Neodij

Neodij (ponekad i neodimij, latinski - neodymium) jeste hemijski element sa simbolom Nd i atomskim brojem 60. U periodnom sistemu nalazi se u grupi lantanoida pa se tako ubraja u metale rijetkih zemalja. Ime ovog elementa izvodi se iz grčkih riječi νέος (neos, nov) i δίδυμος (didymos, blizanac) koje spojene imaju značenje "novi blizanac" (kao blizanac lantana). Najčešće se koristi u obliku legura neodij-željezo-bor za izradu snažnih stalnih magneta.

Neodij,  ₆₀Nd

Neodij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Neodij, Nd, 60
Serija	Lantanoidi
Grupa, Perioda, Blok	La, 6, f
Izgled	sivobijeli metal žute nijanse
Zastupljenost	2,2 ×10-3 %
Atomske osobine
Atomska masa	144,242(3) u
Atomski radijus (izračunat)	185 (206) pm
Kovalentni radijus	201 pm
Van der Waalsov radijus	- pm
Elektronska konfiguracija	[Xe] 4f46s2
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 22, 8, 2
Izlazni rad	3,2 eV
1. energija ionizacije	533,1 kJ/mol
2. energija ionizacije	1040 kJ/mol
3. energija ionizacije	2130 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	2 - 3
Kristalna struktura	heksagonalna
Gustoća	7003 kg/m3 pri 293,15 K
Magnetizam	paramagnetičan (Χm=3,6 ×10-3)
Tačka topljenja	1297 K (1024 °C)
Tačka ključanja	3303 K (3030 °C)
Molarni volumen	20,59 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja	289 kJ/mol
Toplota topljenja	7,1 kJ/mol
Pritisak pare	6,03 · 10-3 Pa pri 2890 K
Brzina zvuka	2330 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	190 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	1,56 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	17 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	2, 3, 4
Elektrodni potencijal	-2,32 V (Nd3+ + 3e- → Nd)
Elektronegativnost	1,14 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 142Nd 27,13 % Stabilan 143Nd 12,18 % Stabilan 144Nd 23,8 % 2,29 · 1015 god α 1,905 140Ce 145Nd 8,3 % Stabilan 146Nd 17,19 % Stabilan 147Nd sin 10,98 d β- 0,896 147Pm 148Nd 5,76 % Stabilan 149Nd sin 1,728 h β- 1,691 149Pm 150Nd 5,64 % 1,1 · 1019 god β- β- 3,367 150Sm
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja F Lahko zapaljivo
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 11-36/37/38 S: 16-26-33-36/37/39
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Historija

Godine 1841. Carl Gustav Mosander je izdvojio dotad nepoznatu rijetku zemlju iz lantan-oksida koju je nazvao didim. Per Teodor Cleve je 1874. godine primijetio da se kod didima zapravo radi o dva nova elementa. Pet godina kasnije 1879. Lecoq de Boisbaudran izdvojio je samarij iz didima, a koji je dobio izdvajanjem iz minerala samarskita. Carl Auer von Welsbach 1885. godine odvojio je prazeodij i neodij, pošto su gradili soli različitih boja. Čisti metalni neodij dobijen je tek 1925. godine.

Osobine

Kristalna struktura neodija

Fizičke

Srebrenasto-bijeli svijetli metal spada u grupu lantanoida i metala rijetkih zemalja. Na zraku je nešto više otoporan na koroziju u odnosu na metale poput europija, lantana, cerija i prazeodij. Stajanjem na zraku nakon nekog vremena na njegovoj površini vrlo lahko se stvara ljubičasto-rozi sloj oksida koji može lahko oljuštiti.

Hemijske

Pri visokim temperaturama, neodij sagorijeva gradeći seskvioksid Nd₂O₃. S vodom reagira istiskujući iz nje vodik i gradeći neodij-hidroksid Nd(OH)₃. U reakciji s vodikom prelazi u hidrid NdH₂. Pored osnovnog oksidacijskog stanja (valencije) +3, pod posebnim uslovima mogu se javiti i oksidacijska stanja +2 i +4.

