Neodymium: het element

Neodymium is een zacht zilverwit metaal. Het is ontdekt in 1885 door de Oostenrijkse chemicus Carl Auer von Welsbach. Het is aanwezig in de ertsmineralen monaziet en bastnasite. Neodymium-verbindingen zijn voor het eerst commercieel gebruikt als glaskleurstof in 1927 en worden nog steeds voor dat doel gebruikt. De kleur neodymium-verbindingen is door de Nd3+ ion roodpaars maar verandert van kleur met de omgevingsverlichting door fluorescentie.

Plaats van het element neodymium in het periodieksysteem

Neodymium is een element met symbool Nd en atoomnummer 60. Het is een lanthanide en behoort tot de zeldzame aardmetalen. Het is verspreid over de aarde in de aardkorst. Het aandeel neodymium in de totale zeldzame aardmetalen in de ertsen bastnasite en monaziet is gemiddeld 15%. Neodymium komt niet als element in de natuur voor, het wordt altijd gevonden in verbindingen en bovendien samen met andere lanthaniden. Heden wordt neodymium voornamelijk verkregen uit monaziet zand ((Ce, La, Th, Nd, Y) PO4) door een zogenaamde ionenuitwisseling proces.

Algemene eigenschappen van het element

Chemische eigenschappen van het element

Fysische eigenschappen van het element

Isotopen van neodymium

Natuurlijk voorkomende neodymium is een mengsel van vijf stabiele isotopen, 142Nd, 143Nd, 145Nd, 146Nd en 148Nd, en twee radio-isotopen 144Nd met een halveringstijd van 2,29 × 10↑15 jaar en 150Nd met halveringstijd van 7 × 10↑18 jaar). 31 radio-isotopen van neodymium zijn bekend, ze hebben korte halveringstijden velen korter dan een minuut.

Stabielste isotopen van neodymium

Voorkomen en productie van neodymium

Neodymium is de tweede meest voorkomende van de zeldzame aardmetalen (na cerium). De belangrijkste leveranciers zijn, China, Brazilië, de VS, India, Sri Lanka en Australië. Reserves van neodybium zijn ongeveer 8 miljoen ton, de wereldproductie van neodybiumoxide is ongeveer 7.000 ton per jaar. Het grootste deel van de productie komt uit China, die een export beperking heeft ingesteld, met als gevolg een sterke prijsverhoging van neodymium en andere zeldzame aardmetalen.

Eigenschappen van neodymium

De oxide laag van neodymium heeft weinig hechting aan de grondlaag en bladert af waardoor de oxidatie eindeloos doorgaat tot het materiaal is verdwenen.
Neodymium bestaat in twee allotrope vormen. Een transformatie van hexagonal naar een ruimtelijk gecenterd structuur bij circa 863 °C. (Allotropie wil zeggen dat het element kan bestaan in meerdere structuren.)

Chemische eigenschappen

Neodymium wordt langzaam aangetast door zuurstof in de lucht en brandt bij 150 °C en vormt neodymium(III)oxide:

• 4 Nd + 3 O2 → 2 Nd2O3

Neodymium reageert langzaam met koud water, echter snel met heet water om neodymium(III)hydroxide te vormen:

• 2 Nd (s) + 6 H2O (l) → 2 Nd(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Neodymium-metaal reageert met alle halogenen:

• 2 Nd (s) + 3 F2 (g) → 2 NdF3 (s) [violet]
• 2 Nd (s) + 3 Cl2 (g) → 2 NdCl3 (s) [paars]
• 2 Nd (s) + 3 Br2 (g) → 2 NdBr3 (s) [violet]
• 2 Nd (s) + 3 I2 (g) → 2 NdI3 (s) [groen]

Bekende toegepaste verbindingen van neodymium

Halides:

• neodymium(III)fluoride (NdF3);
• neodymium(III)chloride (NdCl3);
• neodymium(III)bromide (NdBr3);
• neodymium(III)iodide (NdI3)

Diversen:

• oxides: neodymium(III)oxide (Nd2O3)
• sulfides: neodymium(II)sulfide (NdS),
• Neodymium(III)sulfide(Nd2S3)
• Nitrides: neodymium(III)nitride (NdN)
• Hydroxide: neodymium(III)hydroxide (Nd(OH)3)
• Phosphide: neodymiumphosphide (NdP)
• Carbide: neodymiumcarbide (NdC2)
• Nitrate: neodymium(III)nitraat (Nd(NO3)3)
• Sulfate: neodymium(III)sulfaat (Nd2(SO4)3)

Toepassingen van neodymium

• Neodymium heeft een zeer grote soortelijke warmte bij temperaturen rond vloeibaar helium en daarom zeer geschikt voor toepassing in cryogene koelers.
• Zeldzame aardmetalen verbindingen worden in China gebruikt als kunstmest. Vanwege de overeenkomsten tussen Ca2+(normaal gebruikt voor dit doel) en Nd3+ zou neodymium de plantengroei stimuleren.
• Samarium-neodymium datering voor het bepalen van de leeftijd van rotsen en meteorieten.
• Neodymium wordt ook gebruikt in de Nd-YAG laser. Deze zendt infrarode straling uit. De Nd-YAG laser is een veel gebruikte solid-state-laser. (solid-state- laser of vastestof-laser is een laser waarbij de actieve bron een vaste stof is, in tegenstelling tot gas- en vloeistoflasers. De Nd-YAG-laser en dediodelaser zijn vastestof-lasers).
• Het aandeel van neodymium in mischmetaal is circa 18%, mischmetaal is een materiaal waarvan met vuurstenen voor aanstekers maakt.

