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Neodimio

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Neodimio
60 Nd
-

Nd

U
praseodimio neodimio ← → prometio
Apariencia
blanco plateado
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número neodimio, Nd, 60
Pronunciación / ˌ n yo . ɵ d ɪ m yo ə m /
NEE -o- DIM -ee-əm
Categoría Elemento lantánidos
Grupo, período, bloque n / a, 6, F
Peso atómico estándar 144.242
Configuración electrónica [ Xe ] 4f 4 6s 2
2, 8, 18, 22, 8, 2
Capas de electrones de neodimio (2, 8, 18, 22, 8, 2)
Historia
Descubrimiento Carl Auer von Welsbach (1885)
Propiedades físicas
Fase sólido
Densidad (cerca rt) 7,01 g · cm -3
Líquido densidad en mp 6,89 g · cm -3
Punto de fusion 1297 K , 1024 ° C, 1875 ° F
Punto de ebullicion 3347 K, 3074 ° C, 5565 ° F
Calor de fusión 7.14 kJ · mol -1
El calor de vaporización 289 kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar 27.45 J · mol -1 · K -1
Presión del vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
en T (K) 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
Propiedades atómicas
Estados de oxidación 3, 2, 1

(Levemente óxido básico)

Electronegatividad 1,14 (escala de Pauling)
Energías de ionización Primero: 533.1 kJ · mol -1
Segundo: 1040 kJ · mol -1
Tercero: 2130 kJ · mol -1
Radio atómico 181 pm
Radio covalente 201 ± 18:00
Miscelánea
Estructura cristalina hexagonal
Neodymium has a hexagonal crystal structure
Ordenamiento magnético paramagnético, antiferromagnético por debajo de 20 K
La resistividad eléctrica ( rt) (α, poli) 643 nΩ · m
Conductividad térmica 16.5 W · m -1 · K -1
Expansión térmica ( rt) (α, poli) 9,6 m / (m · K)
Velocidad del sonido (varilla delgada) (20 ° C) 2330 m · s -1
El módulo de Young (Forma α) 41,4 GPa
Módulo de corte (Forma α) 16,3 GPa
Módulo de volumen (Forma α) 31,8 GPa
Relación de Poisson (Forma α) 0.281
Dureza Vickers 343 MPa
Dureza Brinell 265 MPa
Número de registro del CAS 7440-00-8
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de neodimio
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP
142 Nd 27,2% 142 Nd es estable con 82 neutrones
143 Nd 12,2% 143 Nd es estable con 83 neutrones
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 es estable con 86 neutrones
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

El neodimio es un elemento químico con el símbolo de Nd y número atómico 60. Es un metal plateado blando que empaña en el aire. El neodimio fue descubierto en 1885 por el austriaco químico Carl Auer von Welsbach. Está presente en cantidades significativas en los minerales de mineral monacita y bastnäsite. Neodimio no se encuentra naturalmente en forma metálica o sin mezclar con otros lantánidos , y por lo general es refinado para uso general. Aunque neodimio está clasificado como un " tierras raras ", que es un elemento bastante común, sin más raro que el cobalto , el níquel y el cobre del mineral, y se encuentra ampliamente distribuida en la Tierra corteza . La mayoría de neodimio del mundo se extrae en China.

Compuestos de neodimio se utilizaron por primera vez comercialmente como tintes de vidrio en 1927, y siguen siendo un aditivo popular en gafas. El color de los compuestos activos vencidos de neodimio a la Nd 3+ iones suele ser un rojizo-púrpura pero cambia con el tipo de iluminación, debido a los efectos fluorescentes. Algunos vidrios dopados con neodimio también se utilizan en láseres que emiten luz infrarroja con longitudes de onda entre 1047 y 1062 nanómetros. Estos se han utilizado en aplicaciones de potencia extremadamente altas, tales como experimentos en fusión por confinamiento inercial.

Neodimio También se utiliza con varios otros cristales de sustrato, tal como granate de itrio y aluminio en el Nd: YAG. Este láser normalmente emite ondas infrarrojas en una longitud de onda de aproximadamente 1064 nanómetros. El láser de Nd: YAG es uno de los más utilizados láseres de estado sólido.

Otro uso principal de neodimio es como el elemento puro libre. Se utiliza como un componente en las aleaciones utilizadas para hacer de alta resistencia imanes de neodimio - potentes imanes permanentes. Estos imanes son ampliamente utilizados en productos tales como micrófonos, altavoces profesionales, auriculares in-ear, y los discos duros de ordenador, donde se requiere una baja masa imán o volumen, o los campos magnéticos fuertes. Grandes imanes de neodimio son utilizados en alta potencia con respecto a peso motores eléctricos (por ejemplo en coches híbridos) y generadores (por ejemplo aviones y turbina eólica generadores eléctricos).

