Neodimio
Elemento químico con número atómico 60 (Nd)
Neodimio,  60 Nd
Neodimio
Pronunciación/ ˌ n iː oʊ ˈ d ɪ m i ə m / ​( NEE -oh- DIM -ee-əm )
Aparienciablanco plateado
Peso atómico estándar A r °(Nd)
  • 144,242 ± 0,003 [1]
  • 144,24 ± 0,01  ( abreviado ) [2]
Neodimio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
–
↑
Nd
↓
U
praseodimio ← neodimio → prometio
Número atómico ( Z )60
Grupogrupos de bloques f (sin número)
Períodoperíodo 6
Bloquear  bloque f
Configuración electrónica[ X ] 4f 4 6s 2
Electrones por capa2, 8, 18, 22, 8, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión1295  K (1022 °C, 1872 °F) [3]
Punto de ebullición3347 K (3074 °C, 5565 °F)
Densidad (a 20° C)7,007 g/cm3 [  3]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )6,89 g/ cm3
Calor de fusión7,14  kJ/mol
Calor de vaporización289 kJ/mol
Capacidad calorífica molar27,45 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)159517741998(2296)(2715)(3336)
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3,
0, [4] +2, [5] +4,
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,14
Energías de ionización
  • 1º: 533,1 kJ/mol
  • 2º: 1040 kJ/mol
  • 3º: 2130 kJ/mol
Radio atómicoempírico: 181  pm
Radio covalente201±6 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales de neodimio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinadoble empaquetamiento hexagonal compacto (dhcp) ( hP4 )
Constantes de red
Estructura cristalina compacta de doble hexágono para neodimio
a  = 0,36583 nm
c  = 1,17968 nm (a 20 °C) [3]
Expansión térmica6,7 × 10 −6 /K (a 20 °C) [3] [a]
Conductividad térmica16,5 W/(m⋅K)
Resistividad eléctricapoli: 643 nΩ⋅m
Ordenamiento magnéticoparamagnético , antiferromagnético por debajo de 20 K [6]
Susceptibilidad magnética molar+5 628 ,0 × 10 −6  cm 3 /mol (287,7 K) [7]
Módulo de Young41,4 promedio de calificaciones
Módulo de corte16,3 promedio de calificaciones
Módulo volumétrico31,8 promedio de calificaciones
Velocidad del sonido varilla delgada2330 m/s (a 20 °C)
Relación de Poisson0,281
Dureza Vickers345–745 MPa
Dureza Brinell265–700 MPa
Número CAS7440-00-8
Historia
DescubrimientoCarl Gustaf Mosander (1841)
Primer aislamientoCarl Auer von Welsbach (1885)
Nombrado porCarl Auer von Welsbach (1885)
Isótopos de neodimio
Isótopos principales [8]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
142º​27,2%estable
143º​12,2%estable
144º​23,8%2,29 × 10 15  añosalfa140 d. C.
145º​8,3%estable
146º​17,2%estable
148º​5,80%estable
150º​5,60%9,3 × 10 18  años [8]β - β-​150 cm2
 Categoría: Neodimio
| referencias

El neodimio es un elemento químico ; su símbolo es Nd y su número atómico es 60. Es el cuarto miembro de la serie de los lantánidos y se considera uno de los metales de tierras raras . Es un metal plateado , duro y ligeramente maleable que se empaña rápidamente en el aire y la humedad. Cuando se oxida, el neodimio reacciona rápidamente produciendo compuestos rosados, violetas/azules y amarillos en los estados de oxidación +2, +3 y +4 . En general, se considera que tiene uno de los espectros más complejos de los elementos. [9] El neodimio fue descubierto en 1885 por el químico austríaco Carl Auer von Welsbach , quien también descubrió el praseodimio . Está presente en cantidades significativas en los minerales monacita y bastnäsita . El neodimio no se encuentra de forma natural en forma metálica o sin mezclar con otros lantánidos, y generalmente se refina para uso general. El neodimio es bastante común (casi tan común como el cobalto , el níquel o el cobre ) y está ampliamente distribuido en la corteza terrestre . [10] La mayor parte del neodimio comercial del mundo se extrae en China, como es el caso de muchos otros metales de tierras raras.

