Практическое применение и свойства неодима

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Общая характеристика

История открытия

Распространенность в природе и природные изотопы

Получение

Физические свойства

Химические свойства

Соединения неодима

Применение

Заключение

Литература

Введение

Среди 110 известных химических элементов существует 14 элементов-близнецов, чьи свойства похожи друг на друга, как две капли воды. Это так называемые редкоземельные элементы, или лантаноиды. В периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева они располагаются в одной клетке. Причина такого размещения редкоземельных элементов заключается в своеобразии их электронной структуры и, как следствие, в чрезвычайной близости свойств.

Долгое время эти элементы считались редкими. Лишь исследования последних десятилетий показали, что в земной коре их больше, гораздо больше, чем таких давно известных людям металлов, как свинец, ртуть, золото. Лантаноиды считались малоперспективными для практики. Изготовление кремней для зажигалок было их основным применением.

Развитие техники, главным образом атомной, потребовало новых материалов с самыми разнообразными свойствами. Ученые и инженеры обратили внимание на редкоземельные элементы. Теперь они являются одним из важнейших материалов новой техники. От космических ракет до лекарственных препаратов - таков диапазон их применения.

Поэтому очень важно изучать их индивидуальные свойства и искать новые области применения.

Общая характеристика

Неодим (от греч. neos - новый и didymos - близнец, двойник) - химический элемент III группы 6-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, он относится к редкоземельным элементам - лантаноидам.

Основные константы и свойства неодима:

История открытия

В средние века алхимики выделили группу веществ, почти не растворяющихся в воде и кислотах (из растворов кислот не выделялось пузырьков газа), не изменявшихся при нагревании, не плавившихся и обладающих щелочным характером. Таким веществам дали общее название “земли”.

В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус обнаружил в заброшенном карьере близ городка Иттерби неизвестный минерал, который впоследствии был назван в честь городка, в котором он был найден, иттербитом. В 1794 году Юхан Гадолин подверг анализу иттербит и показал, что этот минерал, кроме оксидов бериллия, кремния и железа, содержит 38% оксида неизвестного элемента. Новую “землю” Аксель Эксберг в 1797 году назвал “иттриевой”, соответствующий элемент - иттрием. Примерно в то же время разные группы исследователей изучали еще один минерал - охроит (Ln2o3 xSiO2 yH2O, где Ln - лантаноид), и в 1803 году почти одновременно и независимо друг от друга Мартин Клапрот и Я. Берцелиус с В. Хизингером выделили из него “землю”, которую назвали “цериевой”, элемент - церием, а минерал охрит был переименован в церит. Открытие первого лантаноидного элемента - церия и его “родственника” - иттрия - наиболее бурная часть первого этапа истории редкоземельных элементов. От этих двух “земель” потянулась длинная цепочка ложных и истинных открытий новых элементов.

В 1839 году Карл Моссандер, изучая нитрат церия, обнаружил в ней примесь неизвестного элемента. Изучив его, он пришел к выводу, что это новая “земля” и он назвал ее “лантановой”, а элемент - лантаном. В 1841 году К. Моссандер выделил из новой “земли” еще одну. Она была очень похожа на “лантановую землю”, поэтому соответствующий ей элемент был назван дидимом - от греческого слова “дидимос” - “двойник”, или “парный”.

В 1878 году французский химик М. Деляфонтен обнаружил неоднородность дидима, а в 1879 году Л. Буабодран выделил из него фракцию, соответствующий элемент назвали самарием, а дидим продолжал числиться как элемент. Но в 1885 году австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах разделил дидим на два элемента. Для этого он использовал метод фракционной кристаллизации двойных аммонийных солей: в одну фракцию входили соли зеленого цвета (им соответствовал бледно-зеленый оксид), в другую - соли цвета от фиолетового до красного (им соответствовал серовато-синий оксид). Элемент, дающий соли зеленого цвета, он назвал празеодимом, а второй элемент - неодимом (т. е. новый дидим). В виде металла неодим был получен группой немецких ученых во главе с В. Мутманном в 1902 году.

