Neodimijski metal: svojstva, proizvodnja i primjena

Neodimij je kemijski element s simbolom Nd i atomskim brojem 60. To je mekani srebrni metal koji nestaje u zraku. Otkrio ga je 1885. godine austrijski kemičar Carl Auer von Welsbach. Tvar je prisutna u značajnim količinama u naslagama od monazitnog pijeska i minerala kao što je bastnesit.

priča

Bijeli metal neodimij otkrio je austrijski kemičar baruna Carl Auer von Velsbahom u Beču 1885. godine. Znanstvenici su identificirali novu tvar (i) od elementa praseodimij materijala poznat kao didymium, frakcijskom kristalizacijom amonijevog nitrata tetrahidrata dvostruke dušične kiseline, nakon odvajanja spektroskopske analize. Međutim, do 1925. nije bilo moguće dobiti element u čistom obliku.

Do kraja 1940, glavni komercijalni način proizvodnje metala postojala je dvostruka kristalizacija nitrata. Metoda je neučinkovita, a količina dobivene supstance bila je mala. Lindsay Chemical Division prvi je započeo veliku proizvodnju neodimijuma metodom ionske izmjene. Od 1950-ih, visoko pročišćeni (iznad 99%) element se uglavnom dobiva kao rezultat procesa ionske izmjene od monazita bogatog rijetkim elementima zemlje, elektrolizom svojih halidnih soli.

Trenutno, većina metalnog neodimijuma se ekstrahira iz bastnitsita. Razvoj tehnologija i razvoj poboljšanih metoda čišćenja omogućili su široko korištenje u industriji.

opis

Kemijski element se ne pojavljuje prirodno u metalnom obliku, odvojen je od didimijske tvari, u kojem se miješa s drugim lantanidima (posebice s praseodimijem). Iako je neodimij klasificiran kao rijetki zemaljski metal, to je prilično čest element koji se pojavljuje barem kobaltom, niklom ili bakrom i široko se distribuira u zemljinoj kora. Većina stvari je minirano u Kini.

Neodimski spojevi prvi su komercijalno korišteni kao staklene boje u 1927, a oni su i dalje popularni dodatak u objektima za spektakl. Boja neodimskih spojeva zbog prisutnosti Nd iona³⁺ često ima crvenkasto-ljubičastu boju, ali ovisi o vrsti rasvjete.

primjena

Lenses dopiran s neodimijem koriste se u laseri koji emitiraju infracrveno zračenje valne duljine od 1047 do 1062 nanometara. Koriste se u sustavima s izuzetno visokom snagom, na primjer, u pokusima na inercijskoj zaštiti.

Neodimijski metal se također koristi s drugim kristalima (kao što je itrij-aluminijev granat) u Nd: YAG serija lasera. Ova instalacija obično emitira infracrvene zrake valne duljine od oko 1064 nm. To je jedan od najčešće korištenih laseri čvrstog stanja.

Druga važna primjena metalnih neodimij - kao pojačanje komponenta u legurama se koriste za izradu velike snage visoke čvrstoće permanentni magneti. Oni su naširoko koristi u proizvodima kao što su mikrofoni, profesionalnih zvučnika, u uho slušalice, visokih performansi DC motora, tvrde diskove računala - gdje je potrebna mala magnetska mase (volumena) ili jaka magnetska polja.

Neodimijski magneti se koriste u električnim motorima s visokim snage i težine (na primjer, u hibridne automobile) i generatora (na primjer, električni generatori zrakoplova i energija vjetra). Također, element se koristi za otvrdnjavanje određenih legura. Na primjer, titan postaje jedan i pol puta jači nakon dodavanja samo 1,5% ove tvari.

Fizička svojstva

Metalni neodimij prisutan je u klasičnom mischmetal (legura rijetkih zemaljskih elemenata), gdje je njegova koncentracija obično oko 18%. U čistom obliku, element ima svijetlo srebrno-zlatno metalno sjaj, ali brzo oksidira u običnom zraku. Sloj oksidnih oblika, koji exfoliates, otkriva metal za daljnju oksidaciju. Tako je centimetarni uzorak tvari potpuno oksidiran unutar godine dana.

Neodimij obično postoji u dva alotropna oblika s transformacijom iz dvostruke šesterokutne kubične strukture od središta do središta. Taloženje započinje na 1024 ° C i kuhati na 3074 ° C. Gustoća tvari u krutoj fazi je 7,01 g / cm³, u tekućem stanju - 6,89 g / cm³.

Atomska svojstva:

• Oksidacijsko stanje: +4, +3, +2 (bazični oksid).
• Elektronegativnost: 1,14 (prema skali mjerenja).
• Toplinska vodljivost: 16,5 W / (mmdot-K).
• Energija ionizacije je 1: 533.1 kJ / mol, 2: 1040 kJ / mol, 3: 2130 kJ / mol.
• Radijus atoma: 181 pikometara.

Kemijska svojstva

Metalni neodimijski polagano blijedi u zraku i lagano gori na temperaturi od oko 150 ° C kako bi nastala neodimij (III) oksid:

4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃

Ovo je elektropositivni element. Polako reagira s hladnom vodom, ali brzo - s vrućim, oblikujući neodimij (III) hidroksid:

2Nd (s) + 6H₂O (l) → 2Nd (OH)₃ (aq) + 3H₂(G)

Metal reagira snažno sa svim halogenom, lako se otapa u razrijeđenoj sumpornoj kiselini da se dobije otopine koje sadrže ljubičasti Nd (III) ion.

proizvodnja

Neodimijski metal nikad se ne nalazi u prirodi kao slobodni element. Izvlači se iz takvih ruda kao bastnesit i monazit, u kojem je vezan za druge lantanide i druge elemente. Glavna rudarska područja za ove minerale su u Kini, Sjedinjenim Državama, Brazilu, Indiji, Šri Lanki i Australiji. U Rusiji se istražuju sitni depoziti.

Rezerve neodimijuma procjenjuju se na oko 8 milijuna tona. Njegova koncentracija u Zemljinoj kori je oko 38 mg / kg, što je drugi po veličini među rijetkim elementima zemlje nakon ceriuma. Svjetska proizvodnja metala je oko 7000 tona. Najveći dio proizvodnje pripada Kini. Vlada NRK nedavno je prepoznala taj element kao strateški važnu i nametnula ograničenja na izvoz, uzrokujući neke zabrinutosti u potrošačkim zemljama i izazivajući snažan rast cijena neodimijuma na 500 dolara. Danas, prosječna cijena po kilogramu čistog metala varira u rasponu od 300 do 350 dolara, neodimski oksidi su jeftiniji: 70 do 130 dolara.

Postoje slučajevi kada je cijena metala pala na 40 dolara zbog nezakonite trgovine, zaobilazeći ograničenja kineske vlade. Nesigurnost cijena i dostupnost su japanske tvrtke razvile trajne magnete i pripadajuće električne motore s manje rijetkih elemenata zemlje ili bez njih.