Neodymium is een scheikundig element met het symbool Nd en atoomnummer 60. Het is een zacht, zilverachtig metaal dat in de lucht dof wordt. Het werd in 1885 ontdekt door de Oostenrijkse chemicus Carl Auer von Welsbach. De stof is in aanzienlijke hoeveelheden aanwezig in monazietzandafzettingen en in de minerale bastnäsite.
Geschiedenis
Het zeldzame aardmetaal neodymium werd in 1885 in Wenen ontdekt door de Oostenrijkse chemicus Baron Karl Auer von Welsbach. De wetenschapper isoleerde een nieuwe stof (evenals het element praseodymium) uit een materiaal dat bekend staat als didymium door gefractioneerde kristallisatie van dubbel ammoniumnitraattetrahydraat uit salpeterzuur, na scheiding door spectroscopische analyse. Tot 1925 was het echter niet mogelijk om het element in zijn puurste vorm te verkrijgen.
Tot het einde van de jaren veertig was de belangrijkste commerciële methode voor het produceren van metaal de dubbele kristallisatie van nitraten. De methode is niet effectief en de hoeveelheid verkregen stof was klein. Lindsay Chemical Division was de eerste die begon met de grootschalige productie van neodymiumionenuitwisselingszuiveringsmethode. Sinds de jaren vijftig is het sterk gezuiverde (meer dan 99%) element voornamelijk geproduceerd door een ionenuitwisselingsproces van monaziet dat rijk is aan zeldzame aarde door elektrolyse van zijn halogenidezouten.
Momenteel wordt het meeste metalen neodymium gewonnen uit bastnäsiet. Vooruitgang in technologie en de ontwikkeling van verbeterde reinigingsmethoden hebben ervoor gezorgd dat het op grote schaal wordt gebruikt in de industrie.
Beschrijving
Het chemische element komt van nature niet voor in een metallische vorm, het wordt gescheiden van de stof didymium, waarin het wordt gemengd met andere lanthaniden (in het bijzonder met praseodymium). Hoewel neodymium is geclassificeerd als een zeldzaam aardmetaal, is het een vrij algemeen element, dat minstens zo vaak voorkomt als kob alt, nikkel of koper, en dat het wijdverspreid is in de aardkorst. Het grootste deel van de stof komt uit China.
Neodymiumverbindingen werden voor het eerst commercieel gebruikt als glaskleurstoffen in 1927 en blijven een populair additief in brillenglazen. De kleur van neodymiumverbindingen door de aanwezigheid van Nd3+-ionen heeft vaak een roodpaarse tint, maar dit varieert afhankelijk van het type verlichting.
Toepassing
Ndodymium-gedoteerde lenzen worden gebruikt in lasers die infraroodstraling uitzenden met golflengten tussen 1047 en 1062 nanometer. Ze worden gebruikt in systemen met een extreem hoog vermogen, bijvoorbeeld bij experimenten op inertiaalinsluiting.
Nd:metaal wordt ook gebruikt met andere kristallen (zoals yttrium-aluminium-granaat) in Nd:YAG-lasers. Deze opstelling zendt typisch infrarode stralen uit met een golflengte van ongeveer 1064 nm. Het is een van de meest gebruikte solid-state lasers.
Een ander belangrijk gebruik van neodymiummetaal is als een versterkend onderdeel in legeringen die worden gebruikt om krachtige, zeer sterke permanente magneten te maken. Ze worden veel gebruikt in producten zoals microfoons, professionele luidsprekers, in-ear hoofdtelefoons, krachtige gelijkstroommotoren, harde schijven van computers, waar een lage magnetische massa (volume) of sterke magnetische velden vereist zijn.
Grote neodymium-magneten worden gebruikt in elektrische motoren met een hoog vermogen en gewicht (bijv. hybride auto's) en generatoren (bijv. elektrische generatoren voor vliegtuigen en windmolenparken). Ook wordt het element gebruikt om sommige legeringen uit te harden. Titanium wordt bijvoorbeeld anderhalf keer sterker na toevoeging van slechts 1,5% van deze stof.
Fysieke eigenschappen
Metaal neodymium is aanwezig in klassiek mischmetaal (een legering van zeldzame aardelementen), waar de concentratie meestal in de orde van grootte van 18% ligt. In zijn pure vorm heeft het element een heldere zilver-gouden metaalglans, maar oxideert snel in gewone lucht. Er vormt zich een oxidelaag en deze schilfert af, waardoor het metaal wordt blootgesteld aan verdere oxidatie. Dus,centimeter monster van de stof is binnen een jaar volledig geoxideerd.
Neodymium bestaat meestal in twee allotrope vormen, met een centrum-naar-centrum transformatie van een dubbele hexagonale kubische structuur. Het begint te smelten bij 1024°C en kookt bij 3074°C. De dichtheid van materie in de vaste fase is 7,01 g/cm3, in vloeibare toestand is dit 6,89 g/cm3.
Atoomeigenschappen:
- Oxidatietoestand: +4, +3, +2 (basisch oxide).
- Elektronegativiteit: 1, 14 (peilingschaal).
- Thermische geleidbaarheid: 16.5 W/(m·K).
- Ionisatie-energie: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Straal van een atoom: 181 picometer.
Chemische eigenschappen
Metaalneodymium verkleurt langzaam in de lucht en verbrandt gemakkelijk bij ongeveer 150°C om neodymium(III)oxide te vormen:
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
Dit is een elektropositief element. Het reageert langzaam met koud water, maar vrij snel met heet water, waarbij neodymium (III) hydroxide wordt gevormd:
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Het metaal reageert heftig met alle halogenen, lost gemakkelijk op in verdund zwavelzuur om oplossingen te vormen die het violette Nd(III)-ion bevatten.
Productie
Neodymiummetaal komt nooit voor als een vrij element in de natuur. Het wordt gewonnen uit ertsen zoalsbastnäsite en monaziet, waarin het wordt geassocieerd met andere lanthaniden en andere elementen. De belangrijkste mijngebieden voor deze mineralen bevinden zich in China, de VS, Brazilië, India, Sri Lanka en Australië. Kleine afzettingen zijn ook onderzocht in Rusland.
Reservaten neodymium worden geschat op ongeveer 8 miljoen ton. De concentratie ervan in de aardkorst is ongeveer 38 mg/kg, de op één na hoogste van de zeldzame aardelementen na cerium. De wereldproductie van metaal is ongeveer 7000 ton. Het grootste deel van de productie is in handen van China. De regering van de VRC erkende het element onlangs als strategisch belangrijk en legde beperkingen op aan de export ervan, wat enige bezorgdheid veroorzaakte in consumentenlanden en een scherpe stijging van de prijs van neodymium tot $ 500 veroorzaakte. Tegenwoordig varieert de gemiddelde prijs per kilogram puur metaal tussen $300-350, neodymiumoxiden zijn goedkoper: $70-130.
Er zijn gevallen waarin de waarde van het metaal daalde tot $ 40 als gevolg van illegale handel, waarbij de beperkingen van de Chinese overheid werden omzeild. Prijs- en beschikbaarheidsonzekerheden hebben ertoe geleid dat Japanse bedrijven permanente magneten en aanverwante elektromotoren hebben ontwikkeld met minder of geen zeldzame aardelementen.
