Το νεοδύμιο είναι ένα χημικό στοιχείο με σύμβολο Nd και ατομικό αριθμό 60. Είναι ένα μαλακό, ασημί μέταλλο που αμαυρώνει στον αέρα. Ανακαλύφθηκε το 1885 από τον Αυστριακό χημικό Carl Auer von Welsbach. Η ουσία υπάρχει σε σημαντικές ποσότητες στα κοιτάσματα άμμου μοναζίτη και στον ορυκτό bastnäsite.
Ιστορία
Το νεοδύμιο μετάλλων σπανίων γαιών ανακαλύφθηκε από τον Αυστριακό χημικό βαρόνο Karl Auer von Welsbach στη Βιέννη το 1885. Ο επιστήμονας απομόνωσε μια νέα ουσία (καθώς και το στοιχείο πρασεοδύμιο) από ένα υλικό γνωστό ως διδύμιο με κλασματική κρυστάλλωση διπλού τετραένυδρου νιτρικού αμμωνίου από νιτρικό οξύ, μετά από διαχωρισμό με φασματοσκοπική ανάλυση. Ωστόσο, μέχρι το 1925 δεν ήταν δυνατό να αποκτηθεί το στοιχείο στην πιο καθαρή του μορφή.
Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1940, η κύρια εμπορική μέθοδος για την παραγωγή μετάλλου ήταν η διπλή κρυστάλλωση των νιτρικών αλάτων. Η μέθοδος είναι αναποτελεσματική και η ποσότητα της ουσίας που ελήφθη ήταν μικρή. Η Lindsay Chemical Division ήταν η πρώτη που ξεκίνησε την παραγωγή νεοδυμίου σε μεγάλη κλίμακαμέθοδος καθαρισμού ανταλλαγής ιόντων. Από τη δεκαετία του 1950, το στοιχείο υψηλής καθαρότητας (πάνω από 99%) παράγεται κυρίως με μια διαδικασία ανταλλαγής ιόντων από μοναζίτη πλούσιο σε σπάνιες γαίες με ηλεκτρόλυση των αλάτων του αλογονιδίου.
Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος του μεταλλικού νεοδύμιου εξάγεται από το bastnäsite. Η πρόοδος της τεχνολογίας και η ανάπτυξη βελτιωμένων μεθόδων καθαρισμού το έχουν κάνει ευρέως χρησιμοποιούμενο στη βιομηχανία.
Περιγραφή
Το χημικό στοιχείο δεν απαντάται φυσικά σε μεταλλική μορφή, διαχωρίζεται από την ουσία δίδυμο, στην οποία αναμιγνύεται με άλλες λανθανίδες (ιδίως με το πρασεοδύμιο). Αν και το νεοδύμιο ταξινομείται ως μέταλλο σπάνιων γαιών, είναι ένα αρκετά κοινό στοιχείο, που εμφανίζεται τουλάχιστον τόσο συχνά όσο το κοβάλτιο, το νικέλιο ή ο χαλκός, και είναι ευρέως κατανεμημένο στον φλοιό της γης. Το μεγαλύτερο μέρος της ουσίας προέρχεται από την Κίνα.
Οι ενώσεις νεοδυμίου χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά εμπορικά ως χρωστικές για γυαλί το 1927 και παραμένουν ένα δημοφιλές πρόσθετο στους φακούς γυαλιών. Το χρώμα των ενώσεων νεοδυμίου λόγω της παρουσίας ιόντων Nd3+ έχει συχνά μια κοκκινωπή-μοβ απόχρωση, αλλά αυτή ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο φωτισμού.
Αίτηση
Οι φακοί με νδοδύμιο χρησιμοποιούνται σε λέιζερ που εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 1047 και 1062 νανόμετρα. Χρησιμοποιούνται σε συστήματα με εξαιρετικά υψηλή ισχύ, για παράδειγμα, σε πειράματα αδράνειαςπεριορισμός.
Nd:μέταλλο χρησιμοποιείται επίσης με άλλους κρυστάλλους (όπως γρανάτη αλουμινίου υττρίου) στα λέιζερ Nd:YAG. Αυτή η ρύθμιση εκπέμπει συνήθως υπέρυθρες ακτίνες με μήκος κύματος περίπου 1064 nm. Είναι ένα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα λέιζερ στερεάς κατάστασης.
Μια άλλη σημαντική χρήση του μετάλλου νεοδυμίου είναι ως ενισχυτικό συστατικό σε κράματα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ισχυρών μόνιμων μαγνητών υψηλής αντοχής. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε προϊόντα όπως μικρόφωνα, επαγγελματικά μεγάφωνα, ακουστικά για το αυτί, κινητήρες DC υψηλής απόδοσης, σκληρούς δίσκους υπολογιστών, όπου απαιτείται χαμηλή μαγνητική μάζα (όγκος) ή ισχυρά μαγνητικά πεδία.
