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Néodyme

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Néodyme
60 Nd
-

Dakota du Nord

U
praséodyme ← → néodyme promethium
Apparence
blanc argenté
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre le néodyme, Nd, 60
Prononciation / ˌ n Je . ɵ ɪ m Je ə m /
NEE -O- DIM -ee-əm
Élément Catégorie lanthanides
Groupe, période, bloc n / a, 6, fa
Poids atomique standard 144.242
Configuration électronique [ Xe ] 4f 4 6s 2
2, 8, 18, 22, 8, 2
couches électroniques de néodyme (2, 8, 18, 22, 8, 2)
Histoire
Découverte Carl Auer von Welsbach (1885)
Propriétés physiques
Phase solide
Densité (à proximité rt) 7,01 g · cm -3
Liquid densité au mp 6,89 g · cm -3
Point de fusion 1297 K , 1024 ° C, 1875 ° F
Point d'ébullition 3347 K, 3074 ° C, 5565 ° F
La chaleur de fusion 7,14 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation 289 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire 27,45 J · mol -1 · K -1
La pression de vapeur
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
à T (K) 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
Propriétés atomiques
États d'oxydation 3, 2, 1

(Légèrement oxyde de base)

Électronégativité 1,14 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation 1er: 533,1 kJ · mol -1
2ème: 1040 kJ · mol -1
3ème: 2130 kJ · mol -1
Rayon atomique 181 h
Rayon covalente 201 ± 18 heures
Miscellanées
Crystal structure hexagonal
Neodymium has a hexagonal crystal structure
Ordre magnétique paramagnétique, antiferromagnétique en dessous de 20 K
Résistivité électrique ( rt) (α, poly) 643 nΩ · m
Conductivité thermique 16,5 W · m -1 · K -1
Dilatation thermique ( rt) (α, poly) 9,6 um / (m · K)
Vitesse du son (tige mince) (20 ° C) 2,330 m · s -1
Le module d'Young (Formulaire de α) 41,4 GPa
Module de cisaillement (Formulaire de α) 16,3 GPa
Module Bulk (Formulaire de α) 31,8 GPa
Coefficient de Poisson (Formulaire de α) 0,281
Dureté Vickers 343 MPa
Dureté Brinell 265 MPa
Numéro de registre CAS 7440-00-8
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de néodyme
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP
142 Nd 27,2% 142 Nd est stable avec 82 neutrons
143 Nd 12,2% 143 Nd est stable avec 83 neutrons
144 Nd 23,8% 2,29 × 10 15 y α 1,905 140 Ce
145 Nd 8,3% > 6 × 10 16 y α 1,5784 141 Ce
146 Nd 17,2% 146 Nd est stable avec 86 neutrons
148 Nd 5,7% > 3,0 × 10 18 y α 0,5986 144 Ce
β - β - 1,9288 148 Sm
150 Nd 5,6% 6,7 × 10 18 y β - β - 3,367 150 Sm

Le néodyme est un élément chimique avec le symbole Nd et de numéro atomique 60. Ce est un métal argenté doux ternit dans l'air. Néodyme a été découvert en 1885 par l'Autrichien chimiste Carl Auer von Welsbach. Il est présent en quantités importantes dans les minéraux de minerai monazite et bastnäsite. Néodyme ne est pas trouvé naturellement sous forme métallique ou non mélangés avec d'autres lanthanides , et il est généralement raffiné pour un usage général. Bien que le néodyme est considéré comme un " terres rares ", ce est un élément assez commun, pas plus rare que le cobalt , le nickel et le cuivre du minerai, et est largement distribué dans de la Terre la croûte . La plupart des néodyme du monde est extrait en Chine.

composés de néodyme ont d'abord été utilisés comme colorants dans le commerce de verre en 1927, et ils restent un additif populaire dans des verres. La couleur de composés-Dué néodyme à Nd 3+ ions est souvent un violet rougeâtre, mais elle change avec le type d'éclairage, en raison des effets fluorescents. Certains verres dopés au néodyme sont aussi utilisés dans les lasers qui émettent lumière infrarouge avec longueurs d'onde entre 1047 et 1062 nanomètres. Ceux-ci ont été utilisés dans des applications de puissance extrêmement élevée, comme dans les expériences fusion par confinement inertiel.

