Неодим

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.

Неодим (Nd)
Атомний номер	60
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-білий рідкісноземельний 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 властивості
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

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, досл. «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.

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.

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) іона 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.

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%.

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.

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

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

Магніти

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

Металургія

Мішметал (суміш рідкісноземельних 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.

Близько 8% неодиму використовують у цих цілях.

Виробництво батарей

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

Близько 5% неодиму використовують у цих цілях.

Виробництво скла

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".

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.

Інше

Неодимові каталізатори використовують у гумовій промисловості для пришвидшення деяких реакцій полімеризації.

Сплав з неодиму з ербієм використовують у кріотехніці.