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Neodímio

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Neodímio
60 Nd
-

Nd

U
praseodímio neodímio ← → promethium
Aparência
branco prateado
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número neodímio, Nd, 60
Pronúncia / ˌ n Eu . ɵ d ɪ m Eu ə m /
NEE O- DIM -ee-əm
Categoria elemento lantanídeos
Grupo, período, bloco n / D, 6, f
Peso atômico padrão 144.242
Configuração eletrônica [ Xe ] 6s 4f 4 2
2, 8, 18, 22, 8, 2
Conchas de electrões de neodímio (2, 8, 18, 22, 8, 2)
História
Descoberta Carl Auer von Welsbach (1885)
Propriedades físicas
Fase sólido
Densidade (perto RT) 7,01 g cm -3 ·
Líquido densidade no pf 6,89 g cm -3 ·
Ponto de fusão 1297 K , 1024 ° C, 1875 ° F
Ponto de ebulição 3347 K, 3074 ° C, 5565 ° F
Calor de fusão 7.14 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização 289 kJ mol -1 ·
Capacidade calorífica molar 27,45 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em T (K) 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
Propriedades atômicas
Estados de oxidação 3, 2, 1

(Levemente óxido de base)

Eletronegatividade 1,14 (escala de Pauling)
Energias de ionização 1º: 533,1 kJ · mol -1
Segunda: 1040 kJ mol -1 ·
3: 2130 kJ · mol -1
Raio atômico 181 pm
O raio de covalência 201 ± 18:00
Miscelânea
A estrutura de cristal hexagonal
Neodymium has a hexagonal crystal structure
Ordenamento magnético paramagnética, antiferromagnetic abaixo de 20 K
Resistividade elétrica ( RT) (α, poli) 643 Nco · m
Condutividade térmica 16,5 W · m -1 · K -1
Expansão térmica ( RT) (α, poli) 9,6 uM / (mK)
Velocidade do som (haste fina) (20 ° C) 2.330 m · s -1
O módulo de Young (Forma α) 41,4 GPa
Módulo de cisalhamento (Forma α) 16,3 GPa
Massa de módulo (Forma α) 31,8 GPa
Rácio de Poisson (Forma α) 0,281
Dureza de Vickers 343 MPa
Dureza Brinell 265 MPa
Número de registo CAS 7440-00-8
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de neodímio
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP
142 Nd 27,2% 142 Nd é estável com 82 nêutrons
143 Nd 12,2% 143 Nd é estável com 83 nêutrons
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 é estável com 86 nêutrons
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

O neodímio é um elemento químico com o símbolo Nd e número atômico 60. É um metal prateado suave que mancha no ar. Neodímio foi descoberto em 1885 pelo austríaco químico Carl Auer von Welsbach. Está presente em quantidades significativas nos minerais de minério monazita e bastnäsite. Neodímio não é encontrado naturalmente na forma metálica ou não misturados com outros lantanídeos , e geralmente é refinado para uso geral. Apesar de neodímio é classificado como um " terras raras ", é um elemento bastante comum, não mais raro do que o cobalto , níquel e cobre minério, e é amplamente distribuído na Terra crosta . A maioria dos neodímio do mundo é extraído na China.

Compostos de neodímio foram comercialmente pela primeira vez utilizado como corantes de vidro em 1927, e eles continuam a ser um aditivo popular em óculos. A cor dos compostos de neodímio-Devido ao Nd 3+-se muitas vezes um vermelho-púrpura, mas ela muda com o tipo de iluminação, devido a efeitos fluorescentes. Alguns vidros dopados com neodímio são também utilizados em lasers que emitem luz infravermelha com comprimentos de onda entre 1047 e 1062 nanómetros. Estes têm sido usados em aplicações extremamente alta potência, tal como em experiências confinamento inercial.

Neodímio é usado também com vários outros cristais substrato, tal como granada de ítrio alumínio no Nd: YAG. Este laser emite geralmente ondas de infravermelho em um comprimento de onda de cerca de 1.064 nanómetros. O laser Nd: YAG é um dos mais vulgarmente usados lasers de estado sólido.

Outro uso chefe de neodímio é como o elemento puro livre. É usado como um componente nas ligas utilizadas para fazer de alta resistência ímãs de neodímio - poderosos ímãs permanentes. Estes ímãs são amplamente utilizados em produtos como microfones, alto-falantes profissionais, em fones de ouvido e discos rígidos de computadores, onde a baixa massa ímã ou volume, ou campos magnéticos fortes são necessárias. Maiores ímãs de neodímio são usados em alta potência contra peso motores eléctricos (por exemplo, em carros híbridos) e geradores (por exemplo aeronaves e turbina de vento geradores elétricos).

