Неодијум

Неодијум (, лат. ) је хемијски елеменат из групе лантаноида са атомским бројем 60.^[4][5] Име је добио од грчких речи и које спојене имају значење „нови близанац“. Неодијум је заступљен у Земљиној кори у количини од 38 (енгл. ). Најважнији минерали неодијума су: монацит и

Неодијум

Општа својства
Име, симбол	неодијум,
Изглед	сребрнасто бео
У периодноме систему
Водоник Хелијум Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон – ↑ ↓ празеодијум ← неодијум → прометијум ‍
Атомски број (Z)	60
Група, периода	група Н/Д, периода 6
Блок	f-блок
Категорија	лантаноид
Рел. ат. маса (Ar)	144,242(3)[1]
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 22, 8, 2
Физичка својства
Тачка топљења	1297 K ​(1024 °‍C, ​1875 °F)
Тачка кључања	3347 K ​(3074 °‍C, ​5565 °F)
Густина при с.т.	7,01 g/cm3
течно ст., на т.т.	6,89 g/cm3
Топлота фузије	7,14 kJ/mol
Топлота испаравања	289 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	27,45 J/(mol·K)
Напон паре P (Pa) 100 101 102 на T (K) 1595 1774 1998 P (Pa) 103 104 105 на T (K) (2296) (2715) (3336)
Атомска својства
Електронегативност	1,14
Енергије јонизације	1: 533,1 kJ/mol 2: 1040 kJ/mol 3: 2130 kJ/mol
Атомски радијус	181 pm
Ковалентни радијус	201±6 pm
Спектралне линије
Остало
Кристална структура	​дупла збијена хексагонална (dHCP)
Брзина звука танак штап	2330 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	α, поли: 9,6 µm/(m·K) (на с.т.)
Топл. водљивост	16,5 W/(m·K)
Електроотпорност	α, поли: 643 nΩ·m
Магнетни распоред	парамагнетичан, антиферомагнетичан испод 20 [2]
Магнетна сусцептибилност (χmol)	+5628,0·10−6 cm3/mol (287,7 )[3]
Јангов модул	α форма: 41,4 GPa
Модул смицања	α форма: 16,3 GPa
Модул стишљивости	α форма: 31,8 GPa
Поасонов коефицијент	α форма: 0,281
Викерсова тврдоћа	345–745 MPa
Бринелова тврдоћа	265–700 MPa
CAS број	7440-00-8
Историја
Откриће	Карл Ауер (1885)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (1/2) ТР ПР 142 27,2% стабилни 143 12,2% стабилни 144 23,8% 2,29×1015 y α 140 145 8,3% стабилни 146 17,2% стабилни 148 5,8% 2,7×1018 y β−β− 148 150 5,6% 21×1018 y β−β− 150
референце • Википодаци

У периодном систему налази се у групи лантаноида па се тако убраја у метале ретких земаља. Име овог елемента изводи се из грчких речи νέος (, нов) и δίδυμος (, близанац) које спојене имају значење „нови близанац” (као близанаћ лантана). Најчешће се користи у облику легура неодијум-жељезо-бор за израду снажних сталних магнета.

Легуре неодимијума се користе за прављење неодимијумских магнета високе чврстоће, моћног трајног магнета.^[6] Ови магнети се широко користе у производима као што су микрофони, професионални звучници, слушалице, електрични мотори једносмерне струје високих перформанси и хард дискови рачунара, где је потребна мала маса (или запремина) магнета или јака магнетна поља. Већи неодимијумски магнети се користе у електромоторима са високим односом снаге и тежине (нпр. у хибридним аутомобилима) и генераторима (нпр. електрични генератори за авионе и ветротурбине).^[7]

Историја

Године 1841, Карл Густав Мосандер је издвојио дотад непознату ретку земљу из лантан оксида коју је назвао дидим. Пер Теодор Клајв је 1874. године приметио да се код дидима заправо ради о два нова елемента. Пет година касније 1879. Лекок де Буабодран издвојио је самаријум из дидима, а који је добио издвајањем из минерала самарскита. Карл Ауер фон Велсбач 1885. године одвојио је празеодијум и неодијум, пошто су градили соли различитих боја.^[8] Чисти метални неодијум добијен је тек 1925. године.

Особине

Кристална структура неодијума

Физичке

Сребрнасто-бели светли метал спада у групу лантаноида и метала ретких земаља. На ваздуху је нешто више отпоран на корозију у односу на метале попут еуропијума, лантана, церијума и празеодијум. Стајањем на ваздуху након неког времена на његовој површини врло лако се ствара љубичасто-розе слој оксида који може лако ољуштити.

