Neodimyum

Neodimyum, ₆₀Nd

Neodimyum
Telaffuz	/ˌniːoʊˈdɪmiəm/ ​(NEE-oh-DIM-ee-əm)
Görünüm	gümüş beyazı
Standart atom ağırlığı Ar, std(Nd)	7002144242000000000♠144.242(3)
Periyodik tablodaki Neodimyum
– ↑ Nd ↓ U praseodim ← neodimyum → prometyum
Atom numarası (Z)	60
Grup	grup n/a
Period	periyot 6
Blok	f-blok
Element kategorisi	Lantanid
Elektron konfigürasyonu	[Xe] 4f4 6s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 22, 8, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1297 K ​(1024 °C, ​1875 °F)
Kaynama noktası	3347 K ​(3074 °C, ​5565 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	7.01 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	6.89 g/cm3
Isı entalpisi	7.14 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	289 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	27.45 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	0, +2, +3, +4 (bir hafif baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.14
İyonlaşma enerjisi	1.: 533.1 kJ/mol 2.: 1040 kJ/mol 3.: 2130 kJ/mol
Atom yarıçapı	deneysel: 181 pm
Kovalent yarıçapı	201±6 pm
neodimyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​çift altıgen yakın paket (dhcp)
Sesin hızı kalay çubuk	2330 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	α, poly: 9.6 µm/(m·K) (r.t.)
Termal iletkenlik	16.5 W/(m·K)
Elektriksel direnç	α, poly: 643 nΩ·m
Manyetik sıralama	paramanyetik, antiferromanyetik 20 K'nin altında
Manyetik alınganlık	+5628.0·10−6 cm3/mol (287.7 K)
Young modülü	α form: 41.4 GPa
Kayma modülü	α form: 16.3 GPa
Bulk modülü	α form: 31.8 GPa
Poisson oranı	α form: 0.281
Vickers sertliği	345–745 MPa
Brinell sertliği	265–700 MPa
CAS Numarası	7440-00-8
Tarihçe
Keşfeden	Carl Auer von Welsbach (1885)
neodimyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 142Nd 27.2% kararlı 143Nd 12.2% kararlı 144Nd 23.8% 2.29×1015 y α 140Ce 145Nd 8.3% kararlı 146Nd 17.2% kararlı 148Nd 5.8% 2.7×1018 y β−β− 148Sm 150Nd 5.6% 21×1018 y β−β− 150Sm

Neodimyum, sembolü Nd ve atom numarası 60 olan kimyasal bir elementtir. Neodim, lantanit serisine aittir ve nadir bulunan bir toprak elementidir. Havada ve nemde hızla kararan sert, hafif dövülebilir gümüşi bir metaldir. Oksitlendiğinde, neodimyum hızla reaksiyona girerek +2, +3 ve +4 oksidasyon durumlarında pembe, mor/mavi ve sarı bileşikler oluşturur. Neodimyum, 1885 yılında Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach tarafından keşfedildi. Cevher mineralleri olan monazite ve bastnäsite'de önemli miktarlarda bulunur. Neodim doğal olarak metalik formda veya diğer lantanitlerle karıştırılmadan bulunmaz ve genellikle genel kullanım için rafine edilir. Neodim bir nadir toprak elementi olarak sınıflandırılmasına rağmen, oldukça yaygındır, kobalt, nikel veya bakırdan daha nadir değildir ve Dünya'nın kabuğunda geniş çapta dağılmıştır. Dünyadaki ticari neodimlerin çoğu Çin'de çıkarılıyor.