Rasprostranjenost

Neodij u prirodi zastupljen je samo u obliku hemijskih spojeva, zajedno sa spojevima drugih lantanoida, odnosno minerala poput:

• monacita (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄
• bastnesita ((Ce,La,Th,Nd,Y)(CO₃)F)
• mišmetal sadrži i do 18% neodija.

Sa oko 97% ukupne svjetske proizvodnje prednjači Kina. Međutim, eksploatacija i proizvodnja ovog metala u Kini dovela je do značajnih ekoloških problema. Prema navodima iz medija "pri izdvajanju neodija iz iskopanih ruda nastaju vrlo štetni i otrovni otpadni materijali, koji između ostalih ispuštaju radioaktivni uranij i torij tokom procesa prerade. Ovi materijali djelimično dospijevaju u podzemne vode, kontaminiraju biljni i životinjski svijet pa tako predstavljaju i opasnost po zdravlje ljudi". Osim Kine, značajne ekonomski isplative količine kopaju se i u Australiji.

Dobijanje

Kao i kod svih lantanoida, najprije se ruda obogaćuje putem flotacije, a zatim se metali prevode u njihove halogenidne spojeve te se odvajaju raznim tehnikama kao što su frakcijska kristalizacija, ionskoizmjenjivačka tehnika ili ekstrakcija.

Nakon detaljnog i vrlo kompliciranog odvajanja pratilaca neodija, njegov oksid se može pomoću fluoridne kiseline prevesti u neodij(III)-fluorid te se nakon toga reducirati sa kalcijem, čime nastaje metalni neodij i kalcij-fluorid. Ostaci kalcija i nečistoće mogu se izdvojiti topljenjem u vakuumu.

$\mathrm {2\ NdF_{3}\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Nd\ +\ 3\ CaF_{2}}$

Od 1984. ovaj postupak je u Kini zamijenjen elektolizom rastopljene smjese neodij-fluorida, neodij-oksida i litij-fluorida. Ta metoda formalno odgovara postupku Hall-Héroultovog procesa, pri kojem se elementarni neodij izdvaja na uspravno postavljenoj volframovoj katodi, a koja je prstenasto okružena grafitnom anodom. Neodij u istopljenoj tečnoj smjesi hvata se u kadi sačinjenoj od molibdena, iz koje se dalje izlijeva u kalupe. Svaka od takvih elektrolitičkih ćelija smatra se za jednokomornu ćeliju elektrolize. Međutim, o stvarnom broju i načinu rada ćelija u Kini ne postoje tačni ni pouzdani podaci. Pretpostavlja se da se proizvodnja metalnog neodija vjerovatno odvija po standardiziranom protokolu, bez ikakvih tehničkih mjerenja ni povratnih informacija. Također se pretpostavlja da se ručno i nejednako dodaje neodij-oksid bez kontrole i povratnih informacija o naponu u ćeliji. Pri takvoj proizvodnji bez sumnje dolazi do neizbježnih preopterećanja napona na anodi što dovodi do ogromnih emisija stakleničkih plinova u atmosferu, naročito ugljik-tetrafluorida i heksafluoretana. Veoma lahko isparljivi perfluorirani ugljikovodici (CFC) ne mogu se filtrirati niti odvojiti niti jednim poznatim postupkom a nakon emisije u atmosferu ostaju vrlo dugo, pri čemu im je vrijeme trajanja od deset do 50 hiljada godina. Daljnji razvoj postupaka elektrolize kojim se smanjuje emisija hlorofluorougljika pri elektrometalurškim procesima predstavlja jedan od ograničavajućih faktora u američkoj industriji.

Kineska vlada je najavila da će uvesti strože mjere zaštite okoliša kao i mjere za sprječavanje nelegalnog kopanja rude. Početkom juna 2011. došlo je do usvajanja prvih zakonskih odredbi u tom aspektu. Prema izvještajima američkog Financial Times državna firma Baotou Steel Rare Earth ima monopol nad kopanjem i preradom rijetkih zemnih metala u Kini. Oko 35 licenciranih firmi je zatvoreno uz odštetu, a drugih devet nelicenciranih će uskoro biti zatvoreno bez odštete. U SAD ponovno je aktiviran rudnik Mountain Pass u Kaliforniji dok je u Australiji ponovno u pogonu rudnik Mount Weld. Ova ova rudnika opremljena su sistemima za zaštitu okoliša, prihvaljivim od strane ekoloških instituta. Ipak, također postoje planovi za kombiniranu eksploataciju rijetkih zemalja na Grenlandu, pri čemu bi otrovni nusproizvodi mogli dospjeti u more.