Μεγάλοι μαγνήτες νεοδυμίου χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες υψηλής ισχύος και βάρους (π.χ. υβριδικά αυτοκίνητα) και γεννήτριες (π.χ. ηλεκτρικές γεννήτριες αεροσκαφών και αιολικών πάρκων). Επίσης, το στοιχείο χρησιμοποιείται για τη σκλήρυνση ορισμένων κραμάτων. Για παράδειγμα, το τιτάνιο γίνεται μιάμιση φορά ισχυρότερο μετά την προσθήκη μόλις 1,5% αυτής της ουσίας.
Φυσικές ιδιότητες
Μεταλλικό νεοδύμιο υπάρχει στο κλασικό mischmetal (κράμα στοιχείων σπάνιων γαιών), όπου η συγκέντρωσή του είναι συνήθως της τάξης του 18%. Στην καθαρή του μορφή, το στοιχείο έχει μια λαμπερή ασημί-χρυσή μεταλλική λάμψη, αλλά γρήγορα οξειδώνεται στον συνηθισμένο αέρα. Σχηματίζεται ένα στρώμα οξειδίου και ξεφλουδίζει, εκθέτοντας το μέταλλο σε περαιτέρω οξείδωση. Ετσι,δείγμα εκατοστού της ουσίας οξειδώνεται πλήρως μέσα σε ένα χρόνο.
Το νεοδύμιο υπάρχει συνήθως σε δύο αλλοτροπικές μορφές, με μετασχηματισμό από κέντρο σε κέντρο από μια διπλή εξαγωνική κυβική δομή. Αρχίζει να λιώνει στους 1024°C και να βράζει στους 3074°C. Η πυκνότητα της ύλης στη στερεά φάση είναι 7,01 g/cm3, στην υγρή κατάσταση είναι 6,89 g/cm3.
Ατομικές ιδιότητες:
- Κατάσταση οξείδωσης: +4, +3, +2 (βασικό οξείδιο).
- Ηλεκτραρνητικότητα: 1, 14 (Κλίμακα δημοσκοπήσεων).
- Θερμική αγωγιμότητα: 16,5 W/(m K).
- Ενέργεια ιονισμού: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Ακτίνα ενός ατόμου: 181 πικόμετρα.
Χημικές ιδιότητες
Το μεταλλικό νεοδύμιο αμαυρώνεται αργά στον αέρα και καίγεται εύκολα στους 150°C περίπου για να σχηματίσει οξείδιο νεοδυμίου(III):
4Nd + 3O2 → 2η2O3
Αυτό είναι ένα ηλεκτροθετικό στοιχείο. Αντιδρά αργά με κρύο νερό, αλλά μάλλον γρήγορα με ζεστό νερό, σχηματίζοντας υδροξείδιο νεοδυμίου (III):
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (υδ.) + 3H 2(g)
Το μέταλλο αντιδρά έντονα με όλα τα αλογόνα, διαλύεται εύκολα σε αραιό θειικό οξύ για να σχηματίσει διαλύματα που περιέχουν το ιόν ιώδου Nd(III).
Παραγωγή
Το μέταλλο νεοδύμιο δεν εμφανίζεται ποτέ ως ελεύθερο στοιχείο στη φύση. Εξορύσσεται από μεταλλεύματα όπως π.χο μπαστονσίτης και ο μοναζίτης, στους οποίους συνδέεται με άλλες λανθανίδες και άλλα στοιχεία. Οι κύριες περιοχές εξόρυξης αυτών των ορυκτών βρίσκονται στην Κίνα, τις ΗΠΑ, τη Βραζιλία, την Ινδία, τη Σρι Λάνκα και την Αυστραλία. Μικρά κοιτάσματα έχουν επίσης εξερευνηθεί στη Ρωσία.
Τα αποθέματα νεοδυμίου υπολογίζονται σε περίπου 8 εκατομμύρια τόνους. Η συγκέντρωσή του στον φλοιό της Γης είναι περίπου 38 mg/kg, που είναι το δεύτερο υψηλότερο μεταξύ των στοιχείων σπανίων γαιών μετά το δημήτριο. Η παγκόσμια παραγωγή μετάλλων είναι περίπου 7000 τόνοι. Το κύριο μέρος της παραγωγής ανήκει στην Κίνα. Η κυβέρνηση της ΛΔΚ αναγνώρισε πρόσφατα το στοιχείο ως στρατηγικά σημαντικό και επέβαλε περιορισμούς στις εξαγωγές του, προκαλώντας κάποια ανησυχία στις καταναλωτικές χώρες και προκαλώντας απότομη αύξηση της τιμής του νεοδυμίου στα 500 δολάρια. Σήμερα, η μέση τιμή ανά κιλό καθαρού μετάλλου κυμαίνεται μεταξύ 300-350 $, τα οξείδια νεοδυμίου είναι φθηνότερα: 70-130 $.
Υπάρχουν περιπτώσεις που η αξία του μετάλλου έπεσε στα 40 δολάρια λόγω παράνομου εμπορίου, παρακάμπτοντας τους περιορισμούς της κινεζικής κυβέρνησης. Οι αβεβαιότητες τιμολόγησης και διαθεσιμότητας οδήγησαν τις ιαπωνικές εταιρείες να αναπτύξουν μόνιμους μαγνήτες και σχετικούς ηλεκτρικούς κινητήρες με λιγότερα ή καθόλου στοιχεία σπάνιων γαιών.
