Неодим: елемент, използван за изработка на силни магнити

Подобно на близнаците Кастор и Полукс от гръцката митология, които притежавали специални сили и били неразделни, неодимът и празеодимът – „близнаците“ сред елементите – дълго време са били трудни за разделяне и имат множество особени свойства.

Приложения:

• За изработване на магнити в генераторите на вятърни турбини, които произвеждат електроенергия с помощта на мощни магнити неодим‑желязо‑бор (NdFeB).
• Лазерът Nd:YAG е назован по състава си: неодим, итрий, алуминий и гранат (итриев алуминиев гранат). Това е най-разпространеният тип лазер за търговски, медицински и военни цели. Използва се за рязане, заваряване, маркиране, пробиване, опъване и др. В армията се използва за далекомерни системи и обозначаване на цели.
• Хибридни електрически превозни средства (HEV) и електромобили (EV) използват свръхмощни неодимови магнити за задвижване.
• Магнитнорезонансната томография (ЯМР/МРТ) използва магнити неодим‑желязо‑бор за образна диагностика на тялото без излагане на йонизиращо лъчение.

Знаехте ли, че

• Свръхмощните постоянни магнити неодим‑желязо‑бор (Nd₂Fe₁₄B) са най‑силните в света.
• Когато мобилният телефон е в режим „вибрация“, миниатюрен неодимов магнит в механизма му предизвиква вибрации при входящо обаждане.
• Миниатюрен неодимов магнит е толкова силен, че когато се закрепи към хладилник, трудно може да бъде отлепен с ръка.
• Слушалки и високоговорители използват неодимови магнити за прецизно възпроизвеждане на звука в целия аудио спектър.
• Лазерите Nd:YAG се използват за премахване на татуировки.

Откриването на неодима

Неодимът и празеодимът са открити по едно и също време. В началото химици смятали, че става дума за един-единствен елемент (поради силното им „сливане“ и невъзможността да бъдат разделени) и го нарекли дидим (didymium) със символ „Di“ в подготвяния тогава от Менделеев периодичен списък. Когато накрая, на 18 юни 1885 г., един химик съобщил пред Виенската академия на науките, че е успял да ги раздели, мнозина били скептични (Weeks and Leicester, 1968, p. 685). Откривателят Карл Ауер фон Велсбах е учил в Хайделберг под ръководството на немския химик Роберт Бунзен.

Ауер фон Велсбах отбелязва: „Само Бунзен, на когото първо показах откритието, веднага призна, че разделянето на дидима действително е постигнато. Това признание от страна на Бунзен, който, както е известно, публикува изключително красиви и всеобхватни изследвания върху дидима, показва колко безкористно този велик учен оценяваше експериментите на своите млади ученици“ (Feldhaus, 1928).

През 1885 г. Карл Ауер фон Велсбах използва разработения от него метод на фракционна рекристализация, за да раздели за първи път сплавта „didymium“ на двата й компонента. След 167 рекристализации той забелязва различните оцветявания на пламъка на горелката на Бунзен, предизвикани от двете получени соли, които нарича „praseodymium“ (зелено) и „neodidymium“ (розово); по-късно последното име еволюира до „neodymium“. Името „неодидим“ произлиза от гръцките думи neos (νέος) – нов, и didymos (διδύμος) – близнак.

Определение

Неодимът е сребристобял метал, който бързо се окислява на въздух и придобива леко жълтеникав оттенък. Металът е мек и ковък. Кристалната му структура е хексагонална; плътност 7,004 g/cm³, температура на топене 1021˚C и температура на кипене 3027˚C. Неодимовият оксид (на англ. neodymia) е сесквиоксид (оксид, в чиято формула влиза тривалентен елемент) с химична формула Nd₂O₃. Оксидът е бледобял прах с плътност 7,3 g/cm³, температура на топене 2233˚C и молекулна маса 336,48.

