Неодим химический элемент

Неодим (Nd) — это химический элемент, неорганическое вещество, относится к металлам, а точнее — к редкоземельным элементам группы лантаноидов.

Несмотря на свою «редкоземельную» принадлежность (он не так уж и редок в земной коре, но сложен в добыче и разделении), играет критически важную роль в современных технологиях.

Элемент, который лежит в основе многих современных высокотехнологичных устройств и процессов, особенно в области энергетики, электроники и медицины.

Содержание страницы

Что такое неодим

(Neodymium; от греч.— новый и — двойной, близнец), Nd — химический элемент 3-й группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Атомный номер 60, атомная масса 144,24; относится к редкоземельным элементам.

В соединениях проявляет степень окисления +3. Металл серебристо-белого цвета.

Впервые получил (1885) австр. химик К. Ауэр фон Вельсбах.

Содержание в земной коре 2,5 • 10 %. В минералах монаците и бастнезите содержится 11 — 12% Nd₂О₃.

История открытия

История открытия, как и многих других редкоземельных элементов, довольно запутанна и связана с длительными исследованиями.

В 1885 году Австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах сумел разделить элемент, ранее ошибочно считавшийся единым и называвшийся дидимом, на две новые части.

Он назвал эти новые элементы неодимом (что означает «новый близнец» — как бы новый «брат» дидима) и празеодимом.

Чистый металлический неодим был получен лишь гораздо позже, в 1925 году.

Физические свойства

Кристаллическая решетка при комнатной температуре двойная гексагональная плотноупакованная, типа лантана (альфа-неодим), с периодами а = 3,6579 А, с = 11,7992 А.

При т-ре 862° С альфа-неодим переходит в бета-неодим с объемноцентрированной кубической решеткой и периодом а = 4,13А.

Плотность (т-ра 25° С) 7,007 г/см³; t_пл 1024° С; t_кип 3027° С; коэфф. теплопроводности (в интервале т-р 26—30° С) 0,031 кал/см • сек • град; температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 25° С) 6,7 • 10^-6 град-1.

Электрическое сопротивление альфа-неодима (т-ра 25° С) 64,3 • 10^-6 ом . см; температурный коэфф. электр. сопротивления (т-ра 0° С) 1,64 • 10-3 град-1.

Металл неодим парамагнитен. Температура антиферромагн. превращения (Нееля точка) 20 К. При комнатной т-ре модуль норм, упругости 3870 кгс/мм².

У литого образца при т-ре 20° С предел прочности на растяжение 17,4 кгс/мм²; относительное удлинение 11%. Твердость (HV) при т-ре 20° С: литого — 35, кованого — 76.

Металлический высокой чистоты хорошо деформируется на холоду (до 70% обжатия) без разрушения.

Применение промежуточных отжигов позволяет получать тонкую ленту толщиной 0,5 мм и менее.

✨Интересный факт:

Неодимовые магниты являются самыми мощными постоянными магнитами в мире, они относительно чувствительны к нагреву.

Если их нагреть выше определенной температуры (обычно от 80°C до 200°C, в зависимости от марки), они могут безвозвратно потерять часть своих магнитных свойств или полностью размагнититься.

Химические свойства

По химическим свойствам подобен другим редкоземельным элементам.

На воздухе покрывается серой пленкой окиси. При сжигании на воздухе образуется окисел Nd₂О₃.

Образует гидрид NdH₃, нитрид NdN и карбид NdC₂.

Реагирует также с галогенами, халькогенами и др. элементами. При сплавлении с большинством металлов образуются соединения.

Широкие области твердых растворов обнаружены в двойных сплавах неодим с лантаном, празеодимом, плутонием, скандием и торием.

Ограниченная растворимость в жидком состоянии обнаружена в сплавах с титаном, ураном и ванадием.

Реакция с воздухом (кислородом):

Медленно окисляется на воздухе, образуя оксид неодима (III).

4Nd(тв) + 3O₂(г)→2Nd₂O₃

Реакция с водой:

Реагирует с водой (особенно горячей), образуя гидроксид неодима и выделяя водород.

