycznym miszmetalu (stopie pierwiastków ziem rzadkich), gdzie jego stężenie jest zwykle rzędu 18%. W czystej postaci pierwiastek ma jasny srebrno-złoty metaliczny połysk, ale szybko utlenia się w zwykłym powietrzu. Warstwa tlenku tworzy się i odpada, narażając metal na dalsze utlenianie. Zatem,centymetrowa próbka substancji jest całkowicie utleniona w ciągu roku.
Neodym zwykle występuje w dwóch formach alotropowych, z transformacją od środka do środka z podwójnej heksagonalnej struktury sześciennej. Zaczyna topnieć w 1024°C i wrzeć w 3074°C. Gęstość materii w fazie stałej wynosi 7,01 g/cm3, w stanie ciekłym 6,89 g/cm3.
Właściwości atomowe:
- Stan utlenienia: +4, +3, +2 (podstawowy tlenek).
- Elektronegatywność: 1, 14 (skala odpytywania).
- Przewodność cieplna: 16,5 W/(m·K).
- Energia jonizacji: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Promień atomu: 181 pikometrów.
Właściwości chemiczne
Metalowy neodym powoli matowieje w powietrzu i łatwo pali się w temperaturze około 150°C, tworząc tlenek neodymu(III):
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
To jest pierwiastek elektropozytywny. Reaguje powoli z zimną wodą, ale dość szybko z gorącą, tworząc wodorotlenek neodymu(III):
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Metal reaguje energicznie ze wszystkimi halogenami, łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym, tworząc roztwory zawierające fioletowy jon Nd(III).
Produkcja
Neodymowy metal nigdy nie występuje w naturze jako wolny pierwiastek. Jest wydobywany z rud takich jakbastnäsite i monazyt, w którym jest związany z innymi lantanowcami i innymi pierwiastkami. Główne obszary wydobycia tych minerałów znajdują się w Chinach, USA, Brazylii, Indiach, Sri Lance i Australii. Małe złoża zostały również zbadane w Rosji.
Rezerwy neodymu szacuje się na około 8 milionów ton. Jego stężenie w skorupie ziemskiej wynosi około 38 mg/kg, co jest drugim po ceru najwyższym wśród pierwiastków ziem rzadkich. Światowa produkcja metali wynosi około 7000 ton. Główna część produkcji należy do Chin. Niedawno rząd ChRL uznał ten pierwiastek za strategicznie ważny i nałożył ograniczenia na jego eksport, wywołując pewne obawy w krajach konsumenckich i prowokując gwałtowny wzrost ceny neodymu do 500 USD. Dziś średnia cena za kilogram czystego metalu waha się między 300-350 USD, tlenki neodymu są tańsze: 70-130 USD.
Zdarzają się przypadki, gdy wartość metalu spadła do 40 dolarów z powodu nielegalnego handlu, z pominięciem ograniczeń chińskiego rządu. Niepewne ceny i dostępność skłoniły japońskie firmy do opracowania magnesów trwałych i powiązanych silników elektrycznych z mniejszą liczbą lub bez pierwiastków ziem rzadkich.
