Neodyymi on kemiallinen alkuaine, jonka symboli on Nd ja atominumero 60. Se on pehmeä, hopeanhohtoinen metalli, joka tahriutuu ilmassa. Sen löysi vuonna 1885 itäv altalainen kemisti Carl Auer von Welsbach. Ainetta on merkittäviä määriä monatsiittihiekka-esiintymissä ja mineraalibastnäsiitissä.
Historia
Itäv altalainen kemisti paroni Karl Auer von Welsbach löysi harvinaisen maametallin neodyymin Wienistä vuonna 1885. Tiedemies eristi uuden aineen (sekä elementin praseodyymi) materiaalista, joka tunnetaan nimellä didymium fraktiokiteyttämällä kaksoisammoniumnitraattitetrahydraattia typpihaposta erotuksen jälkeen spektroskooppisella analyysillä. Vuoteen 1925 asti ei kuitenkaan ollut mahdollista saada alkuainetta puhtaimmassa muodossaan.
1940-luvun lopulle asti tärkein kaupallinen menetelmä metallin valmistamiseksi oli nitraattien kaksoiskiteytys. Menetelmä on tehoton ja saadun aineen määrä oli pieni. Lindsay Chemical Division aloitti ensimmäisenä laajamittaisen neodyymin tuotannonioninvaihtopuhdistusmenetelmä. 1950-luvulta lähtien erittäin puhdasta (yli 99 %) alkuainetta on tuotettu pääasiassa ioninvaihtoprosessilla harvinaisia maametallia sisältävästä monatsiitista sen halogenidisuolojen elektrolyysillä.
Tällä hetkellä suurin osa metallisesta neodyymistä uutetaan bastnäsiitistä. Tekniikan kehitys ja parempien puhdistusmenetelmien kehitys ovat tehneet siitä laajan käytön teollisuudessa.
Kuvaus
Kemiallinen alkuaine ei esiinny luonnossa metallimuodossa, se on erotettu aineesta didyymi, jossa se sekoitetaan muiden lantanidien (erityisesti praseodyymin) kanssa. Vaikka neodyymi luokitellaan harvinaiseksi maametalliksi, se on melko yleinen alkuaine, jota esiintyy vähintään yhtä usein kuin kobolttia, nikkeliä tai kuparia, ja se on laaj alti levinnyt maankuoreen. Suurin osa aineesta tulee Kiinasta.
Neodyymiyhdisteitä käytettiin ensimmäisen kerran kaupallisesti lasin väriaineina vuonna 1927, ja ne ovat edelleen suosittu lisäaine silmälasilinsseissä. Neodyymiyhdisteiden värillä Nd3+ ionien läsnäolon vuoksi on usein punertavan purppurainen sävy, mutta tämä vaihtelee valaistustyypistä riippuen.
Hakemus
Ndodyymiseostettuja linssejä käytetään lasereissa, jotka lähettävät infrapunasäteilyä aallonpituuksilla 1047–1062 nanometriä. Niitä käytetään järjestelmissä, joissa on erittäin suuri teho, esimerkiksi inertiakokeissaeristäminen.
Nd:metallia käytetään myös muiden kiteiden (kuten yttrium-alumiinigranaatti) kanssa Nd:YAG-lasereissa. Tämä asetus lähettää tyypillisesti infrapunasäteitä, joiden aallonpituus on noin 1064 nm. Se on yksi yleisimmin käytetyistä solid-state lasereista.
Toinen tärkeä neodyymimetallin käyttötarkoitus on vahvikekomponentti metalliseoksissa, joita käytetään voimakkaiden, erittäin lujien kestomagneettien valmistukseen. Niitä käytetään laaj alti tuotteissa, kuten mikrofoneissa, ammattikaiuttimissa, in-ear-kuulokkeissa, tehokkaissa tasavirtamoottoreissa, tietokoneen kiintolevyissä, joissa vaaditaan pientä magneettista massaa (tilavuus) tai voimakkaita magneettikenttiä.
