Неодим

Неодим (Nd)
Атомний номер	60
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-білий рідкоземельний метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	144,24 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	182 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	531,5(5,51) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Xe] 4f^4 6s^2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	184 пм
Радіус іона	99.(+3e) 5 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1,14
Електродний потенціал	Nd←Nd^3+ -2,32В Nd←Nd^2+ -2,2В
Ступені окиснення	3
Термодинамічні властивості
Густина	7,007 г/см³
Молярна теплоємність	0,205 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	(16,5) Вт/(м·К)
Температура плавлення	1294 К
Теплота плавлення	7,1 кДж/моль
Температура кипіння	3341 К
Теплота випаровування	289 кДж/моль
Молярний об'єм	20,6 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	гексагональна
Період ґратки	3,660 Å
Відношення с/а	1,614
Температура Дебая	n/a К
Інші властовості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Неодим у Вікісховищі

Неодим (англ. neodymium, нім. Neodym n) — хімічний елемент. Символ Nd, ат. н. 60, ат. м. 144,24, належить до лантаноїдів. Сріблясто-білий метал. Нижче 885 °С кристалічна ґратка гексагональна, щільно упакована (α-Nd), вище — кубічна (β-Nd). Густина 7,007 г/см³. t_пл = 1024 °С; t_кип = 3030 °С.

Середній вміст неодиму в земній корі 3,7•10^–3 за масою. Як і всі інші лантаноїди, неодим присутній в багатьох рідкісноземельних мінералах — у ксенотимі, монациті, ортиті, бастнезиті і ін.

Історія

У 1843 році Карл Густав Мосандер повідомив про розкладання церівої землі на власне церієву, а також лантанову і дідимієву. За властивостями дідим був дуже схожим на лантан, тому і отримав назву від грец. δίδυμος, дос. «близнюк». Пізніше, при очищенні дідиму були отримані самарій і гадоліній, і, нарешті, у 1885 році австрійський хімік Карл Ауер фон Вельсбах встановив, що сам дідим є сумішшю двох елементів, що отримали назви неодим і празеодим^[1].

Назва неодиму походить від грецьких слів «neos» та «didimos» (у латинській транскрипції) відповідно в українському перекладі «новий» та «близнюк».

Чистий неодим був отриманий лише у 1925 році.

У 1983 році були вперше виготовлені неодимові магніти, які зараз є основним способом використання неодиму^[2].

Фізичні властивості

Сріблясто-білий метал. При температурі нижче 885 °С кристалічна ґратка гексагональна, щільно упакована (α-Nd), при вищій температурі — кубічна (β-Nd). Густина 7,007 г/см³; t_пл = 1024 °С; t_кип = 3030 °С.

Хімічні властивості

Неодим повільно, а при температурі вище 150 °C активно реагує з киснем повітря з утворенням неодим (ІІІ) оксиду:

4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃

Повільно реагує з водою, однак реакція пришвидшується при нагріванні з утворенням гідроксиду:

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

Неодим реагує з галогенами:

2 Nd (тв) + 3 F₂ (г) → 2 NdF₃ (тв) [сіль фіолетового кольору ]

2 Nd (тв) + 3 Cl₂ (г) → 2 NdCl₃ (тв) [сіль рожево-лілового кольору]

2 Nd (тв) + 3 Br₂ (г) → 2 NdBr₃ (тв) [сіль фіолетового кольору ]

2 Nd (тв) + 3 I₂ (г) → 2 NdI₃ (тв) [сіль зеленого кольору ]

Nd реагує з розбавленими кислотами з утворенням Nd(III) іону який забарвлює розчин у ліловий колір (існує як [Nd(OH₂)₉]³⁺ комплекс)

2 Nd (тв) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Nd³⁺ (aq) + 3 SO²⁻
₄ (aq) + 3 H₂ (г)

Ізотопи

Природний неодим складається з 7 ізотопів. П'ять з них — стабільні, ще два — мають дуже великі періоди напіврозпаду^[3].

Масове число	Частка у природному неодимі	Період напіврозпаду
142	27,152%	∞
143	12,174%	∞
144	23,798%	2,29×10^15
145	8,293%	∞
146	17,189%	∞
148	5,756%	∞
150	5,638%	0,79×10^19

Загалом відомо 44 ізотопи неодиму з масовими числами від 124 до 161, 6 з яких — метастабільні. З нестабільних ізотопів, що не зустрічаються в природі, найбільші періоди напіврозпаду мають Nd¹⁴⁷ (10,98 днів) і Nd¹⁴⁰ (3,37 днів).