Los compuestos de neodimio se utilizaron comercialmente por primera vez como colorantes de vidrio en 1927 y siguen siendo un aditivo popular. El color de los compuestos de neodimio proviene del ion Nd 3+ y suele ser un púrpura rojizo. Este color cambia con el tipo de iluminación debido a la interacción de las nítidas bandas de absorción de luz del neodimio con la luz ambiental enriquecida con las nítidas bandas de emisión visible del mercurio , el europio trivalente o el terbio . Los vidrios que han sido dopados con neodimio se utilizan en láseres que emiten infrarrojos con longitudes de onda entre 1047 y 1062 nanómetros. Estos láseres se han utilizado en aplicaciones de potencia extremadamente alta, como en la fusión por confinamiento inercial . El neodimio también se utiliza con varios otros cristales de sustrato , como el granate de itrio y aluminio en el láser Nd:YAG .

Las aleaciones de neodimio se utilizan para fabricar imanes de neodimio de alta resistencia , que son potentes imanes permanentes . [11] Estos imanes se utilizan ampliamente en productos como micrófonos, altavoces profesionales, auriculares internos, motores eléctricos de CC de alto rendimiento para aficionados y discos duros de ordenador, donde se requiere una masa (o volumen) de imán baja o campos magnéticos fuertes. Los imanes de neodimio de mayor tamaño se utilizan en motores eléctricos con una alta relación potencia-peso (por ejemplo, en coches híbridos ) y generadores (por ejemplo, generadores eléctricos de aviones y turbinas eólicas ). [12]

Propiedades físicas

El neodimio metálico tiene un lustre metálico plateado brillante. [13] El neodimio existe comúnmente en dos formas alotrópicas , con una transformación de una estructura hexagonal doble a una cúbica centrada en el cuerpo que tiene lugar a aproximadamente 863 °C. [14] El neodimio, como la mayoría de los lantánidos, es paramagnético a temperatura ambiente. Se convierte en un antiferromagnético al enfriarse por debajo de los 20 K (−253,2 °C). [15] Por debajo de esta temperatura de transición, exhibe un conjunto de fases magnéticas complejas [16] [17] que tienen tiempos de relajación de espín largos y comportamiento de vidrio de espín . [18] El neodimio es un metal de tierras raras que estaba presente en el mischmetal clásico en una concentración de aproximadamente el 18%. Para hacer imanes de neodimio se alea con hierro , que es un ferroimán . [19]

Configuración electrónica

El neodimio es el cuarto miembro de la serie de los lantánidos . En la tabla periódica , aparece entre los lantánidos praseodimio a su izquierda y el elemento radiactivo prometio a su derecha, y por encima del actínido uranio . Sus 60 electrones están dispuestos en la configuración [Xe]4f 4 6s 2 , de los cuales los seis electrones 4f y 6s son de valencia . Como la mayoría de los otros metales de la serie de los lantánidos, el neodimio normalmente solo utiliza tres electrones como electrones de valencia, ya que después los electrones 4f restantes están fuertemente ligados: esto se debe a que los orbitales 4f penetran más a través del núcleo inerte de xenón de electrones hasta el núcleo, seguidos por 5d y 6s, y esto aumenta con una mayor carga iónica. El neodimio todavía puede perder un cuarto electrón porque aparece temprano en los lantánidos, donde la carga nuclear todavía es lo suficientemente baja y la energía de la subcapa 4f lo suficientemente alta como para permitir la eliminación de más electrones de valencia. [20]

Propiedades químicas

El neodimio tiene un punto de fusión de 1.024 °C (1.875 °F) y un punto de ebullición de 3.074 °C (5.565 °F). Al igual que otros lantánidos, normalmente tiene el estado de oxidación +3, pero también puede formarse en los estados de oxidación +2 y +4, e incluso, en condiciones muy raras, +0. [4] El neodimio metálico se oxida rápidamente en condiciones ambientales, [14] formando una capa de óxido como óxido de hierro que puede desprenderse y exponer el metal a una mayor oxidación; una muestra de neodimio del tamaño de un centímetro se corroe completamente en aproximadamente un año. El Nd 3+ es generalmente soluble en agua. Al igual que su vecino praseodimio , se quema fácilmente a unos 150 °C para formar óxido de neodimio (III) ; luego, el óxido se desprende, exponiendo el metal a granel a una mayor oxidación: [14]