Características

Propiedades físicas

Neodimio, un tierra rara de metal , estaba presente en la clásica mischmetal a una concentración de aproximadamente 18%. Neodimio metálico tiene un brillante, brillo metálico plateado, sino como uno de los más reactivos lantánidos metales de las tierras raras, se oxida rápidamente en aire ordinario. La capa de óxido que se forma luego se despega, y esto expone el metal para promover la oxidación. Por lo tanto una muestra centímetros de tamaño de neodimio oxida completamente dentro de un año.

Neodimio existe comúnmente en dos alotrópicas formas, con una transformación de una doble hexagonal a una centrada en el cuerpo estructura cúbica que tiene lugar aproximadamente a 863 ° C.

Propiedades químicas

Neodimio de metal empaña lentamente en el aire y se quema fácilmente a aproximadamente 150 ° C para formar neodimio (III) óxido de:

4 Nd + 3 O 2 → 2 Nd 2 O 3

El neodimio es un elemento muy electropositivo, y reacciona lentamente con agua fría, pero bastante rápidamente con agua caliente para formar neodimio (III) de hidróxido de:

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

Neodimio de metal reacciona con entusiasmo con todos los halógenos :

2 Nd (s) + 3 F 2 (g) → 2 NdF 3 (s) [una sustancia violeta]
2 Nd (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 NdCl3 (s) [una sustancia de color malva]
2 Nd (s) + 3 Br 2 (g) → 2 NdBr 3 (s) [una sustancia violeta]
2 Nd (s) + 3 I 2 (g) → 2 NDI 3 (s) [una sustancia verde]

Neodimio se disuelve fácilmente en diluida de ácido sulfúrico para formar soluciones que contienen el Nd (III) de iones de color lila. Estos existen como [Nd (OH 2) 9] 3+ complejos:

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

Compuestos

Compuestos de neodimio incluyen

  • haluros: neodimio (III) de fluoruro - NDF 3; neodimio cloruro (III) - NdCl3; neodimio (III) de bromuro - NdBr 3; neodimio (III) de yoduro - NDI 3
  • óxidos: neodimio (III) óxido - Nd 2 O 3
  • sulfuros: neodimio (II) sulfuro - NDS, neodimio (III) sulfuro - Nd 2 S 3
  • nitruros: neodimio (III) nitruro - NdN
  • hidróxido: neodimio (III) hidróxido - Nd (OH) 3
  • fosfuro: fosfuro de neodimio - NdP
  • carburo de: neodimio (III) de carburo - Nd 4 C 3
  • nitrato: neodimio (III) nitrato - Nd (NO 3) 3
  • sulfato: neodimio (III) sulfato - Nd 2 (SO 4) 3
Neodimio (III) -sulfato

Algunos compuestos de neodimio tienen colores que varían en función del tipo de iluminación.

Isótopos

Naturalmente neodimio que ocurre es una mezcla de cinco estables isótopos , 142 Nd, 143 Nd, 145 Nd, 146 y 148 Nd Nd, con 142 Nd siendo la más abundante (27,2% de la abundancia natural), y dos radioisótopos, 144 y 150 Nd Nd. En total, 31 radioisótopos de neodimio se han detectado a partir de 2010, con los radioisótopos más estables siendo las de origen natural: 144 Nd ( desintegración alfa con una vida media (T ½) de 2,29 × 10 15 años) y 150 Nd ( doble desintegración beta, T ½ = 7 × 10 18 años, aproximadamente). Todos los restantes isótopos radiactivos tienen vidas medias que son más cortos de once días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias que son más cortos de 70 segundos. Neodimio también tiene 13 conocida estados de la meta, con la más estable siendo 139 m Nd (T ½ = 5,5 horas), 135 m Nd (T ½ = 5,5 minutos) y 133 m 1 Nd (T ½ ~ 70 segundos).

El primario modos de desintegración antes del isótopo estable más abundante, 142 Nd, son captura de electrones y decaimiento de positrones, y el modo primario después de que se decaimiento menos beta. El primario productos de desintegración antes de 142 Nd son elemento Pr ( praseodimio ) isótopos y los productos primarios después de son elemento pm ( prometio ) isótopos.

