Неодим
Неоди́м (химический символ — Nd, от лат. Neodymium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB), шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 60.
Неодим | ||||
---|---|---|---|---|
← Празеодим | Прометий → | ||||
| ||||
Внешний вид простого вещества | ||||
Образец неодима | ||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Неоди́м/Neodymium (Nd), 60 | |||
Группа, период, блок | 3 (устар. IIIB), 6, f-элемент | |||
Атомная масса (молярная масса) | 144,242(3)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
Электронная конфигурация | [Xe] 6s24f4 | |||
Радиус атома | 182 пм | |||
Химические свойства | ||||
Ковалентный радиус | 184 пм | |||
Радиус иона | 99,(+3e) 5 пм | |||
Электроотрицательность | 1,14 (шкала Полинга) | |||
Электродный потенциал | Nd←Nd3+ −2,32В Nd←Nd2+ −2,2В | |||
Степени окисления | +3 | |||
Энергия ионизации (первый электрон) | 531,5(5,51) кДж/моль (эВ) | |||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||
Плотность (при н. у.) | 7,007 г/см³ | |||
Температура плавления | 1294 K | |||
Температура кипения | 3341 K | |||
Мол. теплота плавления | 7,1 кДж/моль | |||
Мол. теплота испарения | 289 кДж/моль | |||
Молярная теплоёмкость | 27,42[2] Дж/(K·моль) | |||
Молярный объём | 20,6 см³/моль | |||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
Структура решётки | Гексагональная | |||
Параметры решётки | a=3,658 c=11,80 Å | |||
Отношение c/a | 3,23 | |||
Прочие характеристики | ||||
Теплопроводность | (300 K) (16,5) Вт/(м·К) | |||
Номер CAS | 7440-00-8 |
60 | Неодим |
4f46s2 |
Относится к семейству лантаноидов (к его цериевой подгруппе)[2].
Простое вещество неодим — мягкий металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком.
История
Неодим был открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Он разделил дидим — смесь двух редкоземельных металлов, трудно разделяемую из-за чрезвычайной близости их химических свойств и ранее считавшуюся индивидуальным химическим элементом, на неодим и празеодим. Получить неодим в чистом виде, практически свободном от примесей празеодима, удалось лишь в 1925 году.
Происхождение названия
Название «неодим» (лат. Neodymium) представляет собой слияние двух греческих слов νέος «новый» и δίδυμος «близнец», что связано с историей открытия элемента[3].
Нахождение в природе
Содержание неодима в земной коре (по разным данным) — 25—37 г/т, в воде океанов — 9,2⋅10−6 мг/л[4].
Месторождения
Неодим входит в состав лантаноидов, месторождения которых находятся в России, США, Казахстане, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии, Китае. Последний является основным производителем, а также экспортёром неодима.
Общая сырьевая база редкоземельных элементов в мире составляет примерно 100 млн т, из которых на долю КНР приходится до 52 млн тонн. Китай поставляет 92—94 % мировых объёмов редкоземельных элементов.
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома неодима: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f4.
Неодим — мягкий металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Природный неодим очень слабо радиоактивен, он содержит альфа-активный изотоп 144Nd с природным изотопным содержанием η = 23,8% и периодом полураспада T1/2 = 2,29 × 1015 лет, а также изотоп 150Nd с η = 5,6%, испытывающий двойной бета-распад с T1/2 = 9,3 × 1018 лет)[2][5].
При температуре до 883 °C существует как α-Nd — кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P63/mmc, параметры ячейки a = 0,36579 нм, c = 1,17992 нм, Z = 4, d = 6,908 г/см3, решётка типа лантана. Выше 883 °C переходит в β-Nd — кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, параметры ячейки a = 0,413 нм, Z = 2, d = 6,80 г/см3, решётка типа α-железа. Энтальпия перехода α-Nd ↔ β-Nd равна 3,0 кДж/моль. Твёрдость по Бриннелю 350—450 МПа[2].
Теплоёмкость 27,42 кДж/(моль·К). Температура плавления 1016 °C. Температура кипения 3027 °C. Давление паров при температуре плавления 4,50·10−3 Па. Энтропия So
298 = 71,68 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10−6 К−1[2].
Парамагнетик, магнитная восприимчивость +5,628·10−3; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик. Удельное электрическое сопротивление 6,43·10−5 Ом·см[2].
Химические свойства
Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе[6] и легко загорается при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III), образующийся слой оксида отслаивается, не образуя защитную плёнку, и металл продолжает окисляться[6]:
- .
Окисление неодима на воздухе происходит более легко, чем у лантана, церия и празеодима, однако он более стоек, чем тяжёлые редкоземельные элементы[2].