Распространенность в природе и природные изотопы

Неодим - второй по распространенности среди всех лантаноидов. Его в земной коре даже больше, чем самого лантана, - 2,5*10-3 и 1,8*10-3% по массе соответственно, в морской воде содержится 9,2*10-6 мг/л. Неодим образует собственный минерал - эшинит, где его больше, чем остальных лантаноидов и их спутников - тория, тантала, ниобия, щелочноземельных металлов.

Природный неодим представляет смесь из семи изотопов с массовыми числами: 142 (27,11%), 143 (12,17%), 144 (23,85%), 145 (8,30%), 146 (17,22%), 148 (5,73%), 150 (5,62%). Для изотопов соблюдается геохимический закон: в природе содержание изотопа с четным массовым числом выше, чем соседнего с нечетным. Второй по распространенности изотоп 144Nd ?-радиоактивен с периодом полураспада 2,4*1015 лет. Из искусственно полученных радиоактивных изотопов (их около десятка) только один 147Nd может служить в качестве радиоактивного индикатора. Он испускает ?-, ?-лучи и имеет период полураспада 11,1 дня. Все остальные изотопы неодима очень короткоживущи.

Получение

Минералы редкоземельных элементов сложны по составу и очень трудно выделить из них содержащиеся элементы. Но еще сложнее разделить смесь редкоземельных элементов. Наиболее старые, классические методы разделения: дробная, фракционная кристаллизация и дробное основное осаждение. В настоящее время развиваются новые методы: хроматография (ионный обмен) и экстракция органическими растворителями.

При разделении редкоземельных элементов неодим концентрируется вместе с легкими лантаноидами (цериевая подгруппа) и выделяется вместе с празеодимом, такую смесь празеодима и неодима называют дидимом. Затем неодим очищают от примесей методом ионного обмена (с помощью этилендиаминтетрауксусной кислоты или с использованием Cu-смолы) или методом разделения из смесей хлоридов.

Металлический неодим получают из безводных галогенидов электролизом их расплава, в присутствии галогенидов лития, калия, кальция, бария:

2NdCl3 (расплав) > 2Nd + 3Cl2^

А также термическим восстановлением оксида неодима (III) кальцием:

Nd2O3 + 3Ca > 2Nd + 3CaO.

Физические свойства

Неодим, как и все лантаноиды, является переходным f-элементом, так как при увеличении заряда ядра от 57 до 71 происходит заполнение 4f-подуровня. Поэтому лантаноиды обладают исключительно близкими друг к другу свойствами.

Неодим - серебристо-белый, типичный металл. Его цвет связан с присутствием на его поверхности оксидной пленки. Неодим - пластичный, тугоплавкий, ковкий, но обладающий относительно невысокой твердостью металл, легко поддается механической обработке. Обладает парамагнитными свойствами, которые объясняются наличием недостроенного 4f-подуровня, обладающего высокой магнитной активностью.

Химические свойства

Неодим - активный металл, по своему поведению при реакциях похож на лантан. Во влажном воздухе он покрывается оксидно-гидроксидной пленкой.

4Nd + 6H2O + 3O2 > 4Nd(OH)3.

Неодим пассивируется в холодной воде, не реагирует со щелочами и этанолом, но взаимодействует с водой при нагревании:

2Nd + 6H2O (гор.) > 2Nd(OH)3v + 3H2^

Неодим является сильным восстановителем, бурно реагирует с кислотами:

2Nd + 6HCl (разб.) > 2NdCl3 + 3H2^

Nd + 6 HNO3 (конц.) > Nd(NO3)3 + 3NO2^ + 3H2O.

Во фтороводородной и ортофосфорной кислотах неодим устойчив, так как покрывается защитной пленкой нерастворимых солей.

При 300оС сгорает на воздухе:

4Nd + 3O2 > 2Nd2O3.

Взаимодействует с галогенами

с хлором (при 300оС):

2Nd + 3Cl2 > 2NdCl3

А при нагревании взаимодействует с азотом, серой, углеродом, кремнием, фосфором, водородом

с серой (при 500-800оС):

2Nd + 3S > Nd2S3

с оксидом азота (IV):

Nd + 6NO2 > 3NO + Nd(NO3)3

с водородом (при 300оС):

2Nd + 3H2 > 2NdH3.