Розповсюдження

Неодим — другий за розповсюдженністю серед лантаноїдів (після церію). Середній вміст неодиму в земній корі за масою становить 3,3×10^–3%, у світовому океані — 2,8×10^-10%, у Всесвіті — 10^-6%.^[4]

Як і решта лантаноїдів, неодим присутній у багатьох рідкісноземельних мінералах —ксенотимі, монациті, ортиті, бастнезиті тощо. У таких мінералах як ешиніт і гадолініт неодим є домінантним рідкісноземельним елементом^[5][6].

Країни з великими запасами рідкісноземельних мінералів — Китай, Бразилія, В'єтнам^[7]. 2017 року Китай контролював 80% усього світового видобутку неодиму^[8].

Отримання

Одержують неодим кальцієтермічним відновленням його трифториду або трихлориду, а також при електролізі розплаву трихлориду неодиму. Для відокремлення ніобію від інших лантаноїдів широко застосовують методи йонообмінної хроматографії.

Застосування

Неодимові магніти (нижній має вагу 143 мг) тримають сталеві кульки (кожна вагою близько 200 г)

Магніти

Близько 80% усього добуваного в світі неодиму використовують для виготовлення магнітів^[9]. Неодимові магніти є найсильнішими з доступних постійних магнітів — їх залишкова намагніченість досягає 1,5 тесла (у кілька разів вища за феритові магніти)^[10]. Неодимові магніти використовують у електромоторах, жорстких дисках, мікрофонах і навушниках, апаратах для магнітно-резонансної томографії тощо.

Металургія

Мішметал (суміш рідкоземельних металів, яку використовують для модифікування металів) на 15% складається з неодиму.

Додавання 1-5% неодиму до магнію, алюмінію і титану значно збільшує їх міцність. Крім того, мала швидкість дифузії неодиму в цих металах при високій температурі підвищує їх жароміцність^[11].

Близько 8% неодиму використовують у цих цілях^[9].

Виробництво батарей

Аноди у нікель-метал-гідридних акумуляторах виробляють з сплаву рідкоземельних металів, що містить неодим. Цей сплав використовують через здатність цих металів поглинати великі кількості водню, що виділяється під час роботи акумулятора.^[12].

Близько 5% неодиму використовують у цих цілях^[9].

Виробництво скла

Неодимове скло

Неодимовий активний елемент (робоче тіло твердотільного лазера)

Оксиду неодиму Nd₂O₃ використовують для надання склу і кераміці лавандового відтінку. Таке скло змінює свій колір залежно від освітлення (т.з. "олександритовий ефект"), тому його використовують в окулярах-хамелеонах. Окуляри з такого скла збільшують контрастність червоного і зеленого кольору, тому їх використовують люди з порушеним кольоросприйняттям. Також, смуга найглибшого поглинання такого скла практично збігається зі спектром випромінювання натрію, тому його можна використовувати як оптичний фільтр. Іноді в окулярах замість неодиму використовують його сплав з празеодимом — такі окуляри називають "дидимовими".^[13]

Скло, ітрій-алюмінієві гранати, гадоліній-скандій-галіеві гранати з домішкою неодиму використовують як робочі тіла для інфрачервоних лазерів. Типові довжини хвилі неодимових лазерів — від 0,9 до 1,8 мкм^[14].

Інше

Неодимові каталізатори використовують у гумовій промисловості для пришвидшення деяких реакцій полімеризації^[15].

Сплав з неодиму з ербієм використовують у кріотехніці^[16].

Примітки

1. Лантаноиды(рос.)
2. Neodymium(англ.)
3. Isotopes of the Element Neodymium(англ.)
4. Technical data for Neodymium(англ.)
5. Aeschynite-(Nd)(англ.)
6. Gadolinite-(Nd)(англ.)
7. Top Rare Earth Reserves by Country(англ.)
8. A rare metal called neodymium is in your headphones, cellphone and electric cars like Tesla’s Model 3 — and China controls the world’s supply(англ.)
9. Rare Earth Elements—End Use and Recyclability(англ.)
10. Magnet Grades(англ.)
11. Петрянов-Соколов, 1983, с. 136.
12. Characterization of spent nickel–metal hydride batteries and a preliminary economic evaluation of the recovery processes(англ.)
13. Что такое «Неодимовое стекло» [Архівовано 2019-06-27 у Wayback Machine.](рос.)
14. неодимовый лазер(рос.)
15. A Highly Reactive and Monomeric Neodymium Catalyst(англ.)
16. Neodymium(англ.)

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
• И.В. Петрянов-Соколов. Серебро - нильсборий и далее // Популярная библиотека химических элементов. — 3. — М. : «Наука», 1983. — Т. 2. — 572 с.

Посилання

• Техніка безпеки при роботі з неодимовими магнітами