4Nd + 3O2 → 2Nd2O3​

El neodimio es un elemento electropositivo y reacciona lentamente con agua fría o rápidamente con agua caliente para formar hidróxido de neodimio (III) : [21]

2Nd (s) + 6H 2 O (l) → 2Nd(OH) 3 (acuoso) + 3H 2 (g)

El metal neodimio reacciona vigorosamente con todos los halógenos estables : [21]

2Nd(s) + 3F2 ( g) → 2NdF3 ( s) [una sustancia violeta]
2Nd(s) + 3Cl2 ( g) → 2NdCl3 ( s) [una sustancia de color malva]
2Nd(s) + 3Br2 ( g) → 2NdBr3 ( s) [una sustancia violeta]
2Nd (s) + 3I 2 (g) → 2NdI 3 (s) [una sustancia verde]

El neodimio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen el ion Nd(III) de color lila . Estas soluciones existen como complejos [Nd(OH 2 ) 9 ] 3+ : [22]

2Nd (s) + 3H 2 SO 4 (ac) → 2Nd 3+ (ac) + 3SO2−4(ac) + 3H 2 (g)

Compuestos

Sulfato de neodimio (III)
Polvo de acetato de neodimio
Polvo de hidróxido de neodimio (III)

Algunos de los compuestos de neodimio más importantes incluyen:

Algunos compuestos de neodimio varían de color según diferentes tipos de iluminación. [23]

Compuestos de organoneodimio

Los compuestos de organoneodimio son compuestos que tienen un enlace neodimio-carbono. Estos compuestos son similares a los de los otros lantánidos , caracterizados por una incapacidad para experimentar enlaces π . Por lo tanto, se limitan principalmente a los ciclopentadienuros mayoritariamente iónicos (isoestructurales con los del lantano) y los alquilos y arilos simples con enlaces σ, algunos de los cuales pueden ser poliméricos . [24]

Isótopos

Isótopos del neodimio  ( 60 Nd)
Isótopos principales [8]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
142º​27,2%estable
143º​12,2%estable
144º​23,8%2,29 × 10 15  añosalfa140 d. C.
145º​8,3%estable
146º​17,2%estable
148º​5,80%estable
150º​5,60%9,3 × 10 18  años [8]β - β-​150 cm2
Peso atómico estándar A r °(Nd)
  • 144,242 ± 0,003 [25]
  • 144,24 ± 0,01  ( abreviado ) [2]

El neodimio ( 60 Nd) de origen natural se compone de cinco isótopos estables : 142 Nd, 143 Nd, 145 Nd, 146 Nd y 148 Nd, siendo el 142 Nd el más abundante (27,2 % de la abundancia natural ) y dos radioisótopos con vidas medias extremadamente largas, 144 Nd ( desintegración alfa con una vida media ( t 1/2 ) de 2,29×10 15 años) y 150 Nd ( doble desintegración beta , t 1/2 ≈ 7×10 18 años). En total, se han detectado 33 radioisótopos de neodimio hasta 2022 [actualizar], siendo los radioisótopos más estables los de origen natural: 144 Nd y 150 Nd. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a doce días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 70 segundos; el isótopo artificial más estable es el 147 Nd, con una vida media de 10,98 días.

El neodimio también tiene 13 isótopos metaestables conocidos , siendo los más estables el 139m Nd ( t 1/2  = 5,5 horas), el 135m Nd ( t 1/2  = 5,5 minutos) y el 133m1 Nd ( t 1/2 ~70 segundos). Los modos de desintegración primarios antes del isótopo estable más abundante, el 142 Nd, son la captura de electrones y la desintegración de positrones , y el modo primario después es la desintegración beta menos . Los productos de desintegración primarios antes del 142 Nd son los isótopos del elemento Pr ( praseodimio ), y los productos primarios después del 142 Nd son los isótopos del elemento Pm ( prometio ). [26] Cuatro de los cinco isótopos estables solo son estables observacionalmente, lo que significa que se espera que experimenten desintegración radiactiva. [27] Además, se predice que algunos isótopos observablemente estables del samario se desintegran en isótopos de neodimio. [27]