Suuria neodyymimagneetteja käytetään suuritehoisissa ja painoisissa sähkömoottoreissa (esim. hybridiautoissa) ja generaattoreissa (esim. lentokoneiden ja tuulipuistojen sähkögeneraattoreissa). Lisäksi elementtiä käytetään joidenkin metalliseosten kovettamiseen. Esimerkiksi titaanista tulee puolitoista kertaa vahvempi, kun sitä on lisätty vain 1,5 %.
Fysikaaliset ominaisuudet
Metallista neodyymiä on klassisessa mischmetalissa (harvinaisten maametallien seos), jossa sen pitoisuus on yleensä luokkaa 18 %. Puhtaassa muodossaan elementillä on kirkas hopea-kultainen metallikiilto, mutta se hapettuu nopeasti tavallisessa ilmassa. Muodostuu oksidikerros ja hiutaleet irti altistaen metallin lisähapettumiselle. Täten,senttimetrin näyte aineesta hapettuu täysin vuodessa.
Neodyymi esiintyy tavallisesti kahdessa allotrooppisessa muodossa, jossa on kaksinkertaisen kuusikulmaisen kuutiorakenteen keskipiste-muunnos. Se alkaa sulaa 1024°C:ssa ja kiehua 3074°C:ssa. Aineen tiheys kiinteässä faasissa on 7,01 g/cm3, nestemäisessä tilassa 6,89 g/cm3.
Atomiominaisuudet:
- Hapetustila: +4, +3, +2 (emäksinen oksidi).
- Elektronegatiivisuus: 1, 14 (kyselyasteikko).
- Lämmönjohtavuus: 16,5 W/(m K).
- Ionisaatioenergia: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Atomin säde: 181 pikometriä.
Kemialliset ominaisuudet
Metallineodyymi tummuu hitaasti ilmassa ja palaa helposti noin 150°C:ssa muodostaen neodyymi(III)oksidia:
4Nd + 3O2 → 2.2O3
Tämä on sähköpositiivinen elementti. Se reagoi hitaasti kylmän veden kanssa, mutta melko nopeasti kuuman veden kanssa muodostaen neodyymi(III)hydroksidia:
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Metalli reagoi voimakkaasti kaikkien halogeenien kanssa, liukenee helposti laimeaan rikkihappoon muodostaen liuoksia, jotka sisältävät violetin Nd(III)-ionin.
Tuotanto
Neodyymimetallia ei esiinny luonnossa koskaan vapaana alkuaineena. Se louhitaan malmeista, kutenbastnäsiitti ja monatsiitti, joissa se liittyy muihin lantanideihin ja muihin alkuaineisiin. Näiden mineraalien tärkeimmät kaivosalueet sijaitsevat Kiinassa, Yhdysvalloissa, Brasiliassa, Intiassa, Sri Lankassa ja Australiassa. Pieniä esiintymiä on tutkittu myös Venäjällä.
Neodyymivarantojen arvioidaan olevan noin 8 miljoonaa tonnia. Sen pitoisuus maankuoressa on noin 38 mg/kg, mikä on toiseksi korkein harvinaisten maametallien joukossa ceriumin jälkeen. Maailman metallituotanto on noin 7000 tonnia. Suurin osa tuotannosta kuuluu Kiinaan. Kiinan hallitus tunnusti äskettäin elementin strategisesti tärkeäksi ja asetti rajoituksia sen viennille, mikä aiheutti jonkin verran huolta kuluttajamaissa ja provosoi neodyymin hinnan jyrkän nousun 500 dollariin. Nykyään puhtaan metallin keskimääräinen kilohinta vaihtelee välillä 300-350 dollaria, neodyymioksidit ovat halvempia: 70-130 dollaria.
On tapauksia, joissa metallin arvo putosi 40 dollariin laittoman kaupan seurauksena Kiinan hallituksen asettamien rajoitusten ohi. Hinnoitteluun ja saatavuuteen liittyvät epävarmuustekijät ovat saaneet japanilaiset yritykset kehittämään kestomagneetteja ja niihin liittyviä sähkömoottoreita, joissa on vähemmän tai ei ollenkaan harvinaisia maaelementtejä.