Características

Propriedades físicas

Neodímio, um terra rara de metal , estava presente no clássico de metal misto a uma concentração de cerca de 18%. Neodímio metálico tem, um brilho metálico prateado brilhante, mas como uma das mais reactivo lantanídeos metais de terras raras, que oxida rapidamente em ar ordinário. A camada de óxido que se forma, em seguida, descasca fora, e isso expõe o metal a oxidação adicional. Assim, uma amostra de tamanho centímetros de neodímio-oxida completamente dentro de um ano.

Neodímio geralmente existe em duas alotrópicas formas, com uma transformação de um sextavado dupla para uma corpo-estrutura cúbica centrada ocorrendo em cerca de 863 ° C.

Propriedades químicas

Neodímio de metal mancha lentamente no ar e queima-se rapidamente a cerca de 150 ° C, para formar neodímio (III), óxido de:

4 Nd + 3 O 2 → 2 Nd 2 O 3

Neodímio é um elemento bastante electropositiva, e reage lentamente com água fria, mas muito rapidamente com água quente para formar neodímio (III) de hidróxido de:

Nd 2 (s) + 6 H2O (l) → 2 Nd (OH) 3 (aq) + 3H 2 (g)

Neodímio de metal reage com entusiasmo com todos os halogênios :

Nd 2 (s) + 3 F 2 (g) → 2 NdF 3 (s) [uma substância violeta]
Nd 2 (s) + 3 Cl2 (g) → 2 NdCl3 (s) [uma substância malva]
Nd 2 (s) + 3 Br 2 (g) → 2 NDBR 3 (s) [uma substância violeta]
2 Nd (s) + 3 I 2 (g) → 2 3 NDI (s) [a substância verde]

Neodímio dissolve prontamente em diluída de ácido sulfúrico para formar soluções que contêm a Nd (III), ião de lilás. Estes existem como um [nd (OH 2) 9] 3+ complexos:

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

Compostos

Compostos de neodímio incluem

  • halogenetos: neodímio (III) de flúor - NDF 3; neodímio (III), cloreto de - NdCl3; neodímio (III) brometo - NDBR 3; neodímio (III) de iodeto - NDI 3
  • óxidos: neodímio (III), óxido de - Nd 2 O 3
  • sulfetos: neodímio (II) sulfeto - NDS, neodímio (III) sulfeto - Nd 2 S 3
  • nitretos: neodímio (III) nitreto - NdN
  • hidróxido de: neodímio (III), hidróxido de - Nd (OH) 3
  • fosfeto: neodímio fosfeto - NDP
  • carboneto: neodímio (III) carboneto - Nd 4 C 3
  • nitrato: neodímio (III), nitrato de - Nd (NO3) 3
  • sulfato de: neodímio (III), sulfato de - Nd 2 (SO 4) 3
Neodímio (III) -sulfate

Alguns compostos de neodímio têm cores que variam com base no tipo de iluminação.

Isótopos

De ocorrência natural de neodímio é uma mistura de cinco estáveis isótopos , 142 Nd, 143 Nd, 145 Nd, 146 Nd e 148 Nd, com 142 Nd sendo o mais abundante (27,2% do abundância natural), e dois radioisótopos, 144 e 150 Nd Nd. Ao todo, 31 radioisótopos do neodímio foram detectados a partir de 2010, com os radioisótopos mais estáveis sendo as que ocorrem naturalmente: 144 Nd ( decaimento alfa com uma meia-vida (T ½) de 2,29 × 10 15 anos) e 150 Nd ( decaimento beta duplo, T ½ = 7 × 10 18 anos, aproximadamente). Todos os restantes isótopos radioativos possuem meias-vidas que são mais curtos do que 11 dias, ea maioria destes com meias-vidas mais curtas de 70 segundos. Neodímio também tem 13 conhecida meta estados, sendo o mais estável sendo 139 m Nd (T ½ = 5,5 horas), 135 m Nd (T ½ = 5,5 minutos) e 133 m 1 Nd (T ½ ~ 70 segundos).

O primário modos de decaimento antes do isótopo estável mais abundante, 142 Nd, são captura de elétrons e decadência de pósitrons, eo primeiro modo após é decaimento beta menos. O primário produtos de decaimento antes de 142 Nd são elemento Pr ( praseodímio ) isótopos e os produtos primários após são elemento Pm ( promécio ) isótopos.