2Nd(тв) + 6H₂O(ж) → 2Nd(OH)₃(тв) + 3H₂(г)

Реакция с галогенами (например, хлором):

Активно реагирует с галогенами, образуя соответствующие галогениды неодима (III).

2Nd(тв) + 3Cl₂(г) → 2NdCl₃(тв)

Реакция с кислотами:

Легко растворяется в разбавленных минеральных кислотах (кроме плавиковой кислоты), образуя соли неодима (III) и выделяя водород.

2Nd(тв) + 3H₂SO₄(р−р) → Nd₂(SO₄)₃(р−р) + 3H₂(г)

Реакция с азотом (при нагревании):

2Nd(тв) + N₂(г) → 2NdN(тв)

Изотопы

Природный неодим состоит из изотопов ¹⁴²Nd (27,11%), ¹⁴³Nd (12,17%), ¹⁴⁴Nd (23,85%), ¹⁴⁶Nd (8,30%),¹⁴⁶Nd (17,22%), ^l48Nd (5,73%) и ¹⁵⁰Nd (5,62%).

Изотоп ¹⁴⁴Nd — слабо альфа-радиоактивен (период полураспада 5 X 10¹⁵ лет).

Получены радиоактивные изотопы с массовыми числами 138—141, 147, 149 и 151. Максим, период полураспада — у изотопа ¹⁴⁷Nd (11,06 дня).

Получение

Чистотой до 99,34% получают восстановлением безводных хлоридов или фторидов чистым кальцием (кальциетермический метод).

Добыча руды: Содержится в составе редкоземельных минералов, таких как монацит и бастнезит.
Разделение: Это самый сложный этап. Из-за крайне высокого химического сходства с другими редкоземельными элементами, неодим отделяют с помощью многократной жидкостной экстракции или ионообменной хроматографии.
Восстановление: Полученные чистые соединения (например, оксид Nd₂O₃ или фторид NdF₃) затем восстанавливают до чистого металлического неодима при высоких температурах, используя более активные металлы (например, кальций или литий).

Применение

Выпускают неодим в виде слитков. Используют гл. обр. в металлургии.

Входит в состав мишметалла, улучшает мех. св-ва магния сплавов, повышая сопротивление ползучести и пластические св-ва.

Окись неодима как диэлектрик с малым температурным коэфф. линейного расширения используют при изготовлении электронных приборов.

Вместе с пятиокисью ванадия ее используют также при изготовлении оптического стекла для фотометров и др. устройств.

Радиоактивный изотоп ¹⁴⁷Nd применяют как радиоактивный индикатор.

Мощные постоянные магниты (NdFeB-магниты): для электродвигателей (электромобили, ветряные турбины), жестких дисков, наушников, смартфонов.
Лазеры (Nd:YAG-лазеры): в медицине (хирургия, офтальмология), промышленности (резка, сварка), косметологии.
Окрашивание стекла и керамики: придает уникальные фиолетовые, пурпурные или красные оттенки, меняющиеся при освещении.
Катализаторы: в некоторых химических процессах.

Часто задаваемые вопросы

Где добывают неодим?

Добывают в различных странах, но Китай является безусловным мировым лидером по его добыче и экспорту.

Крупные месторождения лантаноидов, в состав которых входит неодим, также находятся в:

России, США, Казахстане, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавских странах.

Опасность для здоровья и окружающей среды?

Для здоровья: Пыль и пары неодима могут вызывать раздражение дыхательных путей, глаз и кожи.

Длительное воздействие высоких концентраций может привести к повреждению легких (например, фиброзу).

Для окружающей среды: Может накапливаться в почве и воде, потенциально оказывая негативное влияние на растения и водные организмы.

Почему магниты содержащие неодим такие сильные?

Магниты, содержащие неодим (чаще всего сплав неодим-железо-бор, NdFeB), такие сильные благодаря:

Уникальному электронному строению неодима: Его атомы имеют очень сильные собственные магнитные моменты.

Особой кристаллической структуре сплава: Эта структура позволяет этим атомным магнитным моментам очень эффективно выстраиваться и усиливать друг друга, создавая мощное и стабильное магнитное поле.