С большинством металлов дает сплавы.

Соединения неодима

Неодим в соединениях проявляет только одну степень окисления +3, для него известны многочисленные бинарные соединения и разнообразные соли. Окраска соединений у него неодинаковая: оксид Nd2O3 голубовато-фиолетовый, нитрат и хлорид - сиреневые, фторид NdF3 - светло-розовый, бромид NdBr3 - фиолетовый, иодид NdI3 - зеленый, сульфид Nd2S3 - темно-зеленый, карбид NdC - коричневый, гексаборид NdB6 - синий и т. п.

Оксид неодима (III) Nd2O3

Температура плавления оксида неодима 2320оС, температура кипения - 4300оС, плотность - 7,327 г/см3. Оксид неодима получают разложением нитрата, оксалата и других солей неодима на воздухе при 800-1000оС:

2Nd(NO3)3 > Nd2O3 + 3N2O5^

Это голубовато-фиолетовые кристаллы, нерастворимые в воде и щелочах. Оксид неодима проявляет слабоосновные свойства и растворяется в кислотах:

Nd2O3 + 6HCl > 2NdCl3 + 3H2O.

При взаимодействии с оксидами щелочных металлов проявляет некоторые амфотерные свойства:

Nd2O3 + Na2O > 2NaNdO2.

Фторид неодима (III) NdF3

Бледно-розовые кристаллы, нерастворимые в воде. Температура плавления фторида 1377оС, температура кипения - 2300оС. Фторид неодима получают взаимодействием оксида неодима с фтороводородом при 700оС:

редкоземельный элемент неодим соединение

Nd2O3 + 6HF > 2NdF3 + 3H2O.

Хлорид неодима (III) NdCl3

Розово-фиолетовые гигроскопичные кристаллы, растворимые в воде. Температура плавления хлорида 758оС, температура кипения - 1690оС, плотность - 4,134 г/см3.

Хлорид неодима получают взаимодействием смеси хлора и тетрахлорметана с оксидом или оксалатом неодима при температуре выше 200оС.

При взаимодействии с бромоводородом и иодоводородом хлорид неодима легко переходит в соответствующий галогенид, может образовывать гидраты. Безводный хлорид применяют для получения металлического неодима металлотермическим способом.

Гидроксид неодима (III) Nd(OH)3

При добавлении растворов щелочей к солям неодима в осадок выпадают либо основные соли, либо гидроксид:

Nd(NO3)3 + 2KOH > Nd(OH)2NO3 + 2KNO3

Nd(NO3)3 + 3KOH > Nd(OH)3v + 3KNO3.

Гидроксид неодима нерастворим, имеет слабоосновный характер. Поэтому он не растворяется в разбавленных щелочах, но легко растворяется в кислотах с образованием солей. В концентрированных растворах щелочей растворение хотя и происходит с образованием солей типа MNdO2, но эти соли немедленно гидролизуются водой. Следовательно, гидроксид неодима - слабоамфотерное соединение с резким преобладанием основных свойств.

Комплексные соединения неодима

Неодим способен образовывать комплексные соединения. Координационные числа равны 6-12, это объясняется участием в образовании связей f-орбиталей. Неодим образует устойчивые комплексные соединения с полидентантными лигандами. Комплексообразование с монодентантными лигандами не характерно для неодима.

В расплавах неодим образует гексафторид Na3[NdF6]. В водных растворах он образует прочные комплексы как с неорганическими, так и с органическими анионами (лигандами).

Для неодима также характерно образование кристаллогидратов. Ионы Nd3+ в водных растворах гидратированы и проявляют координационное число 9, а в твердых гидратированных солях, выделенных из водных растворов, - до 10-12. Высокое координационное число также связано с наличием незаполненного 4f-подуровня, на котором имеется еще много вакантных мест.

Применение

Неодим имеет достаточно широкое практическое применение, так как он доступный и дешевый.