História

Neodímio foi descoberto por Baron Carl Auer von Welsbach, um austríaco químico, em Viena em 1885. Ele separou neodímio, bem como o elemento de praseodímio , a partir de um material conhecido como didímio por meio de cristalização fraccionada dos duplos tetrahydrates de nitrato de amónio de ácido nítrico, enquanto que após a separação por espectroscopia de análise; no entanto, não foi isolado na forma relativamente pura até 1925. O nome neodímio é derivado das palavras gregas (νέος neos), novas, e didymos (διδύμος), gêmeo.

Duplo cristalização nitrato foi o meio de purificação de neodímio comercial até 1950. Lindsay Divisão Química foi a primeira a comercializar em larga escala de purificação de permuta de iões de neodímio. Começando na década de 1950, de alta pureza (acima de 99%) de neodímio foi obtido principalmente por meio de um processo de permuta iónica a partir de monazita, um mineral rico em elementos de terras raras. O próprio metal é obtido através da electrólise da sua halogeneto sais. Actualmente, mais de neodímio é extraído bastnäsite, (Ce, La, Nd, Pr) CO 3 M, e purificou-se por extracção com solvente. Purificação de troca iônica é reservada para preparar os mais altos graus de pureza (tipicamente> 99,99%). A tecnologia em desenvolvimento, e pureza melhorada do óxido de neodímio disponível comercialmente, reflectiu-se na aparência do vidro de neodímio que reside em colecções hoje. Óculos de neodímio primeiros feitos na década de 1930 têm um mais matiz avermelhada ou alaranjada do que versões modernas que são mais limpa roxo, devido às dificuldades de remover os últimos vestígios de praseodímio na era em que a tecnologia cristalização fraccionada tinha de ser invocado.

Ocorrência e produção

Bastnäsite

Neodímio não é encontrado na natureza como o elemento livre, mas em vez disso ocorre em minérios, tais como monazite e bastnäsite que contêm pequenas quantidades de todos os metais de terras raras. As principais áreas de mineração estão em China, Estados Unidos, Brasil , ?ndia, Sri Lanka e Austrália. As reservas de neodímio são estimados em cerca de oito milhões de toneladas. Embora a que pertence o metais de terras raras, de neodímio não é raro em tudo. A sua abundância na Terra crosta é cerca de 38 mg / kg, que é a segunda mais alta entre os elementos das terras raras, a seguir cério . Produção mundial de neodímio foi de cerca de 7.000 toneladas em 2004. A maior parte da produção atual é da China, cujo governo impôs controles recentemente primas estratégicas sobre o elemento, levantando algumas preocupações nos países consumidores e causando disparada dos preços de neodímio e outros metais de terras raras. A partir do final de 2011, 99 por cento puro neodímio foi negociado nos mercados mundiais de USD $ 300 a US $ 350 por quilo, para baixo do pico de meados de 2011, de US $ 500 / kg.

Neodímio é tipicamente 10% a 18% do teor de terras raras de depósitos comerciais da luz bastnasita elemento terra raro minerais e monazite. Com compostos de neodímio sendo o mais fortemente colorida para os lantanídeos trivalentes, que percentagem de neodímio podem ocasionalmente dominar a coloração de minerais raros-terra quando cromóforos concorrentes estão ausentes. Ele geralmente dá uma coloração rosa. Exemplos notáveis disso incluem cristais de monazita dos estanho depósitos em Llallagua, Bolívia , ancylite de Mont Saint-Hilaire, Quebec, ou lanthanite do Saucon Valley, Pennsylvania. Tal como acontece com óculos de neodímio, tais minerais mudar suas cores de acordo com as condições de iluminação diferentes. As bandas de absorção de neodímio interagir com o visível espectro de emissão vapor de mercúrio, com a luz UV de ondas curtas não filtrada causando minerais contendo neodímio para refletir uma cor verde característica. Isso pode ser observado com areias monazíticas ou contendo minério contendo bastnasite.

Aplicações

  • Neodímio tem um específico invulgarmente grande capacidade de calor, a temperaturas do hélio líquido, de modo que é útil nas cryocoolers
  • Provavelmente por causa das semelhanças de Ca 2+, 3+ Nd tem sido relatada para promover o crescimento da planta. Compostos de elementos de terras raras são frequentemente usados na China como fertilizantes .
  • Samário-neodímio namoro é útil para determinar as relações de idade das rochas e meteoritos.
  • O tamanho ea força da erupção vulcânica pode ser previsto pela digitalização de neodímio isótopos . Pequenas e grandes erupções vulcânicas produzir lava com a composição de isótopos de neodímio diferente. A partir da composição de isótopos, os cientistas prever como grande erupção que vem será, e usar esta informação para alertar os moradores da intensidade da erupção.