Le néodyme est également utilisé avec divers autres cristaux de substrats, tels que grenat d'yttrium aluminium dans le Nd: YAG. Ce laser émet habituellement ondes infrarouges à une longueur d'onde d'environ 1064 nanomètres. Le laser Nd: YAG est l'un des plus couramment utilisés lasers à l'état solide.

Une autre utilisation chef de néodyme est aussi l'élément pur libre. Il est utilisé comme composant dans les alliages utilisés pour fabriquer à haute résistance - aimants en néodyme puissants aimants permanents. Ces aimants sont largement utilisés dans des produits tels que des microphones, des haut-parleurs professionnels, écouteurs intra-auriculaires, et les disques durs d'ordinateur, lorsque faible masse de l'aimant ou le volume, ou des champs magnétiques puissants sont nécessaires. Grandes aimants en néodyme sont utilisés en haute puissance en fonction du poids des moteurs électriques (par exemple en les voitures hybrides) et les générateurs (par exemple avions et éolienne générateurs électriques).

Caractéristiques

Propriétés physiques

Néodyme, un terre rare métal , était présent dans le classique mischmetal à une concentration d'environ 18%. Néodyme métallique a un éclat métallique brillant, argenté, mais comme l'un des plus réactif lanthanides métaux des terres rares, il se oxyde rapidement dans l'air ordinaire. La couche d'oxyde qui forme pèle puis se éteint, ce qui l'expose le métal à l'oxydation. Ainsi, un échantillon d'un centimètre de néodyme oxyde complètement dans un an.

Néodyme existe couramment dans deux allotropiques formes, avec une transformation d'une double hexagonale à un corps-centré structure cubique qui aura lieu à environ 863 ° C.

Propriétés chimiques

Néodyme métal ternit lentement à l'air et il brûle facilement à environ 150 ° C pour former le néodyme (III) de l'oxyde:

4 Nd + 3 O 2 → 2 Nd 2 O 3

Le néodyme est un élément très électropositif, et il réagit lentement avec de l'eau froide, mais assez rapidement avec de l'eau chaude pour former le néodyme (III) hydroxyde:

2 Nd (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Nd (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)

Néodyme métal réagit avec enthousiasme avec tous les halogènes :

Nd 2 (s) + 3 F 2 (g) → 2 NdF 3 (s) [une substance violet]
2 Nd (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 NdCl3 (s) [une substance mauve]
2 Nd (s) + 3 Br 2 (g) → 2 NdBr 3 (s) [une substance violette]
2 Nd (s) + 3 I 2 (g) → 2 3 NDI (s) [une substance verte]

Néodyme dilué dissout facilement dans l'acide sulfurique pour former des solutions qui contiennent le lilas Nd (III) ion. Ceux-ci existent en tant que [Nd (OH 2) 9] 3+ complexes:

2 Nd (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Nd 3+ (aq) + 3 SO 2-
4 (aq) + 3 H 2 (g)

Composés

Composés comprennent néodyme

  • halogénures: néodyme (III) fluorure - NDF 3; néodyme (III) chlorure - NdCl3; le néodyme (III) de bromure - NdBr 3; néodyme (III) d'iodure - Ndi 3
  • oxydes: le néodyme (III) de l'oxyde - Nd 2 O 3
  • sulfures: néodyme (II) de sulfure - NDS, le néodyme (III) de sulfure - Nd 2 S 3
  • nitrures: néodyme (III) nitrure - NdN
  • hydroxyde: le néodyme (III) hydroxyde - Nd (OH) 3
  • phosphure: néodyme phosphure - NdP
  • carbure: néodyme (III) carbure - Nd 4 C 3
  • nitrate: néodyme (III) nitrate - Nd (NO 3) 3
  • sulfate: le néodyme (III) sulfate de sodium - Nd 2 (SO 4) 3
Néodyme (III) -sulfate

Certains composés de néodyme ont des couleurs qui varient en fonction du type d'éclairage.