Los isótopos de neodimio se utilizan en diversas aplicaciones científicas. El 142 Nd se ha utilizado para la producción de isótopos de vida corta Tm e Yb . Se ha sugerido que el 146 Nd es útil para la producción de 147 Pm , que es una fuente de energía radiactiva. Se han utilizado varios isótopos de neodimio para la producción de otros isótopos de prometio. La desintegración del 147 Sm ( t 1/2  =1,06 × 10 11  y ) al 143 Nd estable permite la datación por samario-neodimio . [28] El 150 Nd también se ha utilizado para estudiar la desintegración beta doble . [29]

Historia

Carl Auer von Welsbach (1858-1929), quien descubrió el neodimio en 1885. [30]

En 1751, el mineralogista sueco Axel Fredrik Cronstedt descubrió un mineral pesado en la mina de Bastnäs , más tarde llamado cerita . Treinta años después, Wilhelm Hisinger , de quince años , miembro de la familia propietaria de la mina, envió una muestra a Carl Scheele , quien no encontró ningún elemento nuevo en su interior. En 1803, después de que Hisinger se convirtiera en un maestro del hierro, regresó al mineral con Jöns Jacob Berzelius y aisló un nuevo óxido, al que llamaron ceria en honor al planeta enano Ceres , que había sido descubierto dos años antes. [31] La ceria fue aislada simultánea e independientemente en Alemania por Martin Heinrich Klaproth . [32] Entre 1839 y 1843, el cirujano y químico sueco Carl Gustaf Mosander , que vivía en la misma casa que Berzelius, demostró que la ceria era una mezcla de óxidos; Separó otros dos óxidos, a los que llamó lantana y didimia . [33] [34] [35] Descompuso parcialmente una muestra de nitrato de cerio tostándola al aire y luego tratando el óxido resultante con ácido nítrico diluido . Los metales que formaron estos óxidos se denominaron lantano y didimio . [36] Más tarde se demostró que el didimio no era un solo elemento cuando Carl Auer von Welsbach lo dividió en dos elementos, praseodimio y neodimio, en Viena en 1885. [37] [38] Von Welsbach confirmó la separación mediante análisis espectroscópico , pero los productos eran de pureza relativamente baja. El neodimio puro se aisló por primera vez en 1925. El nombre neodimio se deriva de las palabras griegas neos (νέος), nuevo, y didymos (διδύμος), gemelo. [14] [39] [40]

La doble cristalización de nitrato fue el medio de purificación comercial de neodimio hasta la década de 1950. Lindsay Chemical Division fue la primera en comercializar la purificación de neodimio por intercambio iónico a gran escala. A partir de la década de 1950, el neodimio de alta pureza (>99%) se obtuvo principalmente a través de un proceso de intercambio iónico a partir de monacita , un mineral rico en elementos de tierras raras. [14] El metal se obtiene a través de la electrólisis de sus sales de haluro . Actualmente, la mayor parte del neodimio se extrae de la bastnäsita y se purifica mediante extracción con disolventes. La purificación por intercambio iónico se utiliza para las purezas más altas (normalmente >99,99%). Desde entonces, la tecnología del vidrio ha mejorado debido a la pureza mejorada del óxido de neodimio disponible comercialmente y al avance de la tecnología del vidrio en general. Los primeros métodos de separación de los lantánidos dependían de la cristalización fraccionada, que no permitió el aislamiento de neodimio de alta pureza hasta que se desarrollaron los métodos de intercambio iónico mencionados anteriormente después de la Segunda Guerra Mundial. [41]

Ocurrencia y producción

Aparición

Sitio de bastnä

El neodimio rara vez se encuentra en la naturaleza como elemento libre, sino que se encuentra en minerales como la monacita y la bastnäsita (que son grupos minerales en lugar de minerales individuales) que contienen pequeñas cantidades de todos los elementos de tierras raras. El neodimio rara vez predomina en estos minerales, con excepciones como la monacita-(Nd) y la kozoíta-(Nd). [42] Las principales áreas mineras se encuentran en China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia.

