Неодим

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Неодим
← Празеодим | Прометий →
60 Nd

U
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
60Nd
Hexagonal.svg
Electron shell 060 Neodymium.svg
Внешний вид простого вещества
Neodymium2.jpg
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)[1] 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
Уд. теплота плавления 7,1 кДж/моль
Уд. теплота испарения 289 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 27,42[2] 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
144,242
4f46s2

Неоди́м (химический символ — Nd, от лат. Neodymium) — 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)[2].

Простое вещество неодим — мягкий металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком.

История[править | править код]

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[править | править код]

Название «неодим» (лат. Neodymium) представляет собой слияние двух греческих слов νέος «новый» и δίδυμος «близнец», что связано с историей открытия элемента[3].

Нахождение в природе[править | править код]

Содержание неодима в земной коре (по разным данным) — 25—37 г/т, в воде океанов — 9,2⋅10−6 мг/л[4].

Месторождения[править | править код]

Неодим входит в состав лантаноидов, месторождения которых находятся в России, США, Казахстане, на Украине, в 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[править | править код]

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 T1/2 = 2,29 × 1015 лет, а также изотоп 150Nd с η = 5,6%, испытывающий двойной бета-распад с T1/2 = 9,3 × 1018 лет)[2][5].

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[2].

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[2].

Парамагнетик, магнитная восприимчивость +5,628·10−3; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик. Удельное электрическое сопротивление 6,43·10−5 Ом·см[2].

Химические свойства[править | править код]

Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе[6] и легко загорается при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III), образующийся слой оксида отслаивается и массивный металл продолжает окисляться[6]:

.

Окисление неодима на воздухе происходит более легко, чем у лантана, церия и празеодима, однако он более стоек, чем тяжёлые редкоземельные элементы[2].

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

.

Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:

(фиолетовый);
(лиловый);
(фиолетовый);
(зелёный)

Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов [7]:

.

Помимо соединений, где неодим проявляет валентность +3 (только они устойчивы в водных растворах[2]), известны соединения с валентностями +2 и +4.

Изотопы[править | править код]

Природный неодим состоит из семи изотопов[8]:

  • 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[5].

Получение[править | править код]

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[править | править код]

Цены на неодим чистотой 99—99,9 % в 2011 году составляли около 110 долларов США за 1 килограмм[9], 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[10]. За 2010-е годы цена на неодим выросла на 750 %[11].

Применение[править | править код]

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[3].

Очень важными областями применения неодима являются:

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[править | править код]

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[править | править код]

Как и многие другие редкоземельные металлы, элементарный неодим не играет значительной биологической роли в живых организмах.

Примечания[править | править код]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Мартыненко Л. И., Моисеев С. Д., Киселев Ю. М. Неодим // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Меди — Полимерные. — С. 209. — 639 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
  3. 1 2 Неодим // Большой Энциклопедический словарь. 2000.
  4. J. P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
  5. 1 2 Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.Открытый доступ
  6. 1 2 Neodymium. Elements // CRC Handbook of Chemistry and Physics / Haynes, William M.. — 97th. — CRC Press, 2016. — P. 4.23. — ISBN 9781498754293.
  7. Chemical reactions of Neodymium. Webelements. Дата обращения: 16 августа 2012. Архивировано 20 сентября 2012 года.
  8. Meija J. et al. Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 293—306. — doi:10.1515/pac-2015-0503.
  9. Neodymium Prices (англ.). Дата обращения: 2 августа 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
  10. Биржевые котировки металлов Архивировано 22 августа 2011 года. на metal-pages.com, 30.11.2014
  11. В Германии создали автомобильный электродвигатель без постоянных магнитов — дешевле, экономичнее и эффективнее Архивная копия от 17 мая 2021 на Wayback Machine [1] Архивная копия от 17 мая 2021 на Wayback Machine // 13.05.2021

Литература[править | править код]

  • Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3 (Мед-Пол). — 639 с. — ISBN 5-82270-039-8.

Ссылки[править | править код]