Неодим — довольно электроположительный элемент, он медленно реагирует с холодной водой, но достаточно быстро с горячей водой с образованием гидроксида неодима(III):
- .
Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:
- (фиолетовый);
- (лиловый);
- (фиолетовый);
- (зелёный)
Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов [7]:
- .
Помимо соединений, где неодим проявляет степень окисления +3 (только они устойчивы в водных растворах[2]), известны соединения Nd(II) и Nd(IV).
Изотопы
Природный неодим состоит из семи изотопов[8]:
- 142Nd с атомным содержанием в природном неодиме 27,153(40) %;
- 143Nd, 12,173(26) %;
- 144Nd, 23,798(19) %;
- 145Nd, 8,293(12) %;
- 146Nd, 17,189(32) %;
- 148Nd, 5,756(21) %;
- 150Nd, 5,638(28) %.
Из них пять стабильны, а два слаборадиоактивны: 144Nd испытывает альфа-распад с периодом полураспада 2,29(16)⋅1015 лет, а 150Nd — двойной бета-распад с периодом полураспада 9,3(7)⋅1018 лет. На 2020 год получено 33 искусственных нестабильных изотопа неодима с массовым числом в диапазоне от 124 до 163; также известны 15 метастабильных возбуждённых состояний его ядер[5].
Получение
Неодим при разделении редкоземельных элементов концентрируется вместе с лёгкими лантаноидами и выделяется вместе с празеодимом; смесь соединений Pr(III) и Nd(III) называют дидимом. Металлический неодим получают из безводных галогенидов электролизом их расплава или кальциетермическим восстановлением. Электролиз расплава NdF3 или NdCl3 (с добавками галогенидов Li, К, Са, Ва) ведут при 1000 °C и катодной плотности тока 4,7 А/см²; материал анода и катода — графит.
Цены
Цены на неодим чистотой 99—99,9 % в 2011 году составляли около 110 долларов США за 1 килограмм[9], в зависимости от применяемой технологии производства и страны-производителя, а также от конечной формы готового изделия и области его применения и использования.
В 2014 году цена неодима 99 % чистоты составляла примерно 70 долларов США за 1 кг[10].За 2010-е годы цена на неодим выросла на 750 %[11].
В 2023 году цена составляла ~ 90 $/кг.
Применение
Неодим — один из наиболее широко применяемых металлов из группы лантаноидов наряду с самарием, церием, лантаном и др.
Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения[3].
Очень важными областями применения неодима являются:
- легирование специальных конструкционных сплавов и сталей (модифицирование высококачественных сталей), неодим в виде добавки 1,5 % в полтора раза увеличивает прочность чистого титана и потому служит для его легирования.
- производство мощных постоянных магнитов (неодим-иттрий-кобальт, неодим-железо-бор),
Соединения неодима применяются в сельском хозяйстве (обработка семян с целью ускорения всхожести, урожайности).
Легирование неодимом значительно повышает прочность термоэлектрических материалов на основе теллуридов и селенидов висмута и сурьмы и повышает термо-ЭДС этих материалов. Имеется указание на то, что легирование неодимом термоэлектрических сплавов системы висмут-теллур-цезий также увеличивает их прочность, термо-ЭДС и временну́ю стабильность.
Оксид неодима применяется в качестве диэлектрика со сверхмалым коэффициентом линейного термического расширения и для производства неодимового стекла (см. ниже).
Фторид неодима применяется для получения высококачественных оптоволоконных световодов для волоконной оптики.
Теллурид неодима — очень хороший термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов, которым придаёт повышенную прочность и улучшает электрофизические характеристики (термо-ЭДС около 170 мкВ/К).
- В нефтехимическом производстве, при изготовлении синтетического каучука СКД-НД служит катализатором (синтетический каучук дивиниловый на неодимовом катализаторе).
Неодимовое стекло
Минеральное стекло с добавлением оксидов неодима и некоторых других лантаноидов обладает многочисленными полезными физическими и интересными оптическими свойствами, а потому имеет достаточно обширное применение в научных приборах, в аксессуарных и защитных очках, декоративном стеклоделии и другое.
Биологическая роль
Как и многие другие редкоземельные металлы, элементарный неодим не играет значительной биологической роли в живых организмах.
Примечания
Литература
- Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3 (Мед-Пол). — 639 с. — ISBN 5-82270-039-8.
Ссылки
- Неодим на Webelements Архивная копия от 10 октября 2004 на Wayback Machine
- Неодим в Популярной библиотеке химических элементов Архивная копия от 14 марта 2007 на Wayback Machine