El ion Nd 3+ es similar en tamaño a los iones de los primeros lantánidos del grupo del cerio (aquellos desde el lantano hasta el samario y el europio ). Como resultado, tiende a ocurrir junto con ellos en minerales de fosfato , silicato y carbonato , como la monacita (M III PO 4 ) y la bastnäsita (M III CO 3 F), donde M se refiere a todos los metales de tierras raras excepto el escandio y el prometio radiactivo (principalmente Ce, La e Y, con algo menos de Pr y Nd). [43] La bastnäsita generalmente carece de torio y los lantánidos pesados, y la purificación de los lantánidos ligeros a partir de ella es menos compleja que a partir de la monacita. El mineral, después de ser triturado y molido, primero se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente, que libera dióxido de carbono, fluoruro de hidrógeno y tetrafluoruro de silicio . Luego, el producto se seca y se lixivia con agua, dejando los primeros iones lantánidos, incluido el lantano, en solución. [43] [ verificación fallida ]

Abundancias del Sistema Solar [44]

Número atómico		Elemento
Cantidad relativa
42Molibdeno2.771
47Plata0,590
50Estaño4.699
58Cerio1.205
59Praseodimio0,205
60Neodimio1
74Tungsteno0,054
90Torio0,054
92Uranio0,022

En el espacio

La abundancia de neodimio por partícula en el Sistema Solar es de 0,083 ppb (partes por mil millones). [44] [b] Esta cifra es aproximadamente dos tercios de la del platino , pero dos veces y media más que el mercurio, y casi cinco veces más que el oro. [44] Los lantánidos no suelen encontrarse en el espacio, y son mucho más abundantes en la corteza terrestre . [44] [45]

En la corteza terrestre

Un gráfico de líneas que generalmente desciende hacia su derecha.
El neodimio es un elemento bastante común en la corteza terrestre por ser un metal de tierras raras. La mayoría de los metales de tierras raras son menos abundantes.

El neodimio se clasifica como un litófilo según la clasificación de Goldschmidt , lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Aunque pertenece a los metales de tierras raras, el neodimio no es raro en absoluto. Su abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 41 mg/kg. [45] Su abundancia es similar a la del lantano .

Producción

La producción mundial de neodimio fue de unas 7.000 toneladas en 2004. [39] La mayor parte de la producción actual proviene de China. Históricamente, el gobierno chino impuso controles materiales estratégicos sobre el elemento, lo que provocó grandes fluctuaciones en los precios. [46] La incertidumbre de los precios y la disponibilidad han provocado que las empresas (en particular las japonesas) creen imanes permanentes y motores eléctricos asociados con menos metales de tierras raras; sin embargo, hasta ahora no han podido eliminar la necesidad de neodimio. [47] [48] Según el Servicio Geológico de Estados Unidos , Groenlandia posee las mayores reservas de depósitos de tierras raras sin explotar, en particular neodimio. Los intereses mineros chocan con las poblaciones nativas en esos sitios, debido a la liberación de sustancias radiactivas, principalmente torio , durante el proceso de minería. [49]

El neodimio representa típicamente entre el 10% y el 18% del contenido de tierras raras de los depósitos comerciales de los minerales de tierras raras ligeras bastnäsita y monacita. [14] Dado que los compuestos de neodimio son los más fuertemente coloreados para los lantánidos trivalentes, ocasionalmente puede dominar la coloración de los minerales de tierras raras cuando no hay cromóforos competidores. Por lo general, da una coloración rosa. Ejemplos destacados de esto incluyen cristales de monacita de los depósitos de estaño en Llallagua , Bolivia ; ancylita de Mont Saint-Hilaire , Quebec , Canadá ; o lanthanita de Lower Saucon Township, Pensilvania . Al igual que con los vidrios de neodimio, estos minerales cambian de color bajo las diferentes condiciones de iluminación. Las bandas de absorción del neodimio interactúan con el espectro de emisión visible del vapor de mercurio , y la luz ultravioleta de onda corta sin filtrar hace que los minerales que contienen neodimio reflejen un color verde distintivo. Esto se puede observar con arenas que contienen monacita o minerales que contienen bastnäsita. [50]