Isotopes

Naturellement néodyme se produise est un mélange de cinq stables isotopes , 142 e, 143 Nd, 145 Nd, 146 e et 148 Nd, avec 142 Nd étant plus abondante (27,2% de la la abondance naturelle), et deux radio-isotopes, 144 e et 150 Nd. En tout, 31 radio-isotopes de néodyme ont été détectés à partir de 2010, avec les radio-isotopes les plus stables étant ceux d'origine naturelle: 144 Nd ( désintégration alpha avec une demi-vie (T ½) de 2,29 × 10 15 années) et 150 Nd ( la double désintégration bêta, T ½ = 7 × 10 de 18 ans, environ). Tout le reste isotopes radioactifs ont des demi-vies plus courtes que onze jours, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies plus courtes que 70 secondes. Le néodyme a également 13 connue États méta, avec le plus stable étant 139 m Nd (T ½ = 5,5 heures), 135 m Nd (T ½ = 5,5 minutes) et 133 m (1 Nd T ½ ~ 70 secondes).

Le primaire modes de désintégration avant l'isotope stable le plus abondant, 142 Nd, sont capture d'électrons et la désintégration de positons, et le mode primaire après est- désintégration bêta moins. Le primaire produits de désintégration avant 142 Nd sont des éléments Pr ( praséodyme ) isotopes et les produits primaires après sont élément Pm ( Promethium ) isotopes.

Histoire

Néodyme a été découvert par le Baron Carl Auer von Welsbach, un Autrichien chimiste, à Vienne en 1885. Il a séparé le néodyme, ainsi que l'élément de praséodyme , à partir d'un matériau connu sous le nom didyme au moyen d'une cristallisation fractionnée des doubles tétrahydrates de nitrate d'ammonium de l'acide nitrique, tout en suivant la séparation par spectroscopie d'analyse; cependant, il n'a pas été isolé sous forme relativement pure jusqu'en 1925. Le nom néodyme est dérivé des mots grecs (Neos de νέος), de nouvelles, et didymos (διδύμος), twin.

Double cristallisation de nitrate était le moyen de purification de néodyme commerciale jusqu'à ce que les années 1950. Chemical Division Lindsay a été le premier à commercialiser à grande échelle de purification par échange d'ions de néodyme. À partir des années 1950, de haute pureté (supérieure à 99%) a été principalement néodyme obtenu par un processus à partir de l'échange d'ions monazite, un minerai riche en éléments des terres rares. Le métal lui-même est obtenu par électrolyse de son halogénures sels. Actuellement, la plupart néodyme est extrait de bastnäsite, (Ce, La, Nd, Pr) CO 3 F, et purifié par extraction au solvant. Ion-purification par échange est réservé pour la préparation des plus hautes puretés (typiquement> 99,99%). L'évolution de la technologie, l'amélioration de la pureté et disponible dans le commerce de l'oxyde de néodyme, a été pris en compte dans l'apparition de verre au néodyme qui réside dans une collection aujourd'hui. Lunettes de néodyme début faites dans les années 1930 ont une teinte rougeâtre ou plus orange que les versions modernes qui sont plus proprement pourpre, en raison des difficultés à éliminer les dernières traces de praséodyme à l'époque où la technologie de cristallisation fractionnée devait être invoqués.