Historia

El neodimio fue descubierto por el Barón Carl Auer von Welsbach, un austriaco químico, en Viena en 1885. Se separó de neodimio, así como el elemento de praseodimio , a partir de un material conocido como didimio por medio de cristalización fraccionada de las dobles tetrahidratos nitrato de amonio de ácido nítrico, mientras que después de la separación por espectroscópica de análisis; sin embargo, no fue aislado en forma relativamente pura hasta 1925. El nombre de neodimio se deriva de las palabras griegas neos (νέος), nuevos y dídimo (διδύμος), gemela.

Doble cristalización nitrato fue el medio de purificación de neodimio comercial hasta la década de 1950. Chemical Division Lindsay fue el primero en comercializar la purificación de intercambio iónico a gran escala de neodimio. A partir de la década de 1950, de alta pureza (por encima de 99%) de neodimio se obtiene principalmente a través de una proceso de intercambio iónico monacita, un mineral rico en elementos de tierras raras. El metal en sí se obtiene a través de la electrólisis de su haluro sales. Actualmente, la mayoría de neodimio se extrae de bastnäsite, (Ce, La, Nd, Pr) CO 3 F, y se purificó por extracción con disolvente. Purificación de intercambio iónico está reservado para la preparación de los más altos grados de pureza (típicamente> 99,99%). La evolución de la tecnología, y la mejora de la pureza del óxido de neodimio disponible en el mercado, se vio reflejado en la aparición de vidrio de neodimio que reside en las colecciones de hoy. Gafas de neodimio primeros realizados en la década de 1930 tienen un mayor matiz rojizo o anaranjado que las versiones modernas que son más limpiamente púrpura, debido a las dificultades en la eliminación de los últimos vestigios de praseodimio en la época en que la tecnología de cristalización fraccionada tuvo que ser invocados.

Ocurrencia y producción

Bastnäsite

Neodimio nunca se encuentra en la naturaleza como elemento libre, sino más bien se produce en minerales tales como monacita y bastnäsite que contienen pequeñas cantidades de todos los metales de tierras raras. Las principales zonas mineras están en China, Estados Unidos, Brasil , India, Sri Lanka y Australia. Las reservas de neodimio se estiman en cerca de ocho millones de toneladas. Aunque pertenece a la metales de tierras raras, neodimio no es raro en absoluto. Su abundancia en la Tierra corteza es de aproximadamente 38 mg / kg, que es el segundo más alto entre los elementos de tierras raras, después de cerio . La producción mundial de neodimio fue sobre 7000 toneladas en 2004. La mayor parte de la producción actual es de China, cuyo gobierno ha impuesto recientemente materiales controles estratégicos en el elemento, que suscita una inquietud en los países consumidores y provocando la subida de los precios de neodimio y otros metales de las tierras raras. A finales de 2011, el 99 por ciento de neodimio pura se comercializa en los mercados mundiales de USD $ 300 a $ 350 por kilogramo, por debajo del pico de mediados de 2011 de $ 500 / kg.

El neodimio es típicamente 10% a 18% del contenido de tierra rara de los depósitos comerciales de la luz rara bastnasita minerales de elementos de tierra y monacita. Con compuestos de neodimio es el más fuerte de color para los lantánidos trivalentes, que porcentaje de neodimio de vez en cuando puede dominar la coloración de minerales de tierras raras-cuando cromóforos competidores están ausentes. Por lo general, da una coloración rosa. Ejemplos destacados de esto incluyen cristales monacita de las estaño depósitos en Llallagua, Bolivia , ancylite de Mont Saint-Hilaire, Quebec, o lanthanite de la Saucon Valley, Pennsylvania. Al igual que con las gafas de neodimio, tales minerales cambian sus colores en las condiciones de iluminación diferentes. Las bandas de absorción de neodimio interactúan con el visible espectro de emisión de vapor de mercurio, con la luz UV de onda corta sin filtrar causando minerales que contiene neodimio para reflejar un color verde característico. Esto se puede observar con arenas que contiene monacita-o mineral que contiene bastnasita.

Aplicaciones

  • Neodimio tiene una específica inusualmente grande capacidad de calor a temperaturas de helio líquido, por lo que es útil en Sistemas de refrigeración criogénicos
  • Probablemente debido a similitudes con Ca 2+, 3+ Nd ha informado para promover el crecimiento de la planta. Compuestos de elementos de tierras raras se utilizan con frecuencia en China como fertilizante .
  • El samario-neodimio citas es útil para determinar las relaciones de edad de las rocas y meteoritos.
  • El tamaño y la fuerza de la erupción volcánica se pueden predecir mediante el escaneo de neodimio de isótopos . Erupciones volcánicas pequeñas y grandes producen lava con diferente composición de isótopos de neodimio. A partir de la composición de los isótopos, los científicos predicen qué tan grande será la próxima erupción, y utilizan esta información para advertir a los residentes de la intensidad de la erupción.