La demanda de recursos minerales, como elementos de tierras raras (incluido el neodimio) y otros materiales críticos, ha aumentado rápidamente debido a la creciente población humana y al desarrollo industrial. Recientemente, el requisito de una sociedad baja en carbono ha llevado a una demanda significativa de tecnologías de ahorro de energía, como baterías, motores de alta eficiencia, fuentes de energía renovables y celdas de combustible. Entre estas tecnologías, los imanes permanentes se utilizan a menudo para fabricar motores de alta eficiencia, siendo los imanes de neodimio-hierro-boro ( imanes sinterizados y unidos de Nd2Fe14B ; en adelante denominados imanes de NdFeB ) el principal tipo de imán permanente en el mercado desde su invención. [51] Los imanes de NdFeB se utilizan en vehículos eléctricos híbridos , vehículos eléctricos híbridos enchufables , vehículos eléctricos , vehículos de celdas de combustible , turbinas eólicas , electrodomésticos , computadoras y muchos pequeños dispositivos electrónicos de consumo. [52] Además, son indispensables para el ahorro de energía. Para alcanzar los objetivos del Acuerdo de París , se espera que la demanda de imanes de NdFeB aumente significativamente en el futuro. [52]

Aplicaciones

Imanes

Imán de neodimio en un soporte de mu-metal de un disco duro

Los imanes de neodimio (una aleación de Nd2Fe14B ) son los imanes permanentes más potentes que se conocen. Un imán de neodimio de unas pocas decenas de gramos puede levantar mil veces su propio peso y puede unirse con fuerza suficiente para romper huesos. Estos imanes son más baratos, ligeros y resistentes que los imanes de samario-cobalto . Sin embargo, no son superiores en todos los aspectos, ya que los imanes basados ​​en neodimio pierden su magnetismo a temperaturas más bajas [53] y tienden a corroerse, [54] mientras que los imanes de samario-cobalto no lo hacen. [55]

Los imanes de neodimio aparecen en productos como micrófonos , altavoces profesionales , auriculares , pastillas de guitarra y bajo y discos duros de ordenador en los que se requiere poca masa, pequeño volumen o campos magnéticos fuertes. El neodimio se utiliza en los motores eléctricos de automóviles híbridos y eléctricos [52] y en los generadores de electricidad de algunos diseños de turbinas eólicas comerciales (sólo las turbinas eólicas con generadores de "imanes permanentes" utilizan neodimio). [56] Por ejemplo, los motores eléctricos de accionamiento de cada Toyota Prius requieren un kilogramo (2,2 libras) de neodimio por vehículo. [12]

Vaso

Una bombilla de vidrio de neodimio , con la base y el revestimiento interior quitados, bajo dos tipos diferentes de luz: fluorescente a la izquierda e incandescente a la derecha.
Gafas de didimio

El vidrio de neodimio (Nd:vidrio) se produce mediante la inclusión de óxido de neodimio (Nd 2 O 3 ) en el vidrio fundido. A la luz del día o con luz incandescente , el vidrio de neodimio tiene un color lavanda, pero aparece azul pálido bajo una luz fluorescente . El neodimio se puede utilizar para dar color al vidrio en tonos que van desde el violeta puro hasta el rojo vino y el gris cálido. [57]

El primer uso comercial del neodimio purificado fue en la coloración del vidrio, a partir de los experimentos de Leo Moser en noviembre de 1927. El vidrio "alejandrita" resultante sigue siendo un color característico de la cristalería Moser hasta el día de hoy. El vidrio de neodimio fue ampliamente imitado a principios de la década de 1930 por las cristalerías estadounidenses, en particular Heisey, Fostoria ("glicina"), Cambridge ("heatherbloom") y Steuben ("glicina"), y en otros lugares (por ejemplo, Lalique, en Francia, o Murano). El "crepúsculo" de Tiffin se mantuvo en producción desde aproximadamente 1950 hasta 1980. [58] Las fuentes actuales incluyen fabricantes de vidrio en la República Checa, Estados Unidos y China. [59]