Présence et la production

Bastnäsite

Néodyme est jamais trouvé dans la nature comme l'élément libre, mais elle se produit dans des minerais tels que monazite et bastnäsite, qui contiennent de petites quantités de tous les métaux de terres rares. Les principales zones minières sont en Chine, aux États-Unis, le Brésil , l'Inde, le Sri Lanka , et en Australie. Les réserves de néodyme sont estimées à environ huit millions de tonnes. Bien qu'appartenant à la métaux de terres rares, le néodyme ne est pas rare du tout. Son abondance dans la terre que la croûte soit environ 38 mg / kg, ce qui est le deuxième plus élevé parmi les éléments des terres rares, à la suite de cérium . La production du monde de néodyme était d'environ 7000 tonnes en 2004. La majeure partie de la production actuelle est de la Chine, dont le gouvernement a récemment imposé le contrôle des matières stratégiques sur l'élément, qui soulève des inquiétudes dans les pays consommateurs et causant la flambée des prix de néodyme et d'autres métaux des terres rares. À la fin de 2011, 99 pour cent pur néodyme a été échangé sur les marchés mondiaux pour 300 $ US à 350 $ par kg, en baisse par rapport au pic de mi-2011 de 500 $ / kg.

Le néodyme est généralement de 10% à 18% de la teneur en terre rare de dépôts commerciaux de la lumière rares minéraux d'éléments de terres bastnasite et monazite. Avec des composés de néodyme étant le plus fortement colorés pour les lanthanides trivalents, ce pourcentage de néodyme peut parfois dominer la coloration des minéraux-lors de terres rares chromophores concurrentes sont absentes. Il donne habituellement une coloration rose. Des exemples remarquables de cette comprennent cristaux monazite des étain dépôts dans Llallagua, la Bolivie , ancylite du Mont Saint-Hilaire, Québec, ou lanthanite de la Saucon Valley, Pennsylvanie. Comme dans le cas des lunettes de néodyme, de tels minéraux à changer leurs couleurs dans les conditions d'éclairage différentes. Les bandes d'absorption de néodyme interagissent avec le visible spectre d'émission de vapeur de mercure, avec le non filtrée ondes courtes de la lumière UV provoque des minéraux contenant néodyme pour refléter une couleur verte. Ceci peut être observé avec des sables contenant monazite-ou minerai contenant bastnasite.

Applications

  • Néodyme a une exceptionnellement grande spécifique la capacité thermique à des températures de l'hélium liquide, de sorte que est utile dans cryoréfrigérateurs
  • Probablement en raison de similitudes avec Ca 2+, Nd 3+ a été rapporté pour favoriser la croissance des plantes. Composés d'éléments de terres rares sont fréquemment utilisés en Chine comme engrais .
  • Samarium-néodyme datation est utile pour déterminer les relations de l'âge de roches et de météorites.
  • Taille et la force de l'éruption volcanique peuvent être prédits par balayage pour néodyme isotopes . Petites et grandes éruptions volcaniques produisent lave avec une composition isotopique différente néodyme. De la composition des isotopes, les scientifiques prédisent la taille de l'éruption à venir sera, et utilisent cette information pour avertir les résidents de l'intensité de l'éruption.

Aimants

aimant de néodyme sur un support à partir d'un disque dur

aimants en néodyme (en fait un alliage, Nd 2 Fe 14 B) sont les plus forts permanents aimants connus. Un aimant néodyme de quelques grammes peut soulever mille fois son propre poids. Ces aimants sont moins chers, plus légers et plus forte que aimants samarium-cobalt. Cependant, ils ne sont pas supérieurs dans tous les aspects, comme des aimants à base de néodyme perdent leur magnétisme à des températures élevées et ont tendance à la rouille, tout en samarium-cobalt aimants ne le font pas.

