ניאודימיום הוא יסוד כימי עם הסמל Nd ומספר אטומי 60. זוהי מתכת רכה וכסופה המוכתמת באוויר. הוא התגלה בשנת 1885 על ידי הכימאי האוסטרי קרל אור פון ולסבאך. החומר קיים בכמויות משמעותיות במרבצי חול מונאזיט ובמינרל bastnäsite.
היסטוריה
ניאודימיום מתכת האדמה הנדירה התגלתה על ידי הכימאי האוסטרי הברון קארל אור פון ולסבאך בווינה ב-1885. המדען בודד חומר חדש (כמו גם את היסוד פרסאודימיום) מחומר המכונה דידימיום על ידי התגבשות חלקית של טטרה-הידראט אמוניום חנקתי כפול מחומצה חנקתית, לאחר הפרדה בניתוח ספקטרוסקופי. עם זאת, עד 1925 לא ניתן היה להשיג את היסוד בצורתו הטהורה ביותר.
עד סוף שנות ה-40, השיטה המסחרית העיקרית לייצור מתכת הייתה התגבשות כפולה של חנקות. השיטה אינה יעילה, וכמות החומר שהתקבלה הייתה קטנה. חטיבת הכימיה של לינדזי הייתה הראשונה שהחלה ייצור בקנה מידה גדול של ניאודימיוםשיטת טיהור חילופי יונים. מאז שנות ה-50, היסוד המטוהר מאוד (מעל 99%) הופק בעיקר בתהליך חילופי יונים ממונאזיט עשיר באדמה נדירה על ידי אלקטרוליזה של מלחי ההלידים שלו.
כיום, רוב הניאודימיום המתכתי מופק מבסטנסיט. התקדמות הטכנולוגיה ופיתוח שיטות ניקוי משופרות הפכו אותו לשימוש נרחב בתעשייה.
Description
היסוד הכימי אינו מופיע באופן טבעי בצורה מתכתית, הוא מופרד מהחומר דידימיום, שבו הוא מעורבב עם לנתאנידים אחרים (בפרט, עם פרסאודימיום). למרות שניאודימיום מסווג כמתכת אדמה נדירה, זהו יסוד נפוץ למדי, המופיע לפחות באותה תדירות כמו קובלט, ניקל או נחושת, והוא מופץ באופן נרחב בקרום כדור הארץ. רוב החומר מגיע מסין.
תרכובות ניאודימיום שימשו לראשונה כצבעי זכוכית בשנת 1927 ונשארו תוסף פופולרי בעדשות משקפיים. הצבע של תרכובות ניאודימיום עקב נוכחותם של יוני Nd3+ יש לעתים קרובות גוון אדמדם-סגול, אך זה משתנה בהתאם לסוג התאורה.
Application
עדשות מסוימות Ndodymium משמשות בלייזרים הפולטים קרינת אינפרא אדומה עם אורכי גל בין 1047 ל-1062 ננומטר. הם משמשים במערכות בעלות הספק גבוה במיוחד, למשל, בניסויים באינרציהבלימה.
Nd:metal משמש גם עם גבישים אחרים (כגון נופך אלומיניום איטריום) בלייזרי Nd:YAG. מערך זה פולט בדרך כלל קרני אינפרא אדום עם אורך גל של בסביבות 1064 ננומטר. זהו אחד מלייזרי המצב המוצק הנפוצים ביותר.
שימוש חשוב נוסף במתכת ניאודימיום הוא כרכיב מחזק בסגסוגות המשמשות לייצור מגנטים קבועים חזקים ובעלי חוזק גבוה. הם נמצאים בשימוש נרחב במוצרים כגון מיקרופונים, רמקולים מקצועיים, אוזניות בתוך האוזן, מנועי DC עם ביצועים גבוהים, כוננים קשיחים של מחשבים, שבהם נדרשת מסה מגנטית נמוכה (ווליום) או שדות מגנטיים חזקים.