Неодим – метал
Източник: https://hastingstechmetals.com/rare-earths/neodymium/

Неодим – метал
Източник: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34

Получаване на метала

Синтезирането на метален неодим се извършва чрез калциотермично възстановяване на трифлуорида (NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали) в тигел от тантал (Ta). Неодимът има ниска температура на топене и висока температура на кипене, подобно на лантана (La), церия (Ce) и празеодима (Pr). За приготвяне на NdF₃ смес от безводна флуороводородна киселина и 60% аргон се пропуска над Nd₂O₃ при 700˚C за 16 часа в тръбна пещ от инконел с платинова облицовка. Така се получава неодимов флуорид с около 20 ppm (части на милион) кислород като примес. Във втората стъпка съдържанието на кислород се намалява под 20 ppm чрез нагряване на флуорида с 50˚C над температурата му на кипене в платинен тигел в графитова обшивка. След това NdF₃ се поставя в танталов тигел, редуцира се с 15% от теоретичното количество метален калций и се загрява в индукционна пещ под вакуум в инертна атмосфера от аргон (Ar) до температура над тази на топене на редуциращия агент или на получения продукт (Beautry and Gschneidner, Jr., 1978). Металният калций се свързва с F и образува CaF₂, а остатъчният продукт е високочист неодим.

NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали
Източник: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34

NdF₃ – под формата на прозрачни виолетови кристали
Източник: https://www.samaterials.com/neodymium-compound/1193-neodymium-iii-fluoride-ndf3.html

Произход и ресурси

Големи ресурси на неодим се намират в минерали от групата на „редкоземните елементи“ (LREE – Light Rare Earth Elements). Въпреки че се води „редкоземен“, неодимът е по-разпространен от златото и се среща в земната кора с концентрация около 28 части на милион. Основни източници на неодим са карбонатитите и бастнезитите – редкоземни минерали. Бастнезитовите залежи в Китай и САЩ представляват най-голям дял от икономически значимите ресурси на редкоземни елементи в света. На второ място като ресурс е моназитът – руда, в която неодимът е основен компонент. Залежи на моназит има в Австрия, Бразилия, Китай, Индия, Малайзия, Южна Африка, Шри Ланка, Тайланд и САЩ под формата на алувиални/седиментни плацери, пластове, пегматитови магматични тела, карбонатити и други алкални находища. Неодим се добива и от лопарит, извличан от голям интрузивен магматичен масив в Русия.

Добив

Неодимът се извлича от различни руди и находища чрез разнообразни методи. Бастнезит се добива в САЩ като основен продукт от твърда порода – карбонатит. Карбонатитовото находище се разработва по открит способ (кариера). Рудата се пробива и трошИ на по-едри парчета, натоварва се на камиони и се транспортира до фабрика. Там рудата се трошИ, пресява и обогатява чрез флотация, получавайки се концентрат на бастнезит. В Китай бастнезит, заедно с малко количество моназит, също се извлича от карбонатити. Тук бастнезитовата руда се получава като страничен продукт от железна руда, добивана по открит способ. След трошене рудата се отделя от железната руда чрез флотация, за да се получат бастнезитов концентрат и богата бастнезит‑моназитна фракция.

Моназит се добива от плацери на тежки минерални пясъци (уд. тегло > 2,9) в различни части на света като страничен продукт при извличане на цирконий, титан или калай. Тежките минерални пясъци се добиват повърхностно от несвързани пясъци. Много от тези находища се разработват с плаващи драги, които отделят тежките минерали от по‑леките компоненти. Разделянето се извършва в „мокра“ обогатителна фабрика с гравитационни и хидравлични процеси, сита, хидроциклони, спирални и конусни концентратори. Свързаните или частично свързани пясъци, които трудно се добиват с драги, се разработват по сух способ. Рудата се извлича с класическа техника за земекопни работи – булдозери, скрепери, камиони и водно‑струйно оборудване. Получената руда се трошИ и пресява, след което се подава към описаната мокра фабрика. Концентратът от тежки минерали се изпраща в „суха“ фабрика за окончателно разделяне. Там рудата се почиства, изсушава, пресява и минава през серия електростатични, електромагнитни, магнитни и гравитационни процеси. В Южна Африка и САЩ моназитовите жили се добиват подземно (Hedrick, 2010). Лопарит се извлича от подземни мини по камерно‑стълбов метод; рудата се пробива, трошИ и извозва. Обогатяването следва методите, използвани при бастнезита, и дава концентрат от лопарит.