Las bandas de absorción nítidas del neodimio hacen que el color del vidrio cambie bajo diferentes condiciones de iluminación, siendo de color púrpura rojizo bajo la luz del día o la luz incandescente amarilla , azul bajo la luz fluorescente blanca y verdoso bajo la luz tricromática . En combinación con oro o selenio , se producen colores rojos. Dado que la coloración del neodimio depende de transiciones ff " prohibidas " en lo profundo del átomo, hay relativamente poca influencia en el color del entorno químico, por lo que el color es impermeable a la historia térmica del vidrio. Sin embargo, para obtener el mejor color, las impurezas que contienen hierro deben minimizarse en la sílice utilizada para hacer el vidrio. La misma naturaleza prohibida de las transiciones ff hace que los colorantes de tierras raras sean menos intensos que los proporcionados por la mayoría de los elementos de transición d, por lo que se debe usar más en un vidrio para lograr la intensidad de color deseada. La receta original de Moser usaba aproximadamente un 5% de óxido de neodimio en la masa fundida del vidrio, una cantidad suficiente para que Moser se refiriera a estos como vidrios "dopados con tierras raras". Al ser una base fuerte, ese nivel de neodimio habría afectado las propiedades de fusión del vidrio, y el contenido de cal del vidrio podría haber necesitado ajustes. [60]

La luz transmitida a través de vidrios de neodimio muestra bandas de absorción inusualmente nítidas ; el vidrio se utiliza en trabajos astronómicos para producir bandas nítidas con las que se pueden calibrar las líneas espectrales . [14] Otra aplicación es la creación de filtros astronómicos selectivos para reducir el efecto de la contaminación lumínica de la iluminación de sodio y fluorescente al tiempo que deja pasar otros colores, especialmente la emisión de hidrógeno-alfa rojo oscuro de las nebulosas. [61] El neodimio también se utiliza para eliminar el color verde causado por contaminantes de hierro del vidrio. [62]

Varilla láser Nd:YAG

El neodimio es un componente del " didimio " (que hace referencia a una mezcla de sales de neodimio y praseodimio ) que se utiliza para teñir el vidrio para fabricar gafas de soldadores y sopladores de vidrio; las bandas de absorción nítidas anulan la fuerte emisión de sodio a 589 nm. La absorción similar de la línea de emisión de mercurio amarillo a 578 nm es la causa principal del color azul observado en el vidrio de neodimio bajo la iluminación fluorescente blanca tradicional. El vidrio de neodimio y didimio se utiliza en filtros que mejoran el color en la fotografía de interiores, en particular para filtrar los tonos amarillos de la iluminación incandescente. De manera similar, el vidrio de neodimio se está utilizando ampliamente de forma más directa en las bombillas incandescentes . Estas lámparas contienen neodimio en el vidrio para filtrar la luz amarilla, lo que da como resultado una luz más blanca que se parece más a la luz solar. [63] Durante la Primera Guerra Mundial , se informó de que se utilizaron espejos de didimio para transmitir el código Morse a través de los campos de batalla. [64] De manera similar a su uso en vidrios, las sales de neodimio se utilizan como colorante para esmaltes . [14]

Láseres

Ciertos materiales transparentes con una pequeña concentración de iones de neodimio se pueden utilizar en láseres como medios de ganancia para longitudes de onda infrarrojas (1054–1064 nm), por ejemplo, Nd:YAG (granate de itrio y aluminio), Nd:YAP ( perovskita de itrio y aluminio ), [65] Nd:YLF (fluoruro de itrio y litio), Nd:YVO 4 (ortovanadato de itrio) y Nd:vidrio. Los cristales dopados con neodimio (normalmente Nd:YVO 4 ) generan rayos láser infrarrojos de alta potencia que se convierten en luz láser verde en láseres portátiles DPSS comerciales y punteros láser . [66]

Placas de vidrio dopado con neodimio utilizadas en láseres extremadamente potentes para fusión por confinamiento inercial .

El ion neodimio trivalente Nd 3+ fue el primer lantánido de tierras raras utilizado para la generación de radiación láser. El láser Nd:CaWO 4 se desarrolló en 1961. [67] Históricamente, fue el tercer láser que se puso en funcionamiento (el primero fue el de rubí, el segundo el láser U 3+ :CaF ). Con el paso de los años, el láser de neodimio se convirtió en uno de los láseres más utilizados para fines de aplicación. El éxito del ion Nd 3+ radica en la estructura de sus niveles de energía y en las propiedades espectroscópicas adecuadas para la generación de radiación láser. En 1964 Geusic et al. [68] demostraron el funcionamiento del ion neodimio en la matriz YAG Y 3 Al 5 O 12 . Es un láser de cuatro niveles con umbral inferior y con excelentes propiedades mecánicas y de temperatura. Para el bombeo óptico de este material es posible utilizar radiación de lámpara de destello no coherente o un haz de diodo coherente. [69]

Los iones de neodimio en varios tipos de cristales iónicos, y también en vidrios, actúan como un medio de ganancia láser, emitiendo típicamente luz de 1064 nm desde una transición atómica particular en el ion de neodimio, después de ser "bombeados" a la excitación desde una fuente externa.

