Interested Article - Неодим

60	Неодим
144,242
4f ⁴ 6s ²

Неоди́м ( химический символ — Nd, от лат. Neodymium ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB), шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 60.

Относится к семейству лантаноидов (к его цериевой подгруппе) .

Простое вещество неодим — мягкий металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком.

История

Неодим был открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом . Он разделил дидим — смесь двух редкоземельных металлов, трудно разделяемую из-за чрезвычайной близости их химических свойств и ранее считавшуюся индивидуальным химическим элементом, на неодим и празеодим . Получить неодим в чистом виде, практически свободном от примесей празеодима, удалось лишь в 1925 году .

Происхождение названия

Название «неодим» ( лат. Neodymium ) представляет собой слияние двух греческих слов νέος «новый» и δίδυμος «близнец», что связано с историей открытия элемента .

Нахождение в природе

Содержание неодима в земной коре (по разным данным) — 25—37 г/т, в воде океанов — 9,2⋅10 ⁻⁶ мг/л .

Месторождения

Неодим входит в состав лантаноидов , месторождения которых находятся в России , США , Казахстане , Украине , Австралии , Бразилии , Индии , Скандинавии , Китае . Последний является основным производителем, а также экспортёром неодима.

Общая сырьевая база редкоземельных элементов в мире составляет примерно 100 млн т, из которых на долю КНР приходится до 52 млн тонн. Китай поставляет 92—94 % мировых объёмов редкоземельных элементов.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома неодима: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ⁴

Неодим — мягкий металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Природный неодим очень слабо радиоактивен , он содержит альфа-активный изотоп ¹⁴⁴ Nd с природным изотопным содержанием η = 23,8% и периодом полураспада T _1/2 = 2,29 × 10 ¹⁵ лет , а также изотоп ¹⁵⁰ Nd с η = 5,6% , испытывающий двойной бета-распад с T _1/2 = 9,3 × 10 ¹⁸ лет ) .

При температуре до 883 °C существует как α-Nd — кристаллы гексагональной сингонии , пространственная группа P 6 ₃ /mmc , параметры ячейки a = 0,36579 нм , c = 1,17992 нм , Z = 4 , d = 6,908 г/см ³ , решётка типа лантана . Выше 883 °C переходит в β-Nd — кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm 3 m , параметры ячейки a = 0,413 нм , Z = 2 , d = 6,80 г/см ³ , решётка типа α- железа . Энтальпия перехода α-Nd ↔ β-Nd равна 3,0 кДж/моль . Твёрдость по Бриннелю 350—450 МПа .

Теплоёмкость 27,42 кДж/(моль·К). Температура плавления 1016 °C. Температура кипения 3027 °C. Давление паров при температуре плавления 4,50·10 ⁻³ Па. Энтропия S o
298 = 71,68 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10 ⁻⁶ К ⁻¹ .

Парамагнетик , магнитная восприимчивость +5,628·10 ⁻³ ; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик . Удельное электрическое сопротивление 6,43·10 ⁻⁵ Ом·см .

Химические свойства

Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе и легко загорается при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III) , образующийся слой оксида отслаивается, не образуя защитную плёнку, и металл продолжает окисляться :

{\ce {4 Nd + 3 O2 -> 2 Nd2O3}}

.

Окисление неодима на воздухе происходит более легко, чем у лантана, церия и празеодима, однако он более стоек, чем тяжёлые редкоземельные элементы .

Неодим — довольно электроположительный элемент, он медленно реагирует с холодной водой, но достаточно быстро с горячей водой с образованием гидроксида неодима(III) :

{\ce {2 Nd + 6 H2O -> 2 Nd(OH)3 + 3 H2 ^}}

.

Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:

{\ce {2 Nd + 3 F2 -> 2 NdF3}}

(фиолетовый);

{\ce {2 Nd + 3 Cl2 -> 2 NdCl3}}

(лиловый);

{\ce {2 Nd + 3 Br2 -> 2 NdBr3}}

(фиолетовый);

{\ce {2 Nd + 3 I2 -> 2 NdI3}}

(зелёный)

Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов ${\ce {[Nd (H2O)9]^{3+}}}$ :

{\ce {2 Nd + 3 H2SO4 -> 2 Nd^{3+}\ +\ 3 SO^{2-}4 + 3 H2}}

.

Помимо соединений, где неодим проявляет степень окисления +3 (только они устойчивы в водных растворах ), известны соединения Nd(II) и Nd(IV).

Изотопы

Природный неодим состоит из семи изотопов :

¹⁴² Nd с атомным содержанием в природном неодиме 27,153(40) %;
¹⁴³ Nd, 12,173(26) %;
¹⁴⁴ Nd, 23,798(19) %;
¹⁴⁵ Nd, 8,293(12) %;
¹⁴⁶ Nd, 17,189(32) %;
¹⁴⁸ Nd, 5,756(21) %;
¹⁵⁰ Nd, 5,638(28) %.