Хемијске

При високим температурама, неодијум сагорева градећи сесквиоксид . С водом реагује истискујући из ње водоник и градећи неодијум хидроксид ₃. У реакцији с водоником прелази у хидрид ₂. Поред основног оксидационог стања (валенције) +3, под посебним условима могу се јавити и оксидациона стања +2 i +4.

Распрострањеност

Неодијум је у природи заступљен само у облику хемијских једињења, заједно са једињењима других лантаноида, односно минерала попут:

• монацита
• бастнесита ()
• мишметал садржи и до 18% неодијума.

Са око 97% укупне светске производње предњачи Кина.^[9] Међутим, експлоатација и производња овог метала у Кини довела је до значајних еколошких проблема. Према наводима из медија „при издвајању неодијума из ископаних руда настају врло штетни и отровни отпадни материјали, који између осталих испуштају радиоактивни уранијум и торијум током процеса прераде. Ови материјали делимично доспевају у подземне воде, контаминирају биљни и животињски свет, те тако представљају и опасност по здравље људи”.^[10] Осим Кине, значајне економски исплативе количине копају се и у Аустралији.

Добијање

Као и код свих лантаноида, најпре се руда обогаћује путем флотације, а затим се метали преводе у њихова халогенидна једињења те се одвајају разним техникама као што су фракцијска кристализација, јонскоизмењивачка техника или екстракција.

Након детаљног и врло комплицираног одвајања пратилаца неодијума, његов оксид се може помоћу флуоридне киселине превести у неодијум() флуорид те се након тога редукује са калцијумом, чиме настаје метални неодијум и калцијум флуорид. Остаци калцијума и нечистоће могу се издвојити топљењем у вакууму.

${\displaystyle \mathrm {2\ NdF_{3}\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Nd\ +\ 3\ CaF_{2}} }$

Од 1984. овај поступак је у Кини замењен електролизом растопљене смеше неодијум-флуорида, неодијум-оксида и литијум флуорида. Та метода формално одговара поступку Хол-Хероултовог процеса, при којем се елементарни неодијум издваја на усправно постављеној волфрамовој катоди, а која је прстенасто окружена графитном анодом. Неодијум у растопљеној течној смјеси хвата се у кади сачињеној од молибдена, из које се даље излива у калупе. Свака од таквих електролитичких ћелија сматра се за једнокоморну ћелију електролизе. Међутим, о стварном броју и начину рада ћелија у Кини не постоје тачни ни поуздани подаци. Претпоставља се да се производња металног неодијума вероватно одвија по стандардизираном протоколу, без икаквих техничких мерења ни повратних информација. Такође се претпоставља да се ручно и неједнако додаје неодијум-оксид без контроле и повратних информација о напону у ћелији. При таквој производњи без сумње долази до неизбежних преоптерећења напона на аноди што доводи до огромних емисија стакленичких гасова у атмосферу, нарочито угљен тетрафлуорида и hексафлуороетана. Веома лако испарљиви перфлуорирани угљоводоници () не могу се филтрирати нити одвојити нити једним познатим поступком а након емисије у атмосферу остају врло дуго, при чему им је време трајања од десет до 50 хиљада година. Даљњи развој поступака електролизе којим се смањује емисија хлорофлуороугљеника при електрометалуршким процесима представља један од ограничавајућих фактора у америчкој индустрији.

Кинеска влада је најавила да ће увести строже мере заштите околине као и мере за спречавање нелегалног копања руде. Почетком јуна 2011. дошло је до усвајања првих законских одредби у том аспекту. Према извештајима америчког Финаншал тајмса државна фирма има монопол над копањем и прерадом ретких земних метала у Кини. Око 35 лиценцираних фирми је затворено уз одштету, а других девет нелиценцираних ће ускоро бити затворено без одштете.^[11] У САД поновно је активиран рудник Маунтин Пас у Калифорнији, док је у Аустралији поновно у погону рудник Маунтин Велд. Ова ова рудника опремљена су системима за заштиту околине, прихватљивим од стране еколошких института. Ипак, такође постоје планови за комбиновану експлоатацију ретких земаља на Гренланду, при чему би отровни нуспроизводи могли доспети у море.^[12]

Светска годишња производња неодијума у 2012. процењена је на 21 хиљаду тона, од чега је око 91% дошло из Кине.^[13] Према подацима америчке агенције за геолошка истраживања () цена једног килограма неодијума у 2001. износила је испод 10 америчких долара.^[14] До 2010. цена је порасла на 80 УС$, а наредне 2011. године достигла је врхунац од 244 америчка долара по килограму. Након тога поновно је дошло до пада цена овог метала па је 2013. она износила око 65 америчких долара по килограму.^[15]

Употреба

• Једињења неодијума, жељеза и бора користе се за прављење неких од најснажнијих познатих магнета. Такви магнети користе се за томографију магнетном резонанцом, микромоторе и

