Neodym är ett kemiskt grundämne med symbolen Nd och atomnummer 60. Det är en mjuk, silverfärgad metall som mattas i luft. Den upptäcktes 1885 av den österrikiske kemisten Carl Auer von Welsbach. Ämnet finns i betydande mängder i monazitsandavlagringar och i mineralet bastnäsit.
Historia
Den sällsynta jordartsmetallen neodym upptäcktes av den österrikiske kemisten baron Karl Auer von Welsbach i Wien 1885. Forskaren isolerade ett nytt ämne (liksom grundämnet praseodym) från ett material som kallas didymium genom fraktionerad kristallisation av dubbelt ammoniumnitrat-tetrahydrat från salpetersyra, efter separation genom spektroskopisk analys. Men fram till 1925 var det inte möjligt att få grundämnet i dess renaste form.
Fram till slutet av 1940-talet var den huvudsakliga kommersiella metoden för att framställa metall dubbelkristallisering av nitrater. Metoden är ineffektiv och mängden av det erhållna ämnet var liten. Lindsay Chemical Division var först med att starta storskalig produktion av neodymjonbytesreningsmetod. Sedan 1950-talet har det höggradigt renade (över 99%) grundämnet huvudsakligen framställts genom en jonbytesprocess från monazit rik på sällsynta jordartsmetaller genom elektrolys av dess halogenids alt.
För närvarande utvinns det mesta av metalliskt neodym från bastnäsit. Framsteg inom teknik och utveckling av förbättrade rengöringsmetoder har gjort att den används i stor utsträckning inom industrin.
Description
Det kemiska elementet förekommer inte naturligt i metallisk form, det är separerat från ämnet didymium, i vilket det blandas med andra lantanider (i synnerhet med praseodym). Även om neodym klassificeras som en sällsynt jordartsmetall, är det ett ganska vanligt grundämne, som förekommer minst lika ofta som kobolt, nickel eller koppar, och är brett utbrett i jordskorpan. Det mesta av ämnet kommer från Kina.
Neodymiumföreningar användes först kommersiellt som glasfärgämnen 1927 och är fortfarande en populär tillsats i glasögonglas. Färgen på neodymföreningar på grund av närvaron av Nd3+ joner har ofta en rödlila nyans, men detta varierar beroende på typ av belysning.
Application
Ndodymium-dopade linser används i lasrar som avger infraröd strålning med våglängder mellan 1047 och 1062 nanometer. De används i system med extremt hög effekt, till exempel i experiment på tröghetinneslutning.
Nd:metall används också med andra kristaller (som yttriumaluminiumgranat) i Nd:YAG-lasrar. Denna inställning avger vanligtvis infraröda strålar med en våglängd på cirka 1064 nm. Det är en av de mest använda halvledarlasrarna.
En annan viktig användning av neodymmetall är som en förstärkande komponent i legeringar som används för att göra kraftfulla, höghållfasta permanentmagneter. De används ofta i produkter som mikrofoner, professionella högtalare, in-ear-hörlurar, högpresterande DC-motorer, datorhårddiskar, där låg magnetisk massa (volym) eller starka magnetfält krävs.
Stora neodymmagneter används i elmotorer med hög effekt och vikt (t.ex. hybridbilar) och generatorer (t.ex. elektriska generatorer för flygplan och vindkraftsparker). Elementet används också för att härda vissa legeringar. Titan blir till exempel en och en halv gånger starkare efter att bara tillsatt 1,5 % av detta ämne.
Fysiska egenskaper
Metallic neodym finns i klassisk mischmetal (en legering av sällsynta jordartsmetaller), där dess koncentration vanligtvis är i storleksordningen 18 %. I sin rena form har elementet en ljus silver-guld metallisk lyster, men oxiderar snabbt i vanlig luft. Ett oxidskikt bildas och flagnar av, vilket utsätter metallen för ytterligare oxidation. Således,centimeter prov av ämnet är fullständigt oxiderat inom ett år.
Neodym finns vanligtvis i två allotropa former, med en centrum-till-centrum-transformation från en dubbel hexagonal kubisk struktur. Det börjar smälta vid 1024°C och koka vid 3074°C. Materialdensiteten i den fasta fasen är 7,01 g/cm3, i flytande tillstånd är 6,89 g/cm3.
Atomic egenskaper:
- Oxidationstillstånd: +4, +3, +2 (basisk oxid).
- Elektronegativitet: 1, 14 (omröstningsskala).
- Värmeledningsförmåga: 16,5 W/(m K).
- Joniseringsenergi: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Atoms radie: 181 picometers.
Kemiska egenskaper
Metal neodym mattas långsamt i luft och brinner lätt vid cirka 150°C för att bilda neodym(III)oxid:
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
Detta är ett elektropositivt element. Den reagerar långsamt med kallt vatten, men ganska snabbt med varmt vatten och bildar neodym(III)hydroxid:
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Metalen reagerar kraftigt med alla halogener, löser sig lätt i utspädd svavelsyra för att bilda lösningar som innehåller den violetta Nd(III)-jonen.
Produktion
Neodymmetall förekommer aldrig som ett fritt element i naturen. Det bryts från malmer som t.exbastnäsit och monazit, där den är förknippad med andra lantanider och andra grundämnen. De huvudsakliga gruvområdena för dessa mineral finns i Kina, USA, Brasilien, Indien, Sri Lanka och Australien. Små fyndigheter har också undersökts i Ryssland.
Reserverna av neodym uppskattas till cirka 8 miljoner ton. Dess koncentration i jordskorpan är cirka 38 mg/kg, vilket är den näst högsta bland de sällsynta jordartsmetallerna efter cerium. Världens metallproduktion är cirka 7000 ton. Huvuddelen av produktionen tillhör Kina. Kinas regering erkände nyligen elementet som strategiskt viktigt och införde restriktioner för dess export, vilket orsakade viss oro i konsumentländer och provocerade fram en kraftig ökning av priset på neodym till 500 dollar. Idag varierar det genomsnittliga priset per kilogram ren metall mellan 300-350 USD, neodymoxider är billigare: 70-130 USD.
Det finns fall då värdet på metallen sjönk till 40 USD på grund av illegal handel, vilket kringgår den kinesiska regeringens restriktioner. Osäkerheter i prissättning och tillgänglighet har fått japanska företag att utveckla permanentmagneter och relaterade elmotorer med färre eller inga sällsynta jordartsmetaller.