Neodim bileşikleri ticari olarak ilk kez 1927'de cam boyası olarak kullanıldı ve camlarda popüler bir katkı maddesi olmaya devam ediyor. Neodim bileşiklerinin rengi Nd³⁺ iyonundan kaynaklanır ve genellikle kırmızımsı-mordur, ancak neodimyumun keskin ışık emme bantlarının net görünür emisyon bantlarıyla zenginleştirilmiş ortam ışığı ile cıva, üç değerlikli öropiyum veya terbiyum etkileşimi nedeniyle aydınlatma türüne göre değişir. Bazı neodimyum katkılı camlar, 1047 ile 1062 nanometre arasındaki dalga boylarına sahip kızılötesi yayan lazerlerde kullanılır. Bunlar, eylemsizlik hapsi füzyonundaki deneyler gibi son derece yüksek güçlü uygulamalarda kullanılmıştır. Neodim ayrıca, Nd: YAG lazerde itriyum alüminyum granat gibi çeşitli başka substrat kristalleri ile birlikte kullanılır.

Neodimyumun bir diğer önemli kullanımı, yüksek mukavemetli neodim mıknatıslar - güçlü kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılan alaşımlarda bir bileşen olarak kullanılır. Bu mıknatıslar, düşük mıknatıs kütlesinin (veya hacminin) veya güçlü manyetik alanların gerekli olduğu mikrofonlar, profesyonel hoparlörler, kulak içi kulaklıklar, yüksek performanslı hobi DC elektrik motorları ve bilgisayar sabit diskleri gibi ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha büyük neodim mıknatıslar, yüksek güce karşı ağırlığa sahip elektrik motorlarında (örneğin hibrid arabalarda) ve jeneratörlerde (örneğin uçak ve rüzgar türbini elektrik jeneratörlerinde) kullanılır.

Tarihçe

Neodimyum, 1885'te Viyana'da Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach tarafından keşfedildi. Çift amonyum nitrat tetrahidratların nitrik asitten fraksiyonel kristalizasyonu yoluyla neodimiyumu ve praseodim elementini didimyum denilen karışımlarından ayırdı. Von Welsbach, ayrımı spektroskopik analizle doğruladı, ancak ürünler nispeten düşük saflıktaydı. Didymium, 1841'de Carl Gustaf Mosander tarafından keşfedildi ve saf neodim 1925'te ondan izole edildi. Neodimyum adı, Yunanca neos (νέος), new ve didymos (διδύμος), ikiz kelimelerinden türetilmiştir.

1950'lere kadar çift nitrat kristalizasyonu ticari neodim saflaştırma yöntemiydi. Lindsay Kimya Bölümü, neodimyumun büyük ölçekli iyon değişim saflaştırmasını ticarileştiren ilk şirkettir. 1950'lerden başlayarak, yüksek saflıkta (%99'un üzerinde) neodim, esas olarak nadir toprak elementleri bakımından zengin bir mineral olan monazitten bir iyon değişim işlemiyle elde edildi. Metal, halojenür tuzlarının elektroliziyle elde edilir. Şu anda, çoğu neodimyum bastnasit (Ce, La, Nd, Pr) CO₃F'den ekstrakte edilmekte ve solvent ekstraksiyonu ile saflaştırılmaktadır. İyon değişimi saflaştırma, en yüksek saflıkları (tipik olarak > %99.99) hazırlamak için ayrılmıştır. Gelişen teknoloji ve ticari olarak temin edilebilen neodimyum oksidin geliştirilmiş saflığı, bugün koleksiyonlarda bulunan neodim camın görünümüne yansıdı. 1930'larda yapılan erken neodim camlar, üretimin fraksiyonel kristalizasyon teknolojisine dayandığı çağda son praseodim izlerini kaldırmadaki zorluklar nedeniyle, daha temiz mor olan modern versiyonlardan daha kırmızımsı veya turuncu bir renge sahiptir.

Doğrudan tahrikli rüzgar türbinleri için kullanılan kalıcı mıknatıslardaki rolü nedeniyle, neodimyumun yenilenebilir enerji ile çalışan bir dünyada jeopolitik rekabetin ana nesnelerinden biri olacağı tartışıldı. Bu bakış açısı, çoğu rüzgar türbininin kalıcı mıknatıs kullanmadığını fark edemediği ve genişletilmiş üretim için ekonomik teşviklerin gücünü küçümsediği için eleştirildi.

