Неодим

Неоди́м (химический символ — Nd, от ) — 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).

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

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

Нахождение в природе 

Содержание неодима в земной коре (по разным данным) —  в воде океанов — .

Месторождения 
Неодим входит в состав лантаноидов, месторождения которых находятся в России, США, Казахстане, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии, Китае. Последний является основным производителем, а также экспортёром неодима.

Общая сырьевая база редкоземельных элементов в мире составляет примерно  из которых на долю КНР приходится до  Китай поставляет  мировых объёмов редкоземельных элементов.

Физические свойства 
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  и периодом полураспада , а также изотоп 150Nd с , испытывающий двойной бета-распад с ).

При температуре до 883 °C существует как α-Nd — кристаллы , решётка типа лантана. Выше 883 °C переходит в β-Nd — кристаллы , решётка типа α-железа. Энтальпия перехода  равна . Твёрдость по Бриннелю .

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  = 71,68 Дж/(моль·К). Температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10−6 К−1.   

Парамагнетик, магнитная восприимчивость +5,628·10−3; ниже точки Нееля (20 К) — антиферромагнетик. Удельное электрическое сопротивление .

Химические свойства 
Металлический неодим окисляется с поверхности на воздухе и легко загорается при температуре около  с образованием оксида неодима(III), образующийся слой оксида отслаивается и массивный металл продолжает окисляться:

 4 Nd + 3 O2 -> 2 Nd2O3.

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

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

 2 Nd + 6 H2O -> 2 Nd(OH)3 + 3 H2 ^.

Металлический неодим бурно реагирует со всеми галогенами:

 2 Nd + 3 F2 -> 2 NdF3 (фиолетовый);
 2 Nd + 3 Cl2 -> 2 NdCl3 (лиловый);
 2 Nd + 3 Br2 -> 2 NdBr3 (фиолетовый);
 2 Nd + 3 I2 -> 2 NdI3 (зелёный)

Неодим растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием лиловых растворов, содержащих ионы Nd(III). В растворе ионы существуют в виде комплексов [Nd (OH2)9]^{3+}:

 2 Nd + 3 H2SO4 -> 2 Nd^{3+}\ +\ 3 SO^{2-}4 + 3 H2.

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

Изотопы 

Природный неодим состоит из семи изотопов: 
 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  а 150Nd — двойной бета-распад с периодом полураспада  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.

Получение 
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  и катодной плотности тока 4,7 А/см²; материал анода и катода — графит.

Цены 
Цены на неодим чистотой  в 2011 году составляли около 110 долларов США за 1 килограмм, 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  чистоты составляла примерно 70 долларов США за .
За 2010-е годы цена на неодим выросла на .

Применение 
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.

Очень важными областями применения неодима являются:
 легирование специальных конструкционных сплавов и сталей (модифицирование высококачественных сталей), неодим в виде добавки  в полтора раза увеличивает прочность чистого титана и потому служит для его легирования.
 производство мощных постоянных магнитов (неодим-иттрий-кобальт, неодим-железо-бор),

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 

 В нефтехимическом производстве, при изготовлении синтетического каучука СКД-НД служит катализатором (синтетический каучук дивиниловый на неодимовом катализаторе).

Неодимовое стекло 

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

Примечания

Литература

Ссылки 

 Неодим на Webelements 
 Неодим в Популярной библиотеке химических элементов 

Химические элементы
Лантаноиды
Радиоактивные элементы