Neodymový kov: vlastnosti, výroba a aplikace

Neodym je chemický prvek se symbolem Nd a atomovým číslem 60. Jedná se o měkký stříbrný kov, který mizí ve vzduchu. To bylo objeveno v roce 1885 rakouským chemikem Carl Auer von Welsbach. Tato látka je přítomna ve významných množstvích v usazeninách monazitového písku a minerálu, jako je například baktesit.

Historie

Neodium z kovu vzácných zemin objevil rakouský chemik Baron Carl Auer von Welsbach ve Vídni v roce 1885. Vědci identifikovali nové látky (a praseodym prvek) z materiálu známého jako didymium, frakční krystalizací dvojitého dusičnanu amonného tetrahydrátu kyseliny dusičné, po separaci spektroskopické analýzy. Nicméně až do roku 1925 nebylo možné získat prvek v čisté podobě.

Až do konce roku 1940, hlavní komerční způsob výroby kovů došlo k dvojí krystalizaci dusičnanů. Metoda je neúčinná a množství získané látky je malé. Lindsay Chemical Division byla první, která zahájila rozsáhlou výrobu neodymu metodou iontové výměny. Od roku 1950 vysoce (větší než 99%), je prvek připravený zejména procesu iontové výměny z monazit bohaté na prvky vzácných zemin elektrolýzou jeho halogenidových solí.

V současné době se většina kovových neodymů extrahuje z bakterie. Rozvíjení technologií a rozvoj zdokonalených metod čištění umožnilo široce využívat v průmyslu.

Popis

Chemický prvek se přirozeně nevyskytuje v kovové formě, odděluje se od dydymové látky, ve které se smísí s jinými lanthanidy (zejména s praseodymem). Přestože je neodym klasifikován jako kov vzácných zemin, je to docela běžný prvek, který se vyskytuje přinejmenším kobalt, nikl nebo měď a je široce distribuován v zemské kůře. Většina záležitosti se v Číně těží.

Neodymové sloučeniny byly poprvé komerčně použity jako skleněné barviva v roce 1927 a zůstávají oblíbeným doplňkem v brýlových čočkách. Barva sloučenin neodymu v důsledku přítomnosti iontů Nd³⁺ často má červenohnědý odstín, ale liší se podle typu osvětlení.

Aplikace

Objektivy dopované neodymem se používají v laserech s infračerveným zářením o vlnové délce 1047 až 1062 nanometrů. Používají se v systémech s mimořádně vysokým výkonem, například v experimentech na setrvačnost.

Neodymový kov se také používá s jinými krystaly (jako yttrium-hlinitý granát) v laserech řady Nd: YAG. Tato instalace obvykle vysílá infračervené paprsky o vlnové délce asi 1064 nm. Jedná se o jeden z nejčastěji používaných polovodičové lasery.

Další důležité použití kovového neodymu je jako výztužná složka ve slitinách, které se používají k výrobě vysoce výkonných permanentních magnetů. Oni jsou široce používány ve výrobcích, jako jsou mikrofony, profesionální reproduktory, sluchátka do uší, vysoce výkonné motory DC, pevné disky počítačů - kde je požadováno malé magnetické hmotnost (objem) nebo silných magnetických polí.

Velké neodymové magnety používané v elektrických motorů s vysokým výkonem a hmotností (například v hybridních automobilech) a generátorem (například elektrické generátory letadla a větrné elektrárny). Také prvek se používá ke zpevnění určitých slitin. Titan se například po přidání pouze 1,5% této látky stává o jeden a půlkrát silnější.

Fyzikální vlastnosti

Kovový neodym je přítomen v klasickém mischmetalu (slitině prvků vzácných zemin), kde jeho koncentrace je obvykle kolem 18%. Ve své čisté podobě má prvek jasný stříbřitě zlatý kovový lesk, ale rychle se oxiduje v běžném vzduchu. Vzniká oxidová vrstva, která odfarbí a vystavuje kov další oxidaci. Centimetrový vzorek látky je tedy během jednoho roku zcela oxidován.

Neodym obvykle existuje ve dvou alotropických formách s transformací z dvojité hexagonální krychlové struktury od středu do středu. Tavení začíná při 1024 ° C a varu při 3074 ° C. Hustota hmoty v pevné fázi je 7,01 g / cm³, v kapalném stavu - 6,89 g / cm³.

Atomové vlastnosti:

• Oxidační stav: +4, +3, +2 (základní oxid).
• Elektronegativita: 1,14 (podle stupnice hlasování).
• Tepelná vodivost: 16,5 W / (mmdot-K).
• Ionizační energie je 1: 533,1 kJ / mol, 2: 1040 kJ / mol, 3: 2130 kJ / mol.
• Poloměr atomu: 181 pikometrů.

Chemické vlastnosti

Kovový neodym se pomalu mizí ve vzduchu a lehce hoří při teplotě asi 150 ° C, čímž vzniká oxid neodymu (III):

4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃

Jedná se o elektropozitivní prvek. Reaguje pomalu se studenou vodou, ale spíše rychle - s horkým vytvářením hydroxidu neodymu (III):

2.den (y) + 6H₂O (l) → 2Nd (OH)₃ (aq) + 3H₂(g)

Kov reaguje energicky se všemi halogeny, snadno se rozpouští ve zředěné kyselině sírové za vzniku roztoků obsahujících fialový iont Nd (III).

Výroba

Neodymový kov se v přírodě nikdy nenachází jako volný prvek. Je extrahována z takových rud, jako je bastnezit a monazit, ve kterém je vázán na jiné lanthanidy a další prvky. Hlavní těžební oblasti těchto minerálů jsou v Číně, Spojených státech, Brazílii, Indii, Srí Lance a Austrálii. Malé ložiska jsou zkoumány v Rusku.

Zásoby neodymu se odhadují na zhruba 8 milionů tun. Jeho koncentrace v zemské kůře je asi 38 mg / kg, což je druhá největší z elementů vzácných zemin po ceru. Světová produkce kovu je asi 7000 tun. Převážná část produkce patří do Číny. Čínská vláda nedávno uznal strategický prvek a uložila omezení jejího vývozu, což způsobuje určité obavy v spotřebitelské země a vyvolalo prudký nárůst cen neodymu až do výše $ 500. Dnes je průměrná cena za kilogram ryzího kovu se pohybuje mezi $ 300-350, neodymové oxidy jsou levnější: $ 70-130.

Existují případy, kdy cena kovu klesla na 40 dolarů kvůli nelegálnímu obchodu, obcházet omezení čínské vlády. Neurčitost cen a dostupnosti způsobila, že japonské společnosti vyvíjejí permanentní magnety a související elektromotory s méně elementy vzácných zemin nebo bez nich.