Aimants en néodyme apparaissent dans des produits tels que microphones, professionnel haut-parleurs, in-ear écouteurs, guitare et guitare basse pick-up et l'ordinateur disques durs où une faible masse, petit volume, ou des champs magnétiques puissants sont nécessaires. aimant de néodyme moteurs électriques ont également été responsable du développement des avions de modèle purement électrique dans la première décennie du 21ème siècle, au point que ceux-ci sont déplacent modèles combustion interne alimentés à l'échelle internationale. De même, en raison de cette capacité magnétique élevée par poids, le néodyme est utilisé dans les moteurs électriques des voitures hybrides et électriques, et dans les générateurs d'électricité de certains modèles d'éoliennes commerciales (seulement éoliennes avec "aimants permanents" générateurs utiliser néodyme). Par exemple, les moteurs d'entraînement électriques de chaque Toyota Prius nécessite un kilogramme (2,2 livres) de néodyme par véhicule.

Dopé au néodyme lasers

des ions de néodyme dans divers types de cristaux ioniques, ainsi que dans des verres, agissent comme un milieu de gain de laser, émettant typiquement 1064 nm lumière provenant d'une transition atomique particulière à l'ion néodyme, après avoir été "pompée" dans excitation depuis une source externe
Dopé au néodyme dalles de verre utilisées dans les lasers extrêmement puissants pour fusion par confinement inertiel.

Certains matériaux transparents avec une faible concentration de néodyme ions peuvent être utilisés dans les lasers comme support de gain pour les longueurs d'onde infrarouge (1054-1064 nm), par exemple, Nd: YAG (grenat d'yttrium aluminium), Nd: YLF (fluorure de lithium d'yttrium), Nd: YVO 4 (yttrium orthovanadate), et Nd: verre. cristaux de dopés au néodyme (Nd généralement: YVO 4) générer des faisceaux laser infrarouges de haute puissance qui sont convertis à la lumière laser vert commerciale Lasers portatifs et DPSS pointeurs laser.

Le laser actuelle au Royaume-Uni Atomic Weapons Establishment (AWE), le HELEN (High Energy Laser Embodying néodyme) 1- térawatt laser néodyme-verre, peut accéder aux points médians des régions de pression et de température et est utilisé pour acquérir des données pour la modélisation sur la façon dont la densité, de la température et la pression à l'intérieur interagissent ogives. HELEN peut créer des plasmas de l'ordre de 10 6 K , dont l'opacité et la transmission de rayonnement sont mesurées.

verre de néodyme lasers à semi-conducteurs sont utilisés en très haute puissance ( échelle térawatt), haute énergie ( mégajoules) Les systèmes de faisceaux multiples pour fusion par confinement inertiel. Nd: laser de verre sont habituellement fréquence triplée au troisième harmonique à 351 nm dans les dispositifs de fusion laser.

verre de néodyme pour d'autres applications

Un verre de néodyme ampoule, avec la base et revêtement intérieur retiré, sous deux types de lumière différentes: fluorescentes sur la gauche, et incandescence sur la droite.
verre de néodyme couleur

Néodyme verre (Nd: verre) est produite par l'inclusion de oxyde de néodyme (Nd 2 O 3) dans la masse fondue de verre. Habituellement, dans la lumière du jour ou verre de néodyme de lumière incandescente apparaît lavande, mais il apparaît en bleu pâle sous éclairage fluorescent. Néodyme peut être utilisé pour colorer le verre dans des tons délicats allant du violet pur dans le vin rouge et gris chaud.

La première utilisation commerciale de néodyme purifié était de coloration de verre, à partir des expériences de Leo Moser en Novembre 1927. Le verre résultant "Alexandrite" reste une couleur de signature de la verrerie Moser à ce jour. verre de néodyme a été largement imité dans les années 1930 par les serres américaines, notamment Heisey, Fostoria ("glycines"), Cambridge ("Heatherbloom"), et Steuben ("glycines") et ailleurs (par exemple, Lalique, en France, ou Murano ). «Le crépuscule" de Tiffin resté dans la production d'environ 1950 à 1980. Les sources actuelles comprennent verriers en République tchèque, aux États-Unis, et la Chine.