Özellikleri

Fiziki ozellikleri

Nadir bir toprak metali olan neodim, klasik miskmetalde yaklaşık %18'lik bir konsantrasyonda mevcuttu. Metalik neodim, parlak, gümüşi metalik bir parlaklığa sahiptir. Neodim, yaklaşık 863 °C'de gerçekleşen çift altıgenden vücut merkezli bir kübik yapıya dönüşümle genellikle iki allotropik formda bulunur. Neodim, oda sıcaklığında paramanyetiktir ve 20 K'ye (-253,2 °C) soğutulduğunda bir antiferromıknatıs haline gelir. Neodim mıknatısları yapmak için bir ferromagnet olan demir ile alaşımlanmıştır.

Kimyasal özellikleri

Neodim metal, ortam koşullarında hızla oksitlenir ve neodim (III) oksit oluşturmak için yaklaşık 150 °C'de kolayca yanar; oksit soyulur ve dökme metali daha fazla oksidasyona maruz bırakır:

4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃

Neodim, oldukça elektropozitif bir elementtir ve soğuk suyla yavaş ama sıcak suyla oldukça hızlı reaksiyona girerek neodim (III) hidroksit oluşturur:

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

Neodim metal, tüm halojenlerle şiddetli bir şekilde reaksiyona girer:

2 Nd (s) + 3 F₂ (g) → 2 NdF₃ (s) [mor bir madde]

2 Nd (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 NdCl₃ (s) [leylak rengi bir madde]

2 Nd (s) + 3 Br₂ (g) → 2 NdBr₃ (s) [mor bir madde]

2 Nd (s) + 3 I₂ (g) → 2 NdI₃ (s) [yeşil bir madde]

Neodimyum, leylak Nd (III) iyonu içeren çözeltiler oluşturmak için seyreltik sülfürik asitte kolayca çözünür. Bunlar [Nd(OH₂)₉]³⁺ kompleksleri olarak bulunur:

2 Nd (s) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Nd³⁺ (aq) + 3 SO2−
4 (aq) + 3 H₂ (g)

Bileşikler

Neodim bileşikleri şunları içerir:

• halojenürler: neodim (III) florür (NdF₃); neodim (III) klorür

(NdCl₃); neodim (III) bromür (NdBr₃); neodim (III) iyodür (NdI₃)

• oksitler: neodim (III) oksit (Nd₂O₃)
• sülfitler: neodim (II) sülfür (NdS), neodimyum (III) sülfür (Nd₂S₃)
• nitrürler: neodim (III) nitrür (NdN)
• hidroksit: neodim (III) hidroksit (Nd(OH)₃)
• fosfit: neodimyum fosfit (NdP)
• karbür: neodim karbür (NdC₂)
• nitrat: neodimyum (III) nitrat (Nd(NO₃)₃)
• sülfat: neodimyum (III) sülfat (Nd₂(SO₄)₃)

İzotoplar

Doğal olarak oluşan neodim, ¹⁴²Nd en bol olan (doğal bolluğun %27,2'si) ve iki radyoizotop, ¹⁴⁴Nd ve ¹⁵⁰Nd. olmak üzere beş kararlı izotop, ¹⁴²Nd, ¹⁴³Nd, ¹⁴⁵Nd, ¹⁴⁶Nd ve ¹⁴⁸Nd, karışımıdır. Toplamda, 2010 yılı itibariyle 31 radyoizotop tespit edilmiştir, en kararlı radyoizotoplar doğal olarak meydana gelenlerdir: ¹⁴⁴Nd (yarılanma ömrü (t_1/2) 2.29×10¹⁵ yıl olan alfa bozunması) ve ¹⁵⁰Nd (çift beta) bozunma, t_1/2 = 7×10¹⁸ yıl, yaklaşık olarak). Geri kalan tüm radyoaktif izotopların yarı ömürleri on bir günden daha kısadır ve bunların çoğu 70 saniyeden daha kısa yarı ömürlere sahiptir. Neodim ayrıca bilinen 13 meta duruma sahiptir, en kararlı olanı ^139mNd (t_1/2 = 5.5 saat), ^135mNd (t_1/2 = 5.5 dakika) ve ^133m1Nd (t_1/2 ~70 saniye).