Imanes

Imán de neodimio en un soporte de una disco duro

Los imanes de neodimio (en realidad una aleación, Nd 2 Fe 14 B) son los permanentes fuertes imanes conocidos. Un imán de neodimio de unos pocos gramos puede levantar un millar de veces su propio peso. Estos imanes son más baratos, más ligero, y más fuerte que imanes de samario-cobalto. Sin embargo, no son superiores en todos los aspectos, como imanes a base de neodimio pierden su magnetismo a altas temperaturas y tienden a oxidarse, mientras que los imanes de samario-cobalto no lo hacen.

Los imanes de neodimio aparecen en productos tales como micrófonos, profesional altavoces, in-ear auriculares, guitarra y guitarra baja camionetas y equipo discos duros donde se requiere poca masa, volumen pequeño, o campos magnéticos fuertes. Motores eléctricos de imán de neodimio también han sido responsables para el desarrollo de aeronaves modelo puramente eléctrico dentro de la primera década del siglo 21, hasta el punto de que éstos están desplazando a los modelos de combustión interna alimentados internacionalmente. Del mismo modo, debido a esta alta capacidad magnética por peso, neodimio se utiliza en los motores eléctricos de los automóviles híbridos y eléctricos, y en los generadores de electricidad de algunos diseños de aerogeneradores comerciales (sólo turbinas eólicas con generadores "de imanes permanentes de neodimio" uso). Por ejemplo, conducir los motores eléctricos de cada Toyota Prius requiere de un kilogramo (2,2 libras) de neodimio por vehículo.

Neodimio dopado láseres

Iones de neodimio en varios tipos de cristales iónicos, y también en los vasos, actúan como un medio de ganancia de láser, típicamente emitiendo 1.064 nm de luz de una transición atómica particular en el de iones de neodimio, después de ser "bombeado" en la excitación de una fuente externa
Neodimio dopado losas de vidrio utilizados en los láseres muy potentes para fusión por confinamiento inercial.

Ciertos materiales transparentes con una pequeña concentración de neodimio iones pueden ser utilizados en láseres como medios de ganancia para longitudes de onda infrarrojas (1054-1064 nm), por ejemplo, Nd: YAG (granate de itrio y aluminio), Nd: YLF (fluoruro de litio de itrio), Nd: YVO 4 (ortovanadato itrio) y Nd: vidrio. Cristales dopados con neodimio (Nd típicamente: YVO 4) generar rayos láser infrarrojos de alta potencia que se convierten a la luz láser verde en comercial Láseres de mano de DPSS y punteros láser.

El láser de corriente en el Reino Unido Establecimiento de Armas Atómicas (AWE), el HELEN (High Energy Laser personificando neodimio) 1- teravatios láser de neodimio-vidrio, puede acceder a los puntos medios de las regiones de presión y temperatura y se utiliza para la adquisición de datos para el modelado de como la densidad, la temperatura y la presión interactúan dentro de ojivas. HELEN puede crear plasmas de alrededor de 10 6 K , de los cuales se miden la opacidad y la transmisión de la radiación.

Vidrio de neodimio láseres de estado sólido se utilizan en muy alta potencia ( escala teravatios), de alta energía ( megajulios) múltiples sistemas de vigas para fusión por confinamiento inercial. Láseres de Nd: vidrio son generalmente frecuencia triple a la tercer armónico a 351 nm en los dispositivos de fusión láser.

Vidrio de neodimio para otras aplicaciones

Un vaso de neodimio bombilla, con la base y el revestimiento interior eliminado, bajo dos diferentes tipos de luz: fluorescentes en la izquierda, y incandescente a la derecha.
Vidrio coloreado Neodimio-

Neodimio de vidrio (Nd: vidrio) es producida por la inclusión de óxido de neodimio (Nd 2 O 3) en la masa fundida de vidrio. Por lo general, la luz del día o vidrio incandescente neodimio luz aparece lavanda, pero parece de color azul pálido bajo iluminación fluorescente. Neodimio puede ser utilizado para el color de cristal en tonos delicados que van desde la pura violeta a través de rojo vino y gris cálido.

