Русская Википедия:Неодим
Шаблон:Карточка химического элемента Шаблон:Элемент периодической системы Неоди́м (химический символ — Nd, от Шаблон:Lang-la) — 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.
Относится к семейству лантаноидов (к его цериевой подгруппе)[1].
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» (Шаблон:Lang-lat) представляет собой слияние двух греческих слов νέος «новый» и δίδυμος «близнец», что связано с историей открытия элемента[2].
Нахождение в природе
Шаблон:Details Содержание неодима в земной коре (по разным данным) — 25—37 г/т, в воде океанов — 9,2Шаблон:E мг/л[3].
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 Шаблон:Math = 23,8% и периодом полураспада Шаблон:Math = 2,29 × 1015 лет, а также изотоп 150Nd с Шаблон:Math = 5,6%, испытывающий двойной бета-распад с Шаблон:Math = 9,3 × 1018 лет)[1][4].
При температуре до 883 °C существует как α-Nd — кристаллы Шаблон:Крист, решётка типа лантана. Выше 883 °C переходит в β-Nd — кристаллы Шаблон:Крист, решётка типа α-железа. Энтальпия перехода α-Nd ↔ β-Nd равна 3,0 кДж/моль. Твёрдость по Бриннелю 350—450 МПа[1].
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 Шаблон:Math = 71,68 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10−6 К−1[1].
Парамагнетик, магнитная восприимчивость +5,628·10−3; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик. Удельное электрическое сопротивление 6,43·10−5 Ом·см[1].
Химические свойства
Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе[5] и легко загорается при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III), образующийся слой оксида отслаивается и массивный металл продолжает окисляться[5]:
- <chem>4 Nd + 3 O2 -> 2 Nd2O3</chem>.
Окисление неодима на воздухе происходит более легко, чем у лантана, церия и празеодима, однако он более стоек, чем тяжёлые редкоземельные элементы[1].
Неодим — довольно электроположительный элемент, он медленно реагирует с холодной водой, но достаточно быстро с горячей водой с образованием гидроксида неодима(III):
- <chem>2 Nd + 6 H2O -> 2 Nd(OH)3 + 3 H2 ^</chem>.
Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:
- <chem>2 Nd + 3 F2 -> 2 NdF3</chem> (фиолетовый);
- <chem>2 Nd + 3 Cl2 -> 2 NdCl3</chem> (лиловый);
- <chem>2 Nd + 3 Br2 -> 2 NdBr3</chem> (фиолетовый);
- <chem>2 Nd + 3 I2 -> 2 NdI3</chem> (зелёный)
Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов <chem>[Nd (OH2)9]^{3+}</chem>[6]:
- <chem>2 Nd + 3 H2SO4 -> 2 Nd^{3+}\ +\ 3 SO^{2-}4 + 3 H2</chem>.
Помимо соединений, где неодим проявляет валентность +3 (только они устойчивы в водных растворах[1]), известны соединения с валентностями +2 и +4.
Изотопы
Шаблон:Main Природный неодим состоит из семи изотопов[7]:
- 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)Шаблон:E лет, а 150Nd — двойной бета-распад с периодом полураспада 9,3(7)Шаблон:E 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[4].
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[8], 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[9]. За 2010-е годы цена на неодим выросла на 750 %[10].
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[2].
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
Шаблон:Main 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
Ссылки
- Неодим на Webelements Шаблон:Wayback
- Неодим в Популярной библиотеке химических элементов Шаблон:Wayback
Шаблон:Вс Шаблон:Периодическая система элементов Шаблон:Ряд Активности Металлов
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>
; для сносокХЭ
не указан текст - ↑ 2,0 2,1 Неодим // Большой Энциклопедический словарь. 2000.
- ↑ J. P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Nubase2020
- ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Cite book
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:IsotComp2013
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Биржевые котировки металлов Шаблон:Архивировано на metal-pages.com, 30.11.2014
- ↑ В Германии создали автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов — дешевле, экономичнее и эффективнее Шаблон:Wayback [1] Шаблон:Wayback // 13.05.2021