рачунарске тврде дискове (позиционирање главе за читање/писање), затим за роторе са сталним магнетима (нпр. серво-моторе), врло ефикасне стално побуђене синхроне машине (нпр. код неких типова ветротурбина,^[16] (око једне шестине целокупне производње неодијума^[12]) за покретање електро- и хибридних возила као и за погон макета и минијатурних модела. Осим тога, ови магнети се употребљавају и у линеарним моторима за позиционирање осовина (нпр. у ЦНЦ машинама), високовредним звучницима и слушалицама и слично. За разлику од магнета на бази самаријума и кобалта, неодијумеви магнети су знатно снажнији, скупљи али и много осетљивији на високу температуру.

• Соли неодијума користе се за бојење емајла, као и за бојење порцелана у плаву боју.
• Неодијум() оксид употребљава се за бојење стакла. Он даје изразито топле љубичасте до тамноцрвене и сиве нијансе. Такве врсте стакла имају оштре апсорпцијске траке те се користе у астрономији за калибрисање.
• Неодијум се користи и за избељивање стакла које садржи жељезо, као и за стакла која штите од ултраљубичастог зрачења (сунчане наочаре).
• Саставни је део широко распрострањених индустријских неодијум- ласера.
• Баријум титанат допиран неодијум оксидом користи се у диелектричним кондензаторима.
• Због својих пирофорних особина користи се као легирајуће средство заједно с церијумом у упаљачима.
• За прављење катализоване полибутадиенске гуме (каучука ()).

Референце

1. Meija, J.; . (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. Gschneidner, K. A.; Eyring, L. (1978). Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Amsterdam: North Holland. ISBN 0444850228.
3. Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
4. Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
5. Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
6. Toshiba Develops Dysprosium-free Samarium-Cobalt Magnet to Replace Heat-resistant Neodymium Magnet in Essential Applications. Toshiba (2012-08-16). Retrieved on 2012-09-24.
7. Gorman, Steve (August 31, 2009) As hybrid cars gobble rare metals, shortage looms, Reuters.
8. Carl Auer v. Welsbach (1885). „Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente”. Monatshefte für Chemie. 6 (1): 477—491. doi:10.1007/BF01554643.
9. „Das neue Gold” (на језику: немачки). Spiegel online. 10. 4. 2009.
10. „Das schmutzige Geheimnis sauberer Windräder” (на језику: немачки). Panorama. 28. 4. 2011. Приступљено 2. 10. 2017.
11. Michelle Röttger (9. 6. 2011). „China säubert den Markt für Seltene Erden”. Financial Times. стр. 2. Архивирано из оригинала (studija) 11. 6. 2011. г. Приступљено 26. 6. 2011.
12. Mandy Schoßig (1. 1. 2011). Seltene Erden – Daten & Fakten. Berlin: Öko-Institut e. V.
13. „Neodymium” (на језику: енглески). setis.ec.europa.eu. Архивирано из оригинала 5. 3. 2016. г. Приступљено 26. 8. 2015. Непознати параметар |arhiviranjeURL= игнорисан [|arhiviranjeurl= се препоручује] (помоћ); Пронађени су сувишни параметри: |arhiviranjeURL= и |archiveurl= (помоћ); Пронађени су сувишни параметри: |arhiviranjedatum= и |archivedate= (помоћ)
14. „Scientific Investigations Report 2012–5188 - Metal Prices in the United States Through 2010” (PDF 2,4 MB, str. 143 (137) slika 6.) (на језику: енглески). United States Geological Survey. Приступљено 26. 8. 2015.
15. „Congressional Research Service - Rare Earth Elements: The Global Supply Chain” (PDF 603 kB, str. 11 (7) slika 3) (на језику: енглески). www.fas.org. 16. 12. 2013. Приступљено 26. 8. 2015.
16. Concern as China clamps down on rare earth exports, Independent, pristupljeno 7. oktobra 2017. (језик: енглески)

Литература

• Yiming Zhang; Julian R. G. Evans; Shoufeng Yang (2011). „Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks”. Journal of Chemical & Engineering Data. 56: 328—337. doi:10.1021/je1011086.
• Robert C. Weast, ур. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, FL: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). стр. E—129 do E—145. ISBN 0-8493-0470-9.
• N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 изд.). Weinheim: VCH. стр. 1579. ISBN 3-527-26169-9.
• Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
• Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-960563-7.
• R. J. Callow, The Industrial Chemistry of the Lanthanons, Yttrium, Thorium, and Uranium, Pergamon Press, 1967.

Спољашње везе

• WebElements.com—Neodymium
• Neodymium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• EnvironmentalChemistry.com – Neodymium
• Pictures and more details about Neodymium metal