Neodymi

Đặc trưng

Neodymi, một kim loại đất hiếm, có mặt trong Misch metal ở hàm lượng tới khoảng 18%. Kim loại này có ánh kim màu trắng bạc sáng, tuy nhiên, là một trong số các kim loại đất hiếm nhóm Lantan rất dễ phản ứng hóa học nên nó nhanh chóng bị ôxi hóa trong không khí. Lớp ôxít trên bề mặt sau đó dễ bị tách ra làm kim loại này tiếp tục bị ôxi hóa. Mặc dù thuộc về nhóm gọi là "kim loại đất hiếm", nhưng neodymi hoàn toàn không hiếm. Nó chiếm khoảng 38 ppm khối lượng lớp vỏ Trái Đất.

Thủy tinh neodymi

Thủy tinh neodymi (thủy tinh Nd) được tạo ra bằng việc đưa vào ôxít neodymi (Nd₂O₃) trong thủy tinh nóng chảy. Trong ánh sáng ban ngày hay ánh sáng của các đèn nóng sáng thì thủy tinh neodymi có màu tím oải hương, nhưng nó trở thành màu lam nhạt khi được chiếu sáng bằng ánh sáng của đèn huỳnh quang.
Các laser trạng thái rắn thủy tinh neodymi được sử dụng trong các hệ thống nhiều tia cực cao công suất (cỡ terawatt), cao năng lượng (cỡ megajoule) cho nhiệt hạch hãm quán tính. Các laser thủy tinh Nd thông thường là nhân ba tần số cho họa ba thứ ba ở bước sóng 351 nm trong các thiết bị nhiệt hạch laser.
Thủy tinh neodymi được sử dụng rộng rãi trong các đèn nóng sáng để tạo ra ánh sáng "tự nhiên" hơn. Thủy tinh neodymi cũng đã được cấp bằng sáng chế để sử dụng trong các gương chiếu hậu của ô tô để giảm sự chói lòa về ban đêm.
Sử dụng thương mại đầu tiên của neodymi tinh chế là trong tạo màu thủy tinh, bắt đầu với các thực nghiệm của Leo Moser trong tháng 11 năm 1927. Thủy tinh "Alexandrite" được tạo ra vẫn là màu dấu hiệu của các công xưởng thủy tinh Moser cho tới nay. Thủy tinh neodymi được các xưởng thủy tinh tại Mỹ mô phỏng rộng rãi trong đầu thập niên 1930, đáng chú ý nhất có Heisey, Fostoria ("wisteria"), Cambridge ("heatherbloom") và Steuben ("wisteria") cũng như ở một vài nơi khác (chẳng hạn Lalique ở Pháp hay Murano). Thủy tinh "twilight" của Tiffin còn trong sản xuất từ khoảng 1950 tới khoảng 1980. Các nguồn hiện tại bao gồm các nhà sản xuất kính tại Cộng hòa Séc, Hoa Kỳ và Trung Quốc; Caithness Glass ở Scotland cũng sử dụng rộng rãi chất tạo màu này.
Các dải hấp thụ sắc nét của neodymi làm cho màu thủy tinh thay đổi theo các điều kiện chiếu sáng khác nhau, từ có màu tía hơi đỏ dưới ánh sáng ban ngày hay dưới ánh sáng của đèn nóng sáng vàng, nhưng trở thành màu lam dưới ánh sáng trắng của đèn huỳnhg quang, hoặc ánh xanh lục dưới điều kiện chiếu sáng ba màu. Hiện tượng thay đổi màu này được các nhà sưu tập thủy tinh đánh giá cao. Neodymi kết hợp với praseodymi tạo ra thủy tinh "Heliolite" của Moser. Khi kết hợp với vàng hay selen nó tạo ra màu đỏ đẹp cho thủy tinh, chẳng hạn "Royalite" của Moser hay "Wistaria" của Tiffin hay một số màu khác mà Fenton thu được. Do sự tạo màu của neodymi phụ thuộc vào các sự chuyển tiếp f-f "hãm" sâu bên trong nguyên tử, nên ở đây có ảnh hưởng tương đối ít đối với màu sắc từ môi trường hóa học, vì thé màu là không thấm qua được đối với lịch sử nhiệt của thủy tinh. Tuy nhiên, để có màu tốt nhất, các tạp chất chứa sắt cần phải ở mức tối thiểu trong cát được dùng để nấu thủy tinh. Cùng một "mức hãm" của các chuyển tiếp f-f làm cho các chất tạo màu từ kim loại đất hiếm ít gắt hơn so với các chất tạo màu từ các nguyên tố có chuyển tiếp chủ yếu là lớp d, vì thế cần phải dùng nhiều hơn trong thủy tinh để đạt được cường độ màu mong muốn. Công thức gốc của Moser sử dụng khoảng 5% ôxít neodymi trong thủy tinh nóng chảy, một lượng vừa đủ như vậy được Moser nói tới như là thủy tinh "kích thích bằng đất hiếm". Là một bazơ đủ mạnh, mức như vậy của neodymi có thể ảnh hưởng tới các tính chất nóng chảy của thủy tinh và hàm lượng canxi trong thủy tinh có thể cũng phải điều chỉnh theo.