?mãs

O ímã de neodímio em um suporte de um disco rígido

?mãs de neodímio (na verdade, uma liga, Nd 2 Fe 14 B) são os mais fortes permanentes ímãs conhecidos. Um ímã de neodímio de alguns gramas pode levantar um milhão de vezes o seu próprio peso. Estes ímãs são mais baratos, mais leve e mais forte do que samário cobalto ímãs. No entanto, eles não são superiores em todos os aspectos, como à base de ímãs de neodímio perde seu magnetismo a altas temperaturas e tendem a ferrugem, enquanto samário cobalto ímãs não.

?mãs de neodímio aparecem em produtos como microfones, profissional alto-falantes, in-ear fones de ouvido, guitarra e baixo pick-ups e computador discos rígidos onde baixa massa, volume pequeno, ou campos magnéticos fortes são necessários. Motores elétricos ímãs de neodímio também foram responsáveis pelo desenvolvimento de aeronaves modelo puramente elétrico dentro da primeira década do século 21, a tal ponto que estes estão deslocando modelos de combustão interna alimentado internacionalmente. Da mesma forma, devido a esta capacidade magnética de alta por peso, neodímio é usado nos motores elétricos de automóveis híbridos e elétricos, e nos geradores de eletricidade de alguns projetos de turbinas eólicas comerciais (apenas turbinas eólicas com "ímã permanente" geradores usar neodímio). Por exemplo, a unidade de motores elétricos de cada Toyota Prius exigem um kg (2,2 libras) de neodímio por veículo.

Neodímio dopado lasers

Iões de neodímio em vários tipos de cristais iónicos, e também em óculos, actuar como um meio de ganho do laser, tipicamente emissor de luz 1064 nm a partir de uma transição atómica em especial o ião de neodímio, depois de ter sido "bombeada" para a excitação de uma fonte externa
Neodímio dopado placas de vidro utilizados em lasers extremamente poderosas para confinamento inercial.

Certos materiais transparentes com uma pequena concentração de neodímio iões pode ser utilizado em lasers como ganho de mídia para comprimentos de onda infravermelhos (1054-1064 nm), por exemplo, Nd: YAG (ítrio granada de alumínio), Nd: YLF (fluoreto de lítio de ítrio), Nd: YVO 4 (ítrio ortovanadato), e Nd: vidro. Cristais dopados com neodímio (Nd tipicamente: YVO 4) geram feixes de alta potência de laser infravermelho que são convertidos em luz laser verde em comercial Lasers de mão DPSS e ponteiros laser.

O laser de corrente no Reino Unido Atomic Weapons Establishment (AWE), o HELEN (High Energy Laser Embodying neodímio) 1- terawatt laser de neodímio-vidro, pode acessar os pontos médios de regiões de pressão e temperatura e é usado para adquirir dados para modelagem de como densidade, temperatura e pressão interagir dentro ogivas. HELEN pode criar plasmas de cerca de 10 6 K , a partir do qual a opacidade e transmissão de radiação são medidos.

Vidro neodímio lasers de estado sólido são utilizados em extremamente alta potência ( escala terawatt), de alta energia ( megajoules) vários sistemas de feixe para confinamento inercial. Lasers Nd: vidro são geralmente frequência triplicou para o terceira harmónica a 351 nm, em dispositivos de fusão por laser.

Vidro de neodímio para outras aplicações

Um copo de neodímio lâmpada, com a base e do revestimento interior removido, sob dois tipos diferentes de luz: fluorescente sobre a esquerda, e incandescente à direita.
Vidro colorido com neodímio

Neodímio vidro (Nd: vidro) é produzido pela inclusão de óxido de neodímio (Nd 2 O 3) na massa fundida de vidro. Normalmente, durante o dia ou vidro incandescente luz neodímio aparece lavanda, mas parece azul pálido sob iluminação fluorescente. Neodímio podem ser utilizados para cor vidro em tons delicados que variam de puro violeta pelo vinho-vermelho e cinza quente.

