Неодим металлический: свойства, получение и применение
Неодим – химический элемент с символом Nd и атомным номером 60. Это мягкий серебристый металл, который тускнеет на воздухе. Был обнаружен в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Вещество присутствует в значительных количествах в залежах монацитового песка и таком минерале, как бастнезит.
История
Редкоземельный металл неодим был обнаружен австрийским химиком бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом в Вене в 1885 году. Ученый выделил новое вещество (а также элемент празеодим) из материала, известного как дидим, посредством фракционной кристаллизации двойного тетрагидрата нитрата аммония из азотной кислоты, после разделения путем спектроскопического анализа. Однако до 1925 года не удавалось получить элемент в чистой форме.
До конца 1940 годов основным коммерческим способом получения металла была двойная кристаллизация нитратов. Метод малоэффективный, и количество получаемого вещества было небольшим. Компания Lindsay Chemical Division стала первой, кто начал крупномасштабное производство неодима методом ионообменной очистки. Начиная с 1950 годов высокоочищенный (выше 99%) элемент в основном получают в результате процесса ионного обмена из монацита, богатого редкоземельными элементами, путем электролиза его галоидных солей.
В настоящее время большинство металлических неодимов извлекают из бастнезита. Развивающиеся технологии и разработка улучшенных методов чистки позволили широко использовать его в промышленности.
Описание
Химический элемент не встречается естественным образом в металлической форме, его отделяют из вещества дидим, в котором он смешан с другими лантаноидами (в частности, с празеодимом). Хотя неодим классифицируется как редкоземельный металл, это довольно распространенный элемент, встречающийся не реже кобальта, никеля или меди, и широко распространен в земной коре. Большая часть вещества добывается в Китае.
Неодимовые соединения были впервые коммерчески использованы в качестве стеклянных красителей в 1927 году, и они остаются популярной добавкой в очковых линзах. Цвет соединений неодима из-за присутствия ионов Nd3+ часто имеет красновато-фиолетовый оттенок, но он изменяется в зависимости от типа освещения.
Применение
Линзы, легированные неодимом, используются в лазерах, излучающих инфракрасное излучение с длиной волны от 1047 до 1062 нанометров. Они применяются в системах, обладающих чрезвычайно высокой мощностью, например, в экспериментах по инерционному сдерживанию.
Неодим металлический также используется с другими кристаллами (такими как иттрий-алюминиевый гранат) в лазерах серии Nd:YAG. Данная установка обычно излучает инфракрасные лучи с длиной волны около 1064 нм. Она является одним из наиболее часто используемых твердотельных лазеров.
Другое важное применение металлического неодима – в качестве усиливающего компонента в сплавах, используемых для изготовления мощных высокопрочных постоянных магнитов. Они широко используются в таких продуктах, как микрофоны, профессиональные громкоговорители, наушники-вкладыши, высокопроизводительные электродвигатели постоянного тока, компьютерные жесткие диски – там, где требуется малая магнитная масса (объем) или сильные магнитные поля.
Большие неодимовые магниты используются в электродвигателях с большой мощностью и весом (например, в гибридных автомобилях), и генераторах (например, электрические генераторы воздушных судов и ветряных электростанций). Также элемент используют для упрочнения некоторых сплавов. Например, титан становится в полтора раза прочнее после добавки всего 1,5% данного вещества.
Физические свойства
Металлический неодим присутствует в классическом мишметалле (сплаве редкоземельных элементов), где его концентрация обычно составляет порядка 18%. В чистом виде элемент имеет яркий серебристо-золотистый металлический блеск, но быстро окисляется на обычном воздухе. Образуется слой оксида, который отслаивается, подвергая металл дальнейшему окислению. Таким образом, сантиметровый образец вещества полностью окисляется в течение года.
Неодим обычно существует в двух аллотропных формах с преобразованием из двойной гексагональной кубической структуры с центра в центр. Плавиться начинает при 1024°C, а закипать при 3074°C. Плотность вещества в твердой фазе – 7,01 г/см3, в жидком состоянии – 6,89 г/см3.
Атомарные свойства:
- Состояние окисления: +4, +3, +2 (основной оксид).
- Электроотрицательность: 1,14 (по шкале Поллинга).
- Теплопроводность: 16,5 Вт/(м·К).
- Энергия ионизации: 1: 533,1 кДж/моль, 2: 1040 кДж/моль, 3: 2130 кДж/моль.
- Радиус атома: 181 пикометр.
Химические свойства
Металлический неодим медленно тускнет на воздухе и легко горит при температуре около 150°C с образованием оксида неодима (III):
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
Это электроположительный элемент. Он медленно реагирует с холодной водой, но довольно быстро – с горячей, образуя гидроксид неодима (III):
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H2(g)
Металл энергично вступает в реакцию со всеми галогенами, легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, которые содержат фиолетовый ион Nd(III).
Производство
Неодим металлический никогда не встречается в природе как свободный элемент. Его добывают из таких руд, как бастнезит и монацит, в которых он связан с другими лантаноидами и прочими элементами. Основные районы добычи данных минералов находятся в Китае, США, Бразилии, Индии, Шри-Ланке и Австралии. Небольшие месторождения разведаны и в России.
Запасы неодима оцениваются примерно в 8 миллионов тонн. Его концентрация в коре Земли составляет около 38 мг/кг, что является вторым по величине среди редкоземельных элементов после церия. Мировое производство металла составляет порядка 7000 тонн. Основная часть производства принадлежит Китаю. Правительство КНР недавно признало элемент стратегически важным и ввело ограничения на его экспорт, вызвав некоторые опасения в странах-потребителях и спровоцировав резкое повышение цен на неодимы до 500$. Сегодня средняя цена за килограмм чистого металла варьируется в пределах 300-350$, оксиды неодима стоят дешевле: 70-130$.
Известны случаи, когда стоимость металла падала до 40$ по причине незаконной торговли в обход ограничений правительства Китая. Неопределенность ценообразования и доступности заставила японские компании разрабатывать постоянные магниты и связанные с ними электродвигатели с меньшим количеством редкоземельных элементов или вообще без них.