Vulkanisme

De grootte van een vulkanische uitbarsting kan worden voorspeld door de aanwezigheid van neodymium isotopen. Kleine en grote vulkaanuitbarstingen produceren lava met verschillende neodymium isotopen samenstelling. Uit de samenstelling van isotopen, voorspelt de wetenschap hoe groot de uitbarsting zal worden.

Neodymium magneten

• Neodymium magneten (legering, Nd2Fe14B) zijn de sterkste permanente magneten. Een neodymium magneet van een paar gram kan duizend keer zijn eigen gewicht heffen, lichter en sterker dan samarium-kobalt magneten, echter op neodymium gebaseerde magneten verliezen hun magnetisme bij hoge temperaturen en roesten, bij samarium-kobalt magneten is dat niet het geval.
• Neodymium magneten worden in producten zoals microfoons, luidsprekers, gehoorapparaten, gitaar, pick-ups, en harde schijven, waar laag gewicht, klein volume, of sterke magnetische velden zijn vereist.
• Ook vanwege de hoge magnetische capaciteit per gewicht, neodymium wordt gebruikt in de elektrische motoren van hybride en elektrische auto's en in bepaalde types windturbines.
• De elektromotoren van de Toyota Prius bezitten een kilogram neodymium per voertuig.
• De belangrijkste legering is neodybium-ijzer-boor (NIB), om een uitstekende permanente magneet te maken. Deze magneten zijn onderdeel van moderne voertuigen in componenten, die worden gebruikt in computers om gegevens op te slaan en in luidsprekers.
• Neodymium magneten zijn getest voor medische toepassingen maar biocompatibiliteit problemen hebben toepassingen beperkt.
• Magneten gemaakt van neodymium zijn zeer krachtig, kunnen elkaar trekken van grote afstanden. Indien niet zorgvuldig behandeld, vliegen ze op elkaar af en kunnen verwondingen veroorzaken.
• Een ander risico van deze krachtige magneten is dat als meer dan een magneet wordt ingeslikt door kinderen, de zachte weefsels kapot gedrukt worden als de magneten elkaar aantrekken. Dit heeft geleid tot klachten en het terugroepen van speelgoed, waarvan de bouwstenen bestaan uit neodymium magneten.

Neodymium glas

• Neodymium wordt gebruikt in gekleur glas (didymium glas) om de gele natriumglans van de vlam te adsorberen. Dit soort glas wordt gebruikt om de ogen van lassers te beschermen.
• Neodymium glas (Nd: glas) wordt geproduceerd door het opnemen van neodymiumoxide (Nd2O3) in de glassmelt. Bij daglicht lijkt neodymium glas diep paars-blauw, maar het lijkt lichtblauw onder tl-licht.
• Neodymium kan worden gebruikt om glas te kleuren variërend van zuiver violet naar wijn-rood en grijs.
• De eerste commerciële gebruik van gezuiverd neodymium was in het kleuren van glas, door Leo Moser in november 1927, het zogenaamde merk "Alexandriet" glas is nog steeds de kleur van de Moser glasfabriek.
• Licht door neodymium glas toont scherpe absorptiebanden; het glas wordt gebruikt in de astronomie om scherpe spectraallijnen te realiseren.
• Neodymium en didymium glas worden gebruikt in kleurversterkende filters, namelijk het uitfilteren van de gele tinten van gloeilampen.
• Neodymium glas wordt steeds meer gebruikt in gloeilampen. Deze lampen bevatten neodymium in het glas om het gele licht uit te filteren, waardoor een wit, op zonlicht lijkend licht ontstaat.
• Neodymium is gepatenteerd voor gebruik in de auto achteruitkijkspiegels, om 's nachts de verblindende glans te verminderen.
• Neodymium zouten worden gebruikt als kleurstof voor emaille, ook glazuur genoemd, het is een laag van gesmolten glas op voorwerpen als bescherming of versiering)
• Neodymium zout in didymium glas wordt gebruikt om bepaalde brillen voor lassers en glasblazers te kleuren.
• Neodymium wordt toegevoegd aan glas om de groene kleur veroorzaakt door ijzer verontreinigingen te verwijderen.

Milieu en gezondheid

Toxiciteit

Neodymium metaal stof is brand- en explosie gevaarlijk. Neodymium verbindingen hebben zoals de andere zeldzame aardmetalen, een lage toxiciteit; echter deze groep metalen moet nog verder onderzocht worden.

Invloed van neodymium op de gezondheid

• Het metaal heeft geen biologische rol. Neodybium stof en zouten irriteren de ogen en de huid. Ingeslikt neodybiumzouten zijn licht toxisch als ze oplosbaar zijn in water en niet toxisch als ze onoplosbaar zijn. Neodymium kan de lever beschadigen als het zich langdurig ophoopt in het lichaam.
• Neodymium kan gevaarlijk zijn in niet goed geventileerde werkruimten waardoor damp wordt ingeademd. Dit kan longembolie veroorzaken bij langere blootstelling.
• Neodymium komt in het milieu terecht door de industrie en door het dumpen van huishoudelijke apparaten. Neodymium dat zich geleidijk ophoopt in de bodem en in oppervlakte water leidt tot een toename van het neodymium gehalte in mens en dier, vanwege de voedselketen.
• Neodymium in water beschadigt de cellen van waterdieren, dat heeft negatieve invloed op de celreproductie en op de werking van het zenuwstelsel.