Из них пять стабильны, а два слаборадиоактивны: ¹⁴⁴ Nd испытывает альфа-распад с периодом полураспада 2,29(16)⋅10 ¹⁵ лет, а ¹⁵⁰ Nd — двойной бета-распад с периодом полураспада 9,3(7)⋅10 ¹⁸ лет. На 2020 год получено 33 искусственных нестабильных изотопа неодима с массовым числом в диапазоне от 124 до 163; также известны 15 метастабильных возбуждённых состояний его ядер .

Получение

Неодим при разделении редкоземельных элементов концентрируется вместе с лёгкими лантаноидами и выделяется вместе с празеодимом; смесь соединений Pr(III) и Nd(III) называют дидимом. Металлический неодим получают из безводных галогенидов электролизом их расплава или кальциетермическим восстановлением. Электролиз расплава NdF ₃ или NdCl ₃ (с добавками галогенидов Li, К, Са, Ва) ведут при 1000 °C и катодной плотности тока 4,7 А/см²; материал анода и катода — графит .

Цены

Цены на неодим чистотой 99—99,9 % в 2011 году составляли около 110 долларов США за 1 килограмм , в зависимости от применяемой технологии производства и страны-производителя, а также от конечной формы готового изделия и области его применения и использования.

В 2014 году цена неодима 99 % чистоты составляла примерно 70 долларов США за 1 кг . За 2010-е годы цена на неодим выросла на 750 % .

В 2023 году цена составляла ~ 90 $/кг.

Применение

Неодим — один из наиболее широко применяемых металлов из группы лантаноидов наряду с самарием , церием , лантаном и др.

Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения .

Очень важными областями применения неодима являются:

легирование специальных конструкционных сплавов и сталей (модифицирование высококачественных сталей), неодим в виде добавки 1,5 % в полтора раза увеличивает прочность чистого титана и потому служит для его легирования.
производство мощных постоянных магнитов (неодим- иттрий - кобальт , неодим- железо - бор ),

Соединения неодима применяются в сельском хозяйстве (обработка семян с целью ускорения всхожести, урожайности).

Легирование неодимом значительно повышает прочность термоэлектрических материалов на основе теллуридов и селенидов висмута и сурьмы и повышает термо-ЭДС этих материалов. Имеется указание на то, что легирование неодимом термоэлектрических сплавов системы висмут-теллур-цезий также увеличивает их прочность, термо-ЭДС и временну́ю стабильность.

Оксид неодима применяется в качестве диэлектрика со сверхмалым коэффициентом линейного термического расширения и для производства неодимового стекла (см. ниже).

Фторид неодима применяется для получения высококачественных оптоволоконных световодов для волоконной оптики .

Теллурид неодима — очень хороший термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов, которым придаёт повышенную прочность и улучшает электрофизические характеристики (термо-ЭДС около 170 мкВ/К).

В нефтехимическом производстве, при изготовлении синтетического каучука СКД-НД служит катализатором (синтетический каучук дивиниловый на неодимовом катализаторе).

Неодимовое стекло

Минеральное стекло с добавлением оксидов неодима и некоторых других лантаноидов обладает многочисленными полезными физическими и интересными оптическими свойствами, а потому имеет достаточно обширное применение в научных приборах, в аксессуарных и защитных очках , декоративном стеклоделии и другое.

Биологическая роль

Как и многие другие редкоземельные металлы, элементарный неодим не играет значительной биологической роли в живых организмах.

Примечания

Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2013. — Vol. 85 , no. 5 . — P. 1047—1078 . — doi : . 5 февраля 2014 года.
↑ Мартыненко Л. И., Моисеев С. Д., Киселев Ю. М. Неодим // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1992. — Т. 3: Меди — Полимерные. — С. 209. — 639 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8 .
↑ Неодим // Большой Энциклопедический словарь. 2000.
J. P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
↑ Kondev F. G. , Wang M. , Huang W. J. , Naimi S. , Audi G. (англ.) // . — 2021. — Vol. 45 , iss. 3 . — P. 030001-1—030001-180 . — doi : .
↑ Neodymium. Elements // CRC Handbook of Chemistry and Physics / Haynes, William M.. — 97th. — CRC Press , 2016. — P. 4.23. — ISBN 9781498754293 .
(неопр.) . Webelements. Дата обращения: 16 августа 2012. 20 сентября 2012 года.
Meija J. et al. (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2016. — Vol. 88 , no. 3 . — P. 293—306 . — doi : .
(англ.) . Дата обращения: 2 августа 2011. 22 августа 2011 года.
от 16 августа 2011 на Wayback Machine на metal-pages.com, 30.11.2014
от 17 мая 2021 на Wayback Machine от 17 мая 2021 на Wayback Machine // 13.05.2021