Il neodimio è un elemento chimico con il simbolo Nd e il numero atomico 60. È un metallo morbido e argenteo che si appanna nell'aria. Fu scoperto nel 1885 dal chimico austriaco Carl Auer von Welsbach. La sostanza è presente in quantità significative nei depositi di sabbia monazitica e nel bastnäsite minerale.
Cronologia
Il neodimio, metallo delle terre rare, fu scoperto dal chimico austriaco barone Karl Auer von Welsbach a Vienna nel 1885. Lo scienziato ha isolato una nuova sostanza (così come l'elemento praseodimio) da un materiale noto come didimio mediante cristallizzazione frazionata del doppio nitrato di ammonio tetraidrato dall'acido nitrico, dopo separazione mediante analisi spettroscopica. Tuttavia, fino al 1925 non era possibile ottenere l'elemento nella sua forma più pura.
Fino alla fine degli anni '40, il principale metodo commerciale per la produzione del metallo era la doppia cristallizzazione dei nitrati. Il metodo è inefficace e la quantità della sostanza ottenuta era piccola. Lindsay Chemical Division è stata la prima ad avviare la produzione su larga scala di neodimiometodo di purificazione a scambio ionico. Dagli anni '50, l'elemento altamente purificato (oltre il 99%) è stato principalmente prodotto da un processo di scambio ionico da monazite ricca di terre rare mediante elettrolisi dei suoi sali di alogenuro.
Attualmente, la maggior parte del neodimio metallico viene estratto dalla bastnäsite. I progressi tecnologici e lo sviluppo di metodi di pulizia migliorati lo hanno reso ampiamente utilizzato nell'industria.
Descrizione
L'elemento chimico non si presenta naturalmente in forma metallica, è separato dalla sostanza didimio, in cui viene miscelato con altri lantanidi (in particolare con praseodimio). Sebbene il neodimio sia classificato come un metallo delle terre rare, è un elemento abbastanza comune, presente almeno con la stessa frequenza del cob alto, del nichel o del rame, ed è ampiamente distribuito nella crosta terrestre. La maggior parte della sostanza proviene dalla Cina.
I composti di neodimio furono usati per la prima volta in commercio come coloranti per vetri nel 1927 e rimangono un additivo popolare nelle lenti per occhiali. Il colore dei composti di neodimio dovuto alla presenza di ioni Nd3+ ha spesso una sfumatura viola-rossastra, ma questa varia a seconda del tipo di illuminazione.
Applicazione
Le lenti drogate al ndodimio sono utilizzate nei laser che emettono radiazioni infrarosse con lunghezze d'onda comprese tra 1047 e 1062 nanometri. Sono utilizzati in sistemi con potenza estremamente elevata, ad esempio, negli esperimenti sull'inerziacontenimento.
Nd:metal viene utilizzato anche con altri cristalli (come il granato di ittrio e alluminio) nei laser Nd:YAG. Questa configurazione emette tipicamente raggi infrarossi con una lunghezza d'onda di circa 1064 nm. È uno dei laser a stato solido più comunemente usati.
Un altro importante utilizzo del metallo al neodimio è come componente di rinforzo nelle leghe utilizzate per creare potenti magneti permanenti ad alta resistenza. Sono ampiamente utilizzati in prodotti come microfoni, altoparlanti professionali, cuffie in-ear, motori CC ad alte prestazioni, dischi rigidi per computer, dove sono richiesti una bassa massa magnetica (volume) o forti campi magnetici.
I grandi magneti al neodimio sono usati in motori elettrici ad alta potenza e peso (es. auto ibride) e generatori (es. aeroplani e generatori elettrici per parchi eolici). Inoltre, l'elemento viene utilizzato per indurire alcune leghe. Ad esempio, il titanio diventa una volta e mezzo più forte dopo aver aggiunto solo l'1,5% di questa sostanza.
Proprietà fisiche
Il neodimio metallico è presente nel classico mischmetal (una lega di elementi di terre rare), dove la sua concentrazione è solitamente dell'ordine del 18%. Nella sua forma pura, l'elemento ha una brillante lucentezza metallica argento-oro, ma si ossida rapidamente nell'aria normale. Uno strato di ossido si forma e si sfalda, esponendo il metallo a un'ulteriore ossidazione. Così,campione centimetrico della sostanza è completamente ossidato entro un anno.
Il neodimio di solito esiste in due forme allotropiche, con una trasformazione da centro a centro da una doppia struttura cubica esagonale. Inizia a fondere a 1024°C e a bollire a 3074°C. La densità della materia nella fase solida è 7,01 g/cm3, allo stato liquido è 6,89 g/cm3.
Proprietà atomiche:
- Stato di ossidazione: +4, +3, +2 (ossido di base).
- Elettronegatività: 1, 14 (Scala di polling).
- Conducibilità termica: 16,5 W/(m·K).
- Energia di ionizzazione: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Raggio di un atomo: 181 picometri.
Proprietà chimiche
Il neodimio metallico si appanna lentamente nell'aria e brucia facilmente a circa 150°C per formare ossido di neodimio(III):
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
Questo è un elemento elettropositivo. Reagisce lentamente con l'acqua fredda, ma piuttosto rapidamente con l'acqua calda, formando idrossido di neodimio (III):
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Il metallo reagisce vigorosamente con tutti gli alogeni, si dissolve facilmente in acido solforico diluito per formare soluzioni che contengono lo ione viola Nd(III).
Produzione
Il metallo al neodimio non si presenta mai come un elemento libero in natura. È estratto da minerali comebastnäsite e monazite, in cui è associato ad altri lantanidi e altri elementi. Le principali aree minerarie per questi minerali si trovano in Cina, Stati Uniti, Brasile, India, Sri Lanka e Australia. Piccoli depositi sono stati esplorati anche in Russia.
Le riserve di neodimio sono stimate in circa 8 milioni di tonnellate. La sua concentrazione nella crosta terrestre è di circa 38 mg/kg, che è la seconda più alta tra gli elementi delle terre rare dopo il cerio. La produzione mondiale di metallo è di circa 7000 tonnellate. La maggior parte della produzione appartiene alla Cina. Il governo della RPC ha recentemente riconosciuto l'elemento strategicamente importante e ha imposto restrizioni alle sue esportazioni, causando una certa preoccupazione nei paesi consumatori e provocando un forte aumento del prezzo del neodimio a $ 500. Oggi, il prezzo medio per chilogrammo di metallo puro varia tra $ 300-350, gli ossidi di neodimio sono più economici: $ 70-130.
Ci sono casi in cui il valore del metallo è sceso a $ 40 a causa del commercio illegale, aggirando le restrizioni del governo cinese. Le incertezze sui prezzi e sulla disponibilità hanno portato le aziende giapponesi a sviluppare magneti permanenti e relativi motori elettrici con meno o nessun elemento di terre rare.