Lịch sử

Neodymi được nam tước Carl Auer von Welsbach, một nhà hóa học người Áo, phát hiện tại Viên năm 1885. Ông tách neodymi cũng như nguyên tố praseodymi từ vật liệu được gọi là didymi bằng cách kết tinh phân đoạn của nitrat amoni tetrahydrat kép từ axít nitric, trong khi tuân theo việc chia tách bằng phân tích quang phổ; tuy nhiên, nó đã không được cô lập ở dạng tương đối tinh khiết cho tới tận năm 1925. Tên gọi neodymi có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp neos nghĩa là mới và didymos nghĩa là kép, đôi.
Kết tinh nitrat kép từng là phương thức tinh chế neodymi thương mại cho tới tận thập niên 1950. Lindsay Chemical Division của American Potash and Chemical Corporation, một thời từng là nhà sản xuất các kim loại đất hiếm lớn nhất trên thế giới, cung cấp ôxít neodymi tinh chế theo kiểu này ở phẩm cấp 65%, 85% và 95% độ tinh khiết, với mức giá trong khoảng từ 2 tới 20 USD mỗi pao (USD năm 1960). Lindsay cũng là cơ sở đầu tiên thương mại hóa quá trình tinh chế bằng trao đổi ion ở quy mô lớn để sản xuất neodymi, sử dụng công nghệ do Frank Spedding tại Đại học bang Iowa và Phòng thí nghiệm Ames phát triển; một pao ôxít độ tinh khiết 99% có giá 35 USD vào năm 1960; còn phẩm cấp 99,9% chỉ tăng thêm 5 USD nữa. Bắt đầu từ thập niên 1950, neodymi độ tinh khiết cao (như 99+%) chủ yếu thu được bằng công nghệ trao đổi ion từ cát monazit ((Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄), một vật liệu giàu các nguyên tố đất hiếm. Bản thân kim loại này thu được bằng điện phân các muối halua của nó. Hiện tại, phần lớn neodymi được chiết ra từ bastnaesit, (Ce,La,Nd,Pr)CO₃F, và được tinh chế bằng chiết dung môi. Tinh chế trao đổi ion được dùng để điều chế neodymi với các độ tinh khiết cao hơn (thông thường >4N, do khi Molycorp lần đầu tiên đưa ra ôxít neodymi của họ có phẩm cấp 98% vào năm 1965, điều chế bằng chiết dung môi từ bastnaesit thu được tại mỏ Mountain Pass, California, nó chỉ có giá ở mức 5 USD mỗi pao đối với các lượng nhỏ, do vậy Lindsay nhanh chóng ngừng không sản xuất nữa). Công nghệ phát triển và độ tinh khiết được nâng cao của ôxít neodymi có sẵn ở quy mô công nghiệp được phản ánh bằng sự xuất hiện của thủy tinh neodymi được làm từ đó vẫn tồn tại trong các bộ sưu tập ngày nay. Các miếng kính thời kỳ đầu của Moser và các loại thủy tinh neodymi khác sản xuất trong thập niên 1930 bị pha màu cam hay hơi đỏ nhiều hơn so với các loại thủy tinh neodymi ngày nay (có màu tía thuần khiết hơn), do các khó khăn trong việc loại bỏ các dấu vết cuối cùng của praseodymi khi người ta còn phải dựa vào công nghệ kết tinh phân đoạn.

Phổ biến

Neodymi không được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng nguyên tố tự do mà nó thường xuất hiện trong các loại quặng như cát monazit ((Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄) và bastnasit ((Ce,La,Th,Nd,Y)(CO₃)F) trong đó chứa các lượng nhỏ của mọi nguyên tố đất hiếm. Neodymi cũng có thể tìm thấy trong misch metal; nó rất khó tách ra từ các nguyên tố đất hiếm khác.

Phòng ngừa

Bụi của neodymi kim loại có nguy hiểm cháy và nổ.
Các hợp chất của neodymi, giống như các muối của mọi kim loại đất hiếm khác, có độc tính từ nhẹ tới vừa phải; tuy nhiên độc tính của chúng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Bụi neodymi và các muối của nó kích ứng mạnh đối với mắt và các màng nhầy và kích ứng vừa phải đối với da. Hít thở phải bụi có thể gây ra tắc mạch phổi và sự phơi nhiễm tích tụ gây nguy hiểm cho gan. Neodymi cũng đóng vai trò như là tác nhân chống đông máu, đặc biệt là khi truyền vào theo đường ven.
Các nam châm neodymi đã được thử nghiệm để sử dụng trong y học, chẳng hạn như các vòng từ tính và chỉnh sửa xương, nhưng các vấn đề về tương thích sinh học đã không cho phép các ứng dụng này được phổ biến.