Neodüüm on keemiline element sümboliga Nd ja aatomnumbriga 60. See on pehme hõbedane metall, mis tuhmub õhu käes. Selle avastas 1885. aastal Austria keemik Carl Auer von Welsbach. Ainet leidub märkimisväärsetes kogustes monasiidi liivamaardlates ja mineraalbastnäsiidis.
Ajalugu
Haruldaste muldmetallide neodüümi avastas Austria keemik parun Karl Auer von Welsbach 1885. aastal Viinis. Teadlane eraldas pärast spektroskoopilise analüüsiga eraldamist kahekordse ammooniumnitraadi tetrahüdraadi fraktsioneeriva kristallimisega lämmastikhappest didüümi nime all tuntud materjalist uue aine (samuti praseodüümi elemendi). Kuid kuni 1925. aastani ei olnud võimalik elementi saada selle puhtaimal kujul.
Kuni 1940. aastate lõpuni oli metalli tootmise peamine kaubanduslik meetod nitraatide topeltkristalliseerimine. Meetod on ebaefektiivne ja saadud aine kogus oli väike. Lindsay Chemical Division oli esimene, kes alustas laiaulatuslikku neodüümi tootmistioonivahetuse puhastusmeetod. Alates 1950. aastatest on kõrge puhtusega (üle 99%) elementi toodetud peamiselt haruldaste muldmetallide rikkast monasiidist ioonivahetuse teel selle halogeniidsoolade elektrolüüsi teel.
Praegu ekstraheeritakse enamus metallist neodüümi bastnäsiidist. Tehnoloogia areng ja täiustatud puhastusmeetodite väljatöötamine on muutnud selle tööstuses laialdaseks kasutuseks.
Kirjeldus
Keemiline element ei esine looduslikult metallilisel kujul, see on eraldatud ainest didüüm, milles see on segatud teiste lantaniididega (eelkõige praseodüümiga). Kuigi neodüüm on klassifitseeritud haruldaste muldmetallide hulka, on see üsna levinud element, mida esineb vähem alt sama sageli kui koob altit, niklit või vaske, ning on maakoores lai alt levinud. Suurem osa ainest pärineb Hiinast.
Neodüümiühendeid kasutati esmakordselt kaubanduslikult klaasivärvina 1927. aastal ja need on endiselt populaarne lisand prilliläätsedes. Nd3+ ioonide olemasolust tingitud neodüümiühendite värvus on sageli punakaslilla varjundiga, kuid see varieerub sõltuv alt valgustuse tüübist.
Rakendus
Ndodüümiga legeeritud läätsi kasutatakse laserites, mis kiirgavad infrapunakiirgust lainepikkusega 1047–1062 nanomeetrit. Neid kasutatakse äärmiselt suure võimsusega süsteemides, näiteks inertsiaalsetes katsetesohjeldamine.
Nd:metalli kasutatakse Nd:YAG laserites ka koos teiste kristallidega (nt ütriumalumiiniumgranaat). See seadistus kiirgab tavaliselt infrapunakiiri lainepikkusega umbes 1064 nm. See on üks kõige sagedamini kasutatavaid pooljuhtlasereid.
Teine oluline neodüümmetalli kasutusala on tugevdav komponent sulamites, mida kasutatakse võimsate ülitugevate püsimagnetite valmistamiseks. Neid kasutatakse laialdaselt sellistes toodetes nagu mikrofonid, professionaalsed kõlarid, kõrvasisesed kõrvaklapid, suure jõudlusega alalisvoolumootorid, arvuti kõvakettad, kus on vaja väikest magnetmassi (helitugevust) või tugevaid magnetvälju.
Suuri neodüümmagneteid kasutatakse suure võimsusega ja kaaluga elektrimootorites (nt hübriidautod) ja generaatorites (nt lennukite ja tuuleparkide elektrigeneraatorid). Samuti kasutatakse elementi mõnede sulamite karastamiseks. Näiteks muutub titaan poolteist korda tugevamaks pärast seda, kui lisate seda ainet vaid 1,5%.
Füüsikalised omadused
Metallilist neodüümi leidub klassikalises mischmetallis (haruldaste muldmetallide sulam), kus selle kontsentratsioon on tavaliselt 18%. Puhtal kujul on elemendil särav hõbe-kuldne metalliline läige, kuid see oksüdeerub tavalises õhus kiiresti. Moodustub oksiidikiht ja helbed, mis avaldab metalli edasisele oksüdatsioonile. Seegasentimeetrine aineproov oksüdeerub täielikult aasta jooksul.
Neodüüm eksisteerib tavaliselt kahes allotroopilises vormis, mille keskpunktist tsentri teisenemine toimub topeltkuusnurksest kuupstruktuurist. See hakkab sulama 1024 °C juures ja keema 3074 °C juures. Aine tihedus tahkes faasis on 7,01 g/cm3, vedelas olekus on 6,89 g/cm3.
Aatomiomadused:
- Oksüdatsiooniaste: +4, +3, +2 (aluseline oksiid).
- Elektronegatiivsus: 1, 14 (küsitlusskaala).
- Soojusjuhtivus: 16,5 W/(m K).
- Ionisatsioonienergia: 1: 533, 1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Aatomi raadius: 181 pikomeetrit.
Keemilised omadused
Metallneodüüm tuhmub õhu käes aeglaselt ja põleb kergesti umbes 150°C juures, moodustades neodüüm(III)oksiidi:
4Nd + 3O2 → 2.2O3
See on elektropositiivne element. See reageerib aeglaselt külma veega, kuid üsna kiiresti kuuma veega, moodustades neodüüm(III)hüdroksiidi:
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
Metall reageerib jõuliselt kõigi halogeenidega, lahustub kergesti lahjendatud väävelhappes, moodustades lahuseid, mis sisaldavad violetset Nd(III) iooni.
Tootmine
Neodüümmetall ei esine looduses kunagi vaba elemendina. Seda kaevandatakse maakidest nagubastnäsiit ja monasiit, milles see on seotud teiste lantaniidide ja muude elementidega. Nende mineraalide peamised kaevanduspiirkonnad asuvad Hiinas, USA-s, Brasiilias, Indias, Sri Lankal ja Austraalias. Väikeseid maardlaid on uuritud ka Venemaal.
Neodüümi varud on hinnanguliselt umbes 8 miljonit tonni. Selle kontsentratsioon maakoores on umbes 38 mg/kg, mis on haruldaste muldmetallide elementide hulgas tseeriumi järel suuruselt teine. Maailma metallitoodang on umbes 7000 tonni. Peamine osa toodangust kuulub Hiinale. Hiina valitsus tunnistas hiljuti seda elementi strateegiliselt oluliseks ja kehtestas selle ekspordile piirangud, tekitades tarbijariikides muret ja kutsudes esile neodüümi hinna järsu tõusu 500 dollarini. Tänapäeval on puhta metalli keskmine kilogrammi hind vahemikus 300–350 dollarit, neodüümoksiidid on odavamad: 70–130 dollarit.
On juhtumeid, kus metalli väärtus langes Hiina valitsuse piirangutest mööda minnes illegaalse kaubanduse tõttu 40 dollarile. Hinnakujunduse ja saadavuse ebakindlus on pannud Jaapani ettevõtted välja töötama püsimagneteid ja nendega seotud elektrimootoreid, millel on vähem või üldse mitte haruldasi muldmetalle.
