Неодим

Неодим
Неодим
	← Празеодим \| Прометий →
Внешний вид простого вещества
	Образец неодима
Свойства атома
Название, символ, номер	Неоди́м/Neodymium (Nd), 60
Группа, период, блок	3 (устар. IIIB), 6, ; f-элемент
Атомная масса ; (молярная масса)	144,242(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 6s24f4
Радиус атома	182 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	184 пм
Радиус иона	99,(+3e) 5 пм
Электроотрицательность	1,14 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Nd←Nd3+ −2,32В ; Nd←Nd2+ −2,2В
Степени окисления	+3
Энергия ионизации ; (первый электрон)	531,5(5,51) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,007 г/см³
Температура плавления	1294 K
Температура кипения	3341 K
Мол. теплота плавления	7,1 кДж/моль
Мол. теплота испарения	289 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,42 Дж/(K·моль)
Молярный объём	20,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,658 c=11,80 Å
Отношение c/a	3,23
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (16,5) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-00-8

60	Неодим
Nd 144,242
4f⁴6s²

Относится к семейству лантаноидов (к его цериевой подгруппе).

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» (лат. Neodymium) представляет собой слияние двух греческих слов νέος «новый» и δίδυμος «близнец», что связано с историей открытия элемента.

Нахождение в природе

Содержание неодима в земной коре (по разным данным) — 25—37 г/т, в воде океанов — 9,2⋅10⁻⁶ мг/л.

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 η = 23,8% и периодом полураспада T_1/2 = 2,29 × 10¹⁵ лет, а также изотоп ¹⁵⁰Nd с η = 5,6%, испытывающий двойной бета-распад с T_1/2 = 9,3 × 10¹⁸ лет).

При температуре до 883 °C существует как α-Nd — кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6₃/mmc, параметры ячейки a = 0,36579 нм, c = 1,17992 нм, Z = 4, d = 6,908 г/см³, решётка типа лантана. Выше 883 °C переходит в β-Nd — кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), пространственная группа Fm3m, параметры ячейки a = 0,413 нм, Z = 2, d = 6,80 г/см³, решётка типа α-железа. Энтальпия перехода α-Nd ↔ β-Nd равна 3,0 кДж/моль. Твёрдость по Бриннелю 350—450 МПа.

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 So
298 = 71,68 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10⁻⁶ К⁻¹.

Парамагнетик, магнитная восприимчивость +5,628·10⁻³; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик. Удельное электрическое сопротивление 6,43·10⁻⁵ Ом·см.

Химические свойства

Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе и легко загорается при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III), образующийся слой оксида отслаивается, не образуя защитную плёнку, и металл продолжает окисляться:

{\ce {4 Nd + 3 O2 -> 2 Nd2O3}}

.

Окисление неодима на воздухе происходит более легко, чем у лантана, церия и празеодима, однако он более стоек, чем тяжёлые редкоземельные элементы.

Неодим — довольно электроположительный элемент, он медленно реагирует с холодной водой, но достаточно быстро с горячей водой с образованием гидроксида неодима(III):

{\ce {2 Nd + 6 H2O -> 2 Nd(OH)3 + 3 H2 ^}}

.

Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:

{\ce {2 Nd + 3 F2 -> 2 NdF3}}

(фиолетовый);

{\ce {2 Nd + 3 Cl2 -> 2 NdCl3}}

(лиловый);

{\ce {2 Nd + 3 Br2 -> 2 NdBr3}}

(фиолетовый);

{\ce {2 Nd + 3 I2 -> 2 NdI3}}

(зелёный)

Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов ${\ce {[Nd (H2O)9]^{3+}}}$ :

{\ce {2 Nd + 3 H2SO4 -> 2 Nd^{3+}\ +\ 3 SO^{2-}4 + 3 H2}}

.

Помимо соединений, где неодим проявляет степень окисления +3 (только они устойчивы в водных растворах), известны соединения Nd(II) и Nd(IV).

Изотопы

Природный неодим состоит из семи изотопов:

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)⋅10¹⁵ лет, а ¹⁵⁰Nd — двойной бета-распад с периодом полураспада 9,3(7)⋅10¹⁸ 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.

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, 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. За 2010-е годы цена на неодим выросла на 750 %.

В 2023 году цена составляла ~ 90 $/кг.

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.

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

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.