En bol kararlı izotop olan ¹⁴²Nd'den önceki birincil bozunma modları elektron yakalama ve pozitron bozunmasıdır ve sonraki birincil mod beta eksi bozunmadır. ¹⁴²Nd'den önceki birincil bozunma ürünleri element Pr (praseodimyum) izotoplarıdır ve sonraki birincil ürünler element Pm (prometyum) izotoplarıdır.

Oluşum ve üretim

Neodim, doğada nadiren serbest bir element olarak bulunur, ancak daha ziyade, tüm nadir toprak metallerinin küçük miktarlarını içeren monazite ve bastnäsite (bunlar tek mineral isimlerinden ziyade mineral grup isimleridir) gibi cevherlerde bulunur. Bu minerallerde neodim (lantan durumunda olduğu gibi) nadiren baskındır; seryum en bol lantanittir; bazı istisnalar monazite- (Nd) ve kozoite- (Nd) içerir. Ana madencilik alanları Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Brezilya, Hindistan, Sri Lanka ve Avustralya'dır. Neodim rezervlerinin yaklaşık sekiz milyon ton olduğu tahmin ediliyor. Nadir toprak metallerine ait olmasına rağmen, neodim hiç de nadir değildir. Dünya kabuğundaki bolluğu, seryumdan sonra nadir toprak elementleri arasında ikinci en yüksek olan yaklaşık 38 mg/kg'dır. 2004 yılında dünyadaki neodimyum üretimi yaklaşık 7.000 tondu. Mevcut üretimin büyük kısmı Çin'den geliyor. Tarihsel olarak Çin hükümeti, fiyatlarda büyük dalgalanmalara neden olan unsur üzerinde stratejik malzeme kontrolleri uyguladı. Fiyatlandırma ve bulunabilirlik belirsizliği, şirketlerin (özellikle Japonlar) kalıcı mıknatıslar ve daha az nadir toprak metali ile ilişkili elektrik motorları yaratmasına neden oldu; ancak şimdiye kadar neodim ihtiyacını ortadan kaldıramadılar.

Neodimyum, hafif nadir toprak elementi mineralleri olan bastnäsite ve monazite'in ticari birikintilerinin nadir toprak içeriğinin tipik olarak %10-18'idir. Üç değerlikli lantanitler için en güçlü renkte olan neodim bileşikleri ile, kromoforlar olmadığında nadir toprak minerallerinin renklenmesine ara sıra hakim olabilir. Genellikle pembe bir renk verir. Bunun olağanüstü örnekleri arasında Bolivya, Llallagua'daki kalay yataklarından gelen monazit kristalleri; Mont Saint-Hilaire, Quebec, Kanada'dan ancylite; veya Saucon Valley, Pennsylvania, Amerika Birleşik Devletleri'nden lantanit sıralanabilir. Neodim camlarda olduğu gibi, bu tür mineraller farklı aydınlatma koşulları altında renklerini değiştirirler. Neodimyumun absorpsiyon bantları, cıva buharının görünür emisyon spektrumu ile etkileşime girerek, filtrelenmemiş kısa dalga UV ışığı, neodim içeren minerallerin belirgin bir yeşil rengi yansıtmasına neden olur. Bu, monazit içeren kumlarda veya bastnäsite içeren cevherde gözlemlenebilir.

Uygulamalar

Neodim, sıvı-helyum sıcaklıklarında alışılmadık derecede büyük bir özgül ısı kapasitesine sahiptir, bu nedenle kriyo soğutucularda kullanışlıdır.