El primer uso comercial de neodimio purificado fue en la coloración de vidrio, a partir de experimentos realizados por Leo Moser en noviembre de 1927. El vidrio "Alejandrita" resultante sigue siendo un color de la firma de la fábrica de vidrio Moser hasta nuestros días. Vidrio de neodimio fue ampliamente emulado a principios de 1930 por los invernaderos estadounidenses, sobre todo Heisey, Fostoria ("glicinias"), Cambridge ("heatherbloom"), y Steuben ("glicinias"), y en otros lugares (por ejemplo, Lalique, en Francia, o Murano ). "Crepúsculo" de Tiffin mantenido en producción desde 1950 a 1980. Las fuentes actuales incluyen fabricantes de vidrio en la República Checa, Estados Unidos y China.

Las bandas de absorción agudos de neodimio hacen que el color del cristal para cambiar bajo diferentes condiciones de iluminación, siendo de color rojizo-púrpura bajo la luz del día o amarillo luz incandescente, pero azul bajo blanco iluminación fluorescente, o verdoso bajo iluminación tricromática. Este fenómeno de cambio de color es muy apreciado por los coleccionistas. En combinación con el oro o el selenio , hermosos colores rojos resultan. Desde la coloración depende de neodimio " prohibido "transiciones ff profunda dentro del átomo, hay relativamente poca influencia sobre el color de la ambiente químico, por lo que el color es impermeable a la historia térmica del vidrio. Sin embargo, para el mejor color, hierro impurezas -Con necesario reducir al mínimo en el de sílice usado para hacer el vidrio. La misma naturaleza prohibida de la ff transiciones marcas colorantes menos intensas que las previstas por la mayoría de los elementos de transición d las tierras raras, por lo que más se tiene que utilizar en un vaso para lograr la intensidad del color deseado. La receta original Moser utiliza aproximadamente el 5% de óxido de neodimio en la masa fundida de vidrio, una cantidad suficiente de tal manera que Moser se refiere a éstos como siendo "tierras raras dopados" gafas. Siendo una base fuerte, ese nivel de neodimio habría afectado a las propiedades de fusión del vidrio, y la contenido de cal del vidrio podría haber tenido que ajustarse en consecuencia.

La luz transmitida a través de las gafas de neodimio muestra inusualmente agudo bandas de absorción; el vidrio se utiliza en el trabajo astronómico para producir bandas afiladas por el cual líneas espectrales pueden ser calibrados. Neodimio también se utiliza para eliminar el color verde causado por hierro contaminantes de vidrio. El neodimio es un componente de " didimio "(en referencia a la mezcla de sales de neodimio y praseodimio ) utilizado para el vidrio colorante para hacer soldador gafas 's y soplador de vidrio de; las bandas de absorción afilados borran la fuerte emisión de sodio a 589 nm.

Neodimio y vidrio didimio se utilizan en los filtros de color para mejorar en fotografía de interiores, especialmente en la eliminación de los tonos amarillos de la iluminación incandescente.

Del mismo modo, el vidrio de neodimio está siendo ampliamente utilizado de manera más directa en bombillas incandescentes. Estas lámparas contienen neodimio en el vidrio para filtrar hacia fuera la luz amarilla, resultando en una luz más blanca que es más como la luz del sol.

Neodimio ha sido patentado para su uso en automóviles retrovisores, para reducir el resplandor de la noche.

Similar a su uso en vasos, las sales de neodimio se utilizan como un colorante para esmaltes.

Precauciones

Polvo metálico neodimio es un peligro de combustión o explosión. Compuestos de neodimio, como con todos los metales de tierras raras, son de baja toxicidad a moderada; sin embargo, su toxicidad no se ha investigado a fondo. Polvo de neodimio y sales son muy irritantes para los ojos y membranas mucosas, y moderadamente irritante para la piel. Respirar el polvo puede causar cáncer de pulmón embolias, y daños de exposición acumulada al hígado. Neodimio también actúa como una anticoagulante, especialmente cuando se administra por vía intravenosa.

Los imanes de neodimio se han probado para usos médicos, como abrazaderas magnéticas y la reparación ósea, pero problemas de biocompatibilidad han impedido la aplicación generalizada. Imanes disponibles comercialmente hechos de neodimio son excepcionalmente fuertes, y pueden atraerse entre sí desde grandes distancias. Si no se maneja con cuidado, se juntan muy rápidamente y con fuerza, causando lesiones. Por ejemplo, hay al menos un caso documentado de una persona que pierde un dedo cuando dos imanes que estaba usando espetó juntos a partir de 50 cm de distancia.

Libros

  • "La Química Industrial de los lantánidos, itrio, torio y uranio", por RJ Callow, Pergamon Press 1967.
  • Lindsay División Química, American Potasa y Chemical Corporation, Precio de lista de 1960.
  • "La química de los lantánidos", por RC Vickery, Butterworths 1953.
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