Svjetska godišnja proizvodnja neodija u 2012. procijenjena je na 21 hiljadu tona, od čega je oko 91 % došlo iz Kine. Prema podacima američke agencije za geološka istraživanja (USGS) cijena jednog kg neodija u 2001. iznosila je ispod 10 američkih dolara. Do 2010. cijena je porasla na 80 US$, a naredne 2011. godine dostigla je vrhunac od 244 US$ po kg. Nakon toga ponovno je došlo do pada cijena ovog metala pa je 2013. ona iznosila oko 65 US$ po kilogramu.

Upotreba

• Spojevi neodija, željeza i bora koriste se za pravljenje nekih od najsnažnijih poznatih magneta. Takvi magneti koriste se za tomografiju magnetnom rezonancom, mikromotore i računarske tvrde diskove (pozicioniranje glave za čitanje/pisanje), zatim za rotore sa stalnim magnetima (npr. servo-motore), vrlo efikasne stalno pobuđene sinhrone mašine (npr. kod nekih tipova vjetroturbina, (oko jedne šestine cjelokupne proizvodnje neodija) za pokretanje elektro- i hibridnih vozila kao i za pogon maketa i minijaturnih modela. Osim toga, ovi magneti se upotrebljavaju i u linearnim motorima za pozicioniranje osovina (npr. u CNC mašinama), visokovrijednim zvučnicima i slušalicama i slično. Za razliku od magneta na bazi samarija i kobalta, neodijevi magneti su znatno snažniji, skuplje ali i mnogo osjetljiviji na visoku temperaturu.
• Soli neodija koriste se za bojenje emajla, kao i za bojenje porcelana u plavu boju.
• Neodij(III)-oksid upotrebljava se za bojenje stakla. On daje izrazito tople ljubičaste do tamno crvene i sive nijanse. Takve vrste stakla imaju oštre apsorpcijske trake te se koriste u astronomiji za kalibriranje.
• Neodij se koristi i za izbjeljivanje stakla koje sadrži željezo, kao i za stakla koja štite od ultraljubičastog zračenja (sunčane naočale).
• Sastavni je dio široko rasprostranjenih industrijskih neodij-YAG lasera.
• Barij-titanat dopiran neodij-oksidom koristi se u dielektričnim kondenzatorima.
• Zbog svojih pirofornih osobina koristi se kao legirajuće sredstvo zajedno s cerijem u upaljačima.
• Za pravljenje katalizirane polibutadienske gume (kaučuka (Nd-PBR)).

Spojevi

Oksidi

• Neodij(III)-oksid (Nd₂O₃)

Halogenidi

• Neodij(III)-fluorid (NdF₃)
• Neodij(III)-hlorid (NdCl₃), bezvodni
• Neodij(III)-bromid (NdBr₃), bezvodni, sa dvije modifikacije
• Neodij(II)-bromid (NdBr₂), samo bezvodni
• Neodij(II,III)-bromid (Nd₄Br₉), samo bezvodni
• Neodij(III)-jodid (NdI₃), bezvodni

Drugi

• Neodij(III)-nitrat (Nd(NO₃)₃ · 6 H₂O)
• Neodij(III)-sulfat (Nd₂(SO₄)₃ · 8 H₂O)
• Neodij(III)-acetat (Nd(C₂H₃O₂)₃)

• 
  Neodij(III)-sulfat oktahidrat
• 
  Neodij(III)-hlorid
• 
  Neodij(III)-sulfat, -nitrat i -hlorid u rastvoru

Ostali materijali

Legura neodij-željezo-bor (Nd₂Fe₁₄B) je materijal od kojeg se prave najsnažniji do danas poznati, trajni magneti. Oni mogu dostizati magnetnu remanencu i do 1,4 tesla. Koercitivna snaga polja H_cJ varira u rasponu od 870 do 2750 kA/m.