Muhtemelen Ca²⁺ ile benzerliklerinden dolayı, Nd³⁺ 'nın bitki büyümesini desteklediği bildirilmiştir. Nadir toprak elementli bileşikler, Çin'de gübre olarak sıklıkla kullanılmaktadır.

Samaryum-neodim tarihlemesi, kayaların ve göktaşlarının yaş ilişkilerini belirlemede kullanışlıdır. Deniz sedimanlarında kaydedilen neodim izotopları, geçmiş okyanus dolaşımındaki değişiklikleri yeniden yapılandırmak için kullanılır.

Mıknatıslar

Neodim mıknatıslar (aslında bir alaşım, Nd₂Fe₁₄B) bilinen en güçlü kalıcı mıknatıslardır. Birkaç gramlık bir neodim mıknatıs kendi ağırlığının bin katını kaldırabilir. Bu mıknatıslar samaryum – kobalt mıknatıslardan daha ucuz, daha hafif ve daha güçlüdür. Bununla birlikte, neodimyum esaslı mıknatıslar daha düşük sıcaklıklarda manyetizmalarını kaybedip paslanma eğilimi gösterirken, samaryum-kobalt mıknatıslar yapmadığından, her açıdan üstün değildirler.

Neodim mıknatıslar, düşük kütle, küçük hacimli veya güçlü manyetik alanların gerekli olduğu mikrofonlar, profesyonel hoparlörler, kulak içi kulaklıklar, gitar ve bas gitar manyetikleri ve bilgisayar sabit diskleri gibi ürünlerde görünür. Neodim, hibrit ve elektrikli otomobillerin elektrik motorlarında ve ticari rüzgar türbinlerinin bazı tasarımlarının elektrik jeneratörlerinde kullanılır (sadece "kalıcı mıknatıslı" jeneratörlere sahip rüzgar türbinleri neodimiyum kullanır). Örneğin, her bir Toyota Prius'un tahrikli elektrik motorları, araç başına bir kilogram (2.2 pound) neodim gerektirir.

2020'de Radboud Üniversitesi ve Uppsala Üniversitesi'ndeki fizik araştırmacıları, neodimyumun atomik yapısında "kendi kendine indüklenen döner cam" olarak bilinen bir davranış gözlemlediklerini açıkladılar. Araştırmacılardan biri, "… biz tarama tünelleme mikroskobu konusunda uzmanız. Tek tek atomların yapısını görmemizi sağlar ve atomların kuzey ve güney kutuplarını çözebiliriz. Yüksek hassasiyetli görüntülemedeki bu ilerlemeyle, neodimyumdaki davranışı keşfetmeyi başardık, çünkü manyetik yapıdaki inanılmaz derecede küçük değişiklikleri çözebildik diye belirtti. " Neodim, daha önce periyodik tablo elementinde görülmemiş karmaşık bir manyetik şekilde davranır.

Lazerler

Lazerlerde, kızılötesi dalga boyları (1054-1064 nm) için kazanç ortamı olarak, küçük konsantrasyonda neodim iyonları içeren belirli saydam malzemeler kullanılabilir, örn. Nd: YAG (itriyum alüminyum granat), Nd: YLF (itriyum lityum florür), Nd:YVO₄ (itriyum ortovanadat) ve Nd: cam. Neodimyum katkılı kristaller (tipik olarak Nd:YVO₄), ticari DPSS el lazerleri ve lazer işaretçilerinde yeşil lazer ışığına dönüştürülen yüksek güçlü kızılötesi lazer ışınları üretir.

Birleşik Krallık Atom Silahları Kuruluşu'ndaki (AWE) mevcut lazer, HELEN (Yüksek Enerjili Lazer Neodimyum) 1-terawatt neodim-cam lazer, basınç ve sıcaklık bölgelerinin orta noktalarına erişebilir ve yoğunluğun nasıl olduğunu modellemek için veri elde etmek için kullanılır. savaş başlıklarının içinde sıcaklık ve basınç etkileşir ve HELEN, opaklık ve radyasyon iletiminin ölçüldüğü yaklaşık 10⁶ K plazmalar oluşturabilir.