Les bandes d'absorption nettes de néodyme provoquent la couleur du verre de changer dans différentes conditions d'éclairage, étant violet rougeâtre sous la lumière du jour ou jaune lumière incandescente, mais bleu sous blanche éclairage fluorescent, ou verdâtre sous un éclairage trichrome. Ce phénomène de changement de couleur est très prisé par les collectionneurs. En combinaison avec l'or ou le sélénium , de belles couleurs rouges résultent. Depuis néodyme coloration dépend " interdit "transitions ff profond de l'atome, il ya relativement peu d'influence sur la couleur de l'environnement chimique, de sorte que la couleur est imperméable à l'histoire thermique du verre. Cependant, pour la meilleure couleur, fer contenant des impuretés doivent être minimisés dans la silice utilisée pour fabriquer du verre. La nature même de l'interdit ff transitions marques colorants terres rares moins intenses que celles prévues par la plupart des éléments d-transition, donc plus doit être utilisé dans un verre d'atteindre l'intensité de couleur désirée. La recette originale Moser utilisé environ 5% d'oxyde de néodyme dans la masse fondue de verre, une quantité suffisante de telle sorte que Moser mentionné ci comme étant «dopée aux terres rares" lunettes. Être une base forte, ce niveau de néodyme aurait affecté les propriétés de fusion du verre, et de la teneur en chaux du verre aurait dû être ajusté en conséquence.

La lumière transmise à travers des lunettes néodyme montre inhabituellement forte bandes d'absorption; le verre est utilisé dans les travaux astronomiques pour produire des bandes nettes par lequel raies spectrales peuvent être calibrés. Néodyme est également utilisé pour enlever la couleur verte causée par fer contaminants de verre. Le néodyme est un composant de " didymium "(en référence à un mélange de sels de néodyme et de praséodyme ) utilisé pour le verre de colorant pour rendre soudeur les lunettes de souffleur de verre et de; les bandes d'absorption pointus oblitèrent l'émission de sodium solide à 589 nm.

Néodyme et le verre de didyme sont utilisés dans des filtres colorés amélioration dans la photographie en intérieur, en particulier dans la filtration des teintes jaunes de l'éclairage à incandescence.

De même, le verre de néodyme est de plus en plus largement utilisé directement les ampoules à incandescence. Ces lampes contiennent néodyme dans le verre pour filtrer la lumière jaune, résultant en une lumière plus blanche qui ressemble plus à la lumière du soleil.

Néodyme a été breveté pour une utilisation dans l'automobile rétroviseurs, à réduire l'éblouissement la nuit.

Similaire à son utilisation dans des verres, des sels de néodyme sont utilisés en tant que colorant pour émaux.

Précautions

La poussière de métal néodyme est un risque de combustion et d'explosion. Composés néodyme, comme avec tous les métaux des terres rares, sont de toxicité faible à modérée; Toutefois sa toxicité n'a pas été complètement étudiées. la poussière et les sels de néodyme sont très irritantes pour les yeux et muqueuses, et modérément irritant pour la peau. Respirer la poussière peut causer des poumons embolies, et des dommages-intérêts d'exposition accumulés le foie. Néodyme agit également comme un anticoagulant, en particulier lorsqu'il est administré par voie intraveineuse.

Aimants en néodyme ont été testés pour des utilisations médicales telles que des accolades magnétiques et la réparation osseuse, mais questions de biocompatibilité ont empêché une application généralisée. Aimants disponibles dans le commerce à base de néodyme sont exceptionnellement forte, et peuvent se attirer mutuellement de grandes distances. Si ne est pas manipulé avec soin, ils se réunissent très rapidement et avec force, causant des blessures. Par exemple, il ya au moins un cas documenté d'une personne de perdre un doigt lorsque deux aimants qu'il utilisait cassé ensemble à partir de 50 cm.

Livres

  • "La Chimie Industrielle de les lanthanides, l'yttrium, thorium et l'uranium", par RJ Callow, Pergamon Press 1967.
  • Division Lindsay chimique, American Potash and Chemical Corporation, Liste des Prix 1960.
  • «La chimie des lanthanides", par RC Vickery, Butterworths 1953.
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