В природной смеси с празеодимом (дидим) он используется в изготовлении стекол для защитных очков, задерживающих ультрафиолетовые лучи, что особенно важно для сварщиков, металлургов, стеклодувов (при сварке стекла особенно ярки желтые лучи натрия) и т. д. Стекла с 4,3%- ной добавкой окиси неодима имеют “александритовский эффект”. Неодимовое стекло может менять окраску в зависимости от освещения. Его используют для изготовления красивых ваз и художественных изделий, так как большие концентрации оксида неодима придают стеклу ярко-красный оттенок. Неодимовое стекло также применяют в лазерной технике. Ион Nd3+ дает лазерное излучение в инфракрасной области спектра. Для специальных стекол получают окись неодима чрезвычайно высокой чистоты - 99,996%.

Оксид неодима обладает комплексом превосходных физико-химических свойств, и достаточно доступен. Находит важное применение в электрических приборах в качестве диэлектрика, который отличается минимальным коэффициентом теплового расширения.

Достаточно широко применяется и сам неодим. Он лучше других лантаноидов влияет на свойства магниевых, алюминиевых и титановых сплавов, повышает их прочность и жароустойчивость.

Причины эффективного действия неодима на магниевые сплавы:

1. Неодим обладает максимальной растворимостью в магнии, которая способствует наибольшему эффекту упрочнения сплава в результате термической обработки.

2. Скорость диффузии неодима в магнии по сравнению с другими изученными редкоземельными металлами оказывается наименьшей - это служит причиной меньшей скорости разупрочнения сплава при повышенной температуре, а, следовательно, более высокой жаропрочности.

Добавка 5% неодима к алюминию повышает твердость и предел прочности сплава с 5 до 10 кг/мм2. Между этими элементами в расплаве происходит химическое взаимодействие с образованием интерметаллических соединений неодима NdAl2 и NdAl4. Добавка 1% неодима к титану повышает предел прочности до 48-50 кг/мм2 (у чистого титана он равен 32 кг/мм2), тогда как такая же добавка церия - только до 38-40 кг/мм2.

Неодим используют также в лазерной технике. Концентрация ионов Nd3+ в стеклах, предназначенных для этой цели, достигает 6%. У стекол, применяемых в качестве лазерных материалов, есть два неоспоримых достоинства: высокая концентрация активных частиц и возможность изготовления активных элементов больших размеров. Компоненты таких стекол очищают особо тщательно от примесей меди, железа, никеля, кобальта, а также редкоземельных металлов - самария, диспрозия и празеодима.

Широко применяются в качестве лазерных материалов и алюмо-иттриевые гранаты, активизированные неодимом. Лазеры с неодимом используются в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу. Мощные неодимовые лазеры перспективны в качестве одного из важных элементов спутниковой связи.

Заключение

За последнее время значительно расширились области практического применения лантаноидов и неодима в том числе. Элемент с порядковым номером 60 обладает комплексом уникальных свойств, поэтому находит широкое применение в технике, металлургии, в стекольной, керамической и других отраслях промышленности.

Но существуют два фактора, которые мешают расширению диапазона применения неодима и других редкоземельных элементов: дороговизна их чистых препаратов и недостаточная изученность индивидуальных свойств, которая тормозит их применение на практике. Поэтому в настоящее время необходимо активно исследовать свойства лантаноидов и возможно в ближайшие годы будут обнаружены новые неожиданные пути их применения.

Список литературы

1. Шалинец А. Б. Провозвестники атомного века. Элементы III группы периодической системы Д. И. Менделеева. Пособие для учащихся. - М., “Просвещение”, 1975. - 192 с.

2. Популярная библиотека химических элементов: В 2-х кн. / [Сост. В. В. Станцо, М. Б. Черненко]. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Наука, 1983.

3. Кн. 2. Серебро - Нильсборий и далее. 1983. - 572 с.

4. Реакции неорганических веществ: справочник / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; под ред. Р. А. Лидина. - 2-е изд.., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2007. - 637 с.

5. Константы неорганических веществ: справочник / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; под ред. Р. А. Лидина. - 2-е изд.., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2006. - 685 с.

6. Трифонов Д. Н. Редкоземельные элементы. - М., 1960. - 134 с.

7. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., Изд. центр “Академия”, 2001. - 743 с., ил.

Размещено на Allbest.ru