Neodim cam katı hal lazerleri, atalet hapsi füzyonu için son derece yüksek güçlü (terawatt ölçeği), yüksek enerjili (megajoule) çoklu ışın sistemlerinde kullanılır. Nd: cam lazerleri genellikle lazer füzyon cihazlarında 351 nm'de üçüncü harmoniğe frekans üçe katlanır.

Cam

Neodimyum cam (Nd:cam), cam eriyiğine neodim oksit (Nd₂O₃) eklenmesi ile üretilir. Genellikle gün ışığında veya akkor ışıkta neodim cam lavanta gibi görünür, ancak flüoresan aydınlatma altında soluk mavi görünür. Neodim, camı saf mordan şarap kırmızısı ve sıcak griye kadar değişen hassas tonlarda renklendirmek için kullanılabilir.

Saflaştırılmış neodimyumun ilk ticari kullanımı, Kasım 1927'de Leo Moser tarafından yapılan deneylerle başlayan cam renklendirmesindeydi. Ortaya çıkan "Alexandrite" cam, Moser cam işçiliğinin bugüne kadar imza rengi olmaya devam ediyor. Neodim cam, 1930'ların başlarında, özellikle Heisey, Fostoria ("wisteria"), Cambridge ("heatherbloom") ve Steuben ("wisteria") ve başka yerlerde (ör. Lalique, Fransa veya Murano) olmak üzere Amerikan seraları tarafından yaygın bir şekilde taklit edildi. ). Tiffin'in "alacakaranlığı" 1950'den 1980'e kadar üretimde kaldı. Mevcut kaynaklar arasında Çek Cumhuriyeti, Amerika Birleşik Devletleri ve Çin'deki cam üreticileri bulunmaktadır.

Önlemler

Neodimyum

Tehlikeler
GHS piktogramlar
GHS işaret kelimesi	Warning
GHS Tehlike bildirimleri	H315, H319, H335
GHS Önlem Açıklamaları	P261, P305+351+338
NFPA 704	0 2 0
Aksi belirtilmediği sürece, veriler malzemelerin standart hallerinde verilir (25 °C'de [77 °F], 100 kPa).
Bilgikutusu referansı

Neodim metal tozu yanıcıdır ve bu nedenle patlama tehlikesi vardır. Tüm nadir toprak metallerinde olduğu gibi neodim bileşikleri düşük ila orta toksisiteye sahiptir; ancak toksisitesi kapsamlı bir şekilde araştırılmamıştır. Neodim tozu ve tuzları, gözleri ve mukozaları çok tahriş eder ve cildi orta derecede tahriş eder. Tozun solunması akciğer embolisine neden olabilir ve biriken maruz kalma karaciğere zarar verir.

Neodim ayrıca, özellikle intravenöz olarak verildiğinde bir antikoagülan görevi görür. Neodim mıknatıslar, manyetik teller ve kemik onarımı gibi tıbbi kullanımlar için test edilmiştir, ancak biyouyumluluk sorunları yaygın uygulamayı engellemiştir. Neodimyumdan yapılan ticari olarak temin edilebilen mıknatıslar son derece güçlüdür ve büyük mesafelerden birbirlerini çekebilirler. Dikkatli kullanılmazlarsa çok hızlı ve güçlü bir şekilde bir araya gelerek yaralanmalara neden olurlar. Örneğin, kullandığı iki mıknatıs 50 cm mesafeden birbirine kenetlendiğinde parmak ucunu kaybeden en az bir kişinin belgelenmiş vakası vardır. Bu güçlü mıknatısların bir diğer riski, birden fazla mıknatıs yutulursa, gastrointestinal sistemdeki yumuşak dokuları sıkıştırabilmeleridir. Bu, en az 1.700 acil servis ziyaretine yol açtı ve küçük neodim mıknatısların yapım setleri olan Buckyballs oyuncak serisinin geri çağrılmasını gerektirdi.