O primeiro uso comercial de neodímio purificado foi na coloração de vidro, começando com experimentos de Leo Moser, em novembro de 1927. O vidro "Alexandrite" resultante continua a ser uma cor da assinatura das fábricas de vidro Moser para este dia. Vidro neodímio foi amplamente emulado no início de 1930 por estufas americanos, mais notavelmente Heisey, Fostoria ("glicínias"), Cambridge ("heatherbloom"), e Steuben ("glicínias"), e em outros lugares (por exemplo, Lalique, em França, ou Murano ). "Twilight" de Tiffin permaneceu em produção de cerca de 1950 a 1980. fontes atuais incluem fabricantes de vidro na República Checa, Estados Unidos e China.

As bandas de absorção afiadas de neodímio causar a cor de vidro para mudar sob diferentes condições de iluminação, sendo vermelho-púrpura sob luz do dia ou amarelo luz incandescente, mas azul sob branco iluminação fluorescente, ou esverdeada sob iluminação trichromatic. Este fenômeno de mudança de cor é altamente apreciados pelos colecionadores. Em combinação com o ouro ou selênio , belas cores vermelhas resultar. Desde neodímio coloração depende " proibido "transições ff profunda dentro do átomo, existe relativamente pouca influência sobre a cor do ambiente químico, de modo que a cor é impermeável à história térmica do vidro. No entanto, para a melhor cor, ferro molecular contendo impurezas devem ser minimizadas na de sílica usado para fazer o vidro. A mesma natureza impedidos pelo ff transições marcas corantes de terras raras menos intensas do que as previstas pela maioria dos elementos de transição d-, de modo mais tem que ser usado em um vidro para atingir a intensidade de cor desejada. A receita Moser original usado cerca de 5% de óxido de neodímio no fundido de vidro, uma quantidade suficiente de tal modo que estes Moser referida como sendo "terra rara" vidros dopados. Sendo uma base forte, que o nível de neodímio teria afetado as propriedades de fusão do vidro, eo cal conteúdo do vidro poderia ter tido de ser ajustados em conformidade.

Luz transmitida através de óculos de neodímio mostra invulgarmente acentuada bandas de absorção; o vidro é utilizado no trabalho astronômico para produzir bandas afiadas pelo qual linhas espectrais podem ser calibrados. Neodímio é também usado para remover a cor verde causada pelo ferro contaminantes de vidro. Neodímio é um componente de " didímio "(referindo-se a mistura de sais de neodímio e praseodímio ) utilizado para a coloração de vidro para fazer soldador óculos 's e soprador de vidro de; as bandas de absorção afiadas obliterar a emissão de sódio forte a 589 nm.

Neodímio e vidro didímio são usados em filtros de reforço de cor em fotografia de interiores, particularmente em filtrar os tons amarelos de iluminação incandescente.

Da mesma forma, vidro neodímio está se tornando amplamente utilizados mais diretamente na lâmpadas incandescentes. Estas lâmpadas contêm neodímio no vidro para filtrar a luz amarela, resultante sob uma luz branca, que é mais parecido com a luz solar.

Neodímio foi patenteada para uso em automóveis espelhos retrovisores, para reduzir o brilho da noite.

Semelhante ao seu uso nos vidros, sais de neodímio são usados como um corante para esmaltes.

Precauções

Pó de metal neodímio é um perigo de combustão e explosão. Os compostos de neodímio, como com todos os metais de terras raras, são de baixa toxicidade a moderada; no entanto a sua toxicidade não foi completamente investigada. Pó de neodímio e sais são muito irritante para os olhos e membranas mucosas, e moderadamente irritante para a pele. Respirar o pó pode causar pulmão embolias, e danos de exposição acumulada no fígado. Neodímio também actua como um anticoagulante, especialmente quando administrado por via intravenosa.

Neodímio imans foram testados para usos médicos, tais como cintas magnéticas e reparação do osso, mas problemas de biocompatibilidade têm impedido a aplicação generalizada. Imans comercialmente disponíveis feitos de neodímio são excepcionalmente fortes, e podem atrair-se a partir de grandes distâncias. Se não for tratada com cuidado, eles vêm juntos muito rapidamente e com força, causando ferimentos. Por exemplo, existe pelo menos um caso documentado de uma pessoa a perda de um dedo quando dois ímans que ele usava encaixadas a partir de 50 cm.

Livros

  • "A Química Industrial das Lanthanons, ítrio, tório e urânio", por RJ Callow, Pergamon Press 1967.
  • Lindsay Chemical Division, American Potash and Chemical Corporation, lista de preços de 1960.
  • "Química dos Lanthanons", por RC Vickery, Butterworths 1953.
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