מגנטים ניאודימיום גדולים משמשים במנועים חשמליים בעלי הספק ובמשקל גבוה (למשל מכוניות היברידיות) ובגנרטורים (למשל גנרטורים חשמליים למטוסים וחוות רוח). כמו כן, האלמנט משמש להקשחת סגסוגות מסוימות. לדוגמה, טיטניום מתחזק פי אחד וחצי לאחר הוספת רק 1.5% מהחומר הזה.
נכסים פיזיים
ניאודימיום מתכתי קיים במישמטאל קלאסי (סגסוגת של יסודות אדמה נדירים), כאשר הריכוז שלו הוא בדרך כלל בסדר גודל של 18%. בצורתו הטהורה, ליסוד יש ברק מתכתי כסוף-זהוב בוהק, אך מתחמצן במהירות באוויר רגיל. שכבת תחמוצת נוצרת ומתקלפת, וחושפת את המתכת לחמצון נוסף. לכן,מדגם סנטימטר של החומר מתחמצן לחלוטין תוך שנה.
ניאודימיום קיים בדרך כלל בשתי צורות אלוטרופיות, עם טרנספורמציה ממרכז למרכז ממבנה קובי משושה כפול. הוא מתחיל להמיס ב-1024 מעלות צלזיוס ולרתוח ב-3074 מעלות. צפיפות החומר בשלב המוצק היא 7.01 גרם/ס"מ3, במצב נוזלי היא 6.89 גרם/ס"מ3.
מאפיינים אטומיים:
- מצב חמצון: +4, +3, +2 (תחמוצת בסיסית).
- אלקטרוניטיביות: 1, 14 (סולם סקרים).
- מוליכות תרמית: 16.5 W/(m K).
- אנרגיית יינון: 1: 533, 1 קילו-ג'יי/מול, 2: 1040 קילו-ג'יי-מול, 3: 2130 קילו-ג'יי-מול.
- רדיוס של אטום: 181 פיקומטר.
מאפיינים כימיים
מתכת ניאודימיום מוכתמת באיטיות באוויר ונשרפת בקלות בסביבות 150°C ליצירת תחמוצת ניאודימיום(III):
4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
זהו יסוד אלקטרופוזיטיבי. הוא מגיב באיטיות עם מים קרים, אך די מהר עם מים חמים, ויוצר הידרוקסיד ניאודימיום (III):
2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (aq) + 3H 2(g)
המתכת מגיבה בעוצמה עם כל ההלוגנים, מתמוססת בקלות בחומצה גופרתית מדוללת ליצירת תמיסות המכילות את יון Nd(III) הסגול.
Production
מתכת ניאודימיום לעולם אינה מופיעה כיסוד חופשי בטבע. הוא נכרה מעפרות כגוןbastnäsite ו-monazite, שבהם הוא קשור ל-lanthanides אחרים ואלמנטים אחרים. אזורי הכרייה העיקריים של מינרלים אלו נמצאים בסין, ארה ב, ברזיל, הודו, סרי לנקה ואוסטרליה. מרבצים קטנים נחקרו גם ברוסיה.
מאודות של ניאודימיום מוערכות בכ-8 מיליון טון. ריכוזו בקרום כדור הארץ הוא כ-38 מ"ג/ק"ג, שהוא השני בגובהו מבין יסודות האדמה הנדירים אחרי צריום. ייצור המתכות העולמי הוא כ-7000 טון. עיקר הייצור שייך לסין. ממשלת סין הכירה לאחרונה באלמנט כחשוב מבחינה אסטרטגית והטילה הגבלות על הייצוא שלו, מה שגרם לדאגה מסוימת במדינות הצריכה ועורר עלייה חדה במחיר הנאודימיום ל-500 דולר. כיום, המחיר הממוצע לק"ג של מתכת טהורה נע בין 300-350 דולר, תחמוצות ניאודימיום זולות יותר: 70-130 דולר.
ישנם מקרים שבהם ערך המתכת ירד ל-40$ עקב סחר לא חוקי, תוך עקיפת ההגבלות של ממשלת סין. אי ודאות בתמחור ובזמינות הביאו חברות יפניות לפתח מגנטים קבועים ומנועים חשמליים קשורים עם פחות או ללא אלמנטים נדירים של כדור הארץ.