El láser actual del Atomic Weapons Establishment (AWE) del Reino Unido, el láser de neodimio-vidrio de 1 teravatio HELEN (High Energy Laser Embodying Neodymium) , puede acceder a los puntos medios de las regiones de presión y temperatura y se utiliza para adquirir datos para modelar cómo interactúan la densidad, la temperatura y la presión dentro de las ojivas. HELEN puede crear plasmas de alrededor de 10 6 K , a partir de los cuales se miden la opacidad y la transmisión de la radiación. [70]

Los láseres de estado sólido de vidrio de neodimio se utilizan en sistemas de haces múltiples de potencia extremadamente alta (escala de teravatios ) y alta energía ( megajulios ) para la fusión por confinamiento inercial . Los láseres de vidrio de neodimio suelen triplicarse en frecuencia hasta el tercer armónico a 351 nm en dispositivos de fusión láser. [71]

Otro

Otras aplicaciones del neodimio incluyen:

  • El neodimio tiene una capacidad calorífica específica inusualmente grande a temperaturas de helio líquido, por lo que es útil en crioenfriadores . [72]
  • El acetato de neodimio se puede utilizar como agente de contraste estándar en microscopía electrónica (un sustituto del acetato de uranilo radiactivo y tóxico ). [73]
  • Probablemente debido a las similitudes con el Ca2 + , se ha informado [74] que el Nd3 + promueve el crecimiento de las plantas. Los compuestos de tierras raras se utilizan con frecuencia en China como fertilizantes . [75]
  • La datación por samario-neodimio es útil para determinar las relaciones de edad de las rocas [76] y los meteoritos. [77]
  • Los isótopos de neodimio registrados en sedimentos marinos se utilizan para reconstruir cambios en la circulación oceánica pasada. [78] [79]

Papel biológico y precauciones

Neodimio
Peligros
Etiquetado SGA :
GHS07: Signo de exclamación
Advertencia
H315 , H319 , H335
P261 , P305+P351+P338 [80]
NFPA 704 (rombo cortafuegos)
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
2
0
0
Compuesto químico

Se ha descubierto que los primeros lantánidos, incluido el neodimio, así como el lantano, el cerio y el praseodimio, son esenciales para algunas bacterias metanotróficas que viven en depósitos de lodo volcánico , como Methylacidiphilum fumariolicum . [81] [82] No se sabe que el neodimio tenga un papel biológico en ningún otro organismo. [83]

El polvo metálico de neodimio es combustible y, por lo tanto, presenta peligro de explosión. Los compuestos de neodimio, al igual que todos los metales de tierras raras, tienen una toxicidad baja a moderada; sin embargo, su toxicidad no se ha investigado a fondo. Las sales de neodimio ingeridas se consideran más tóxicas si son solubles que si son insolubles. [84] El polvo y las sales de neodimio son muy irritantes para los ojos y las membranas mucosas , y moderadamente irritantes para la piel. Respirar el polvo puede causar embolias pulmonares , y la exposición acumulada daña el hígado. El neodimio también actúa como anticoagulante , especialmente cuando se administra por vía intravenosa. [39]

Los imanes de neodimio se han probado para usos médicos, como aparatos ortopédicos magnéticos y reparación ósea, pero los problemas de biocompatibilidad han impedido su uso generalizado. [85] Los imanes de neodimio disponibles comercialmente son excepcionalmente fuertes y pueden atraerse entre sí desde grandes distancias. Si no se manipulan con cuidado, se juntan muy rápido y con fuerza, lo que provoca lesiones. Hay al menos un caso documentado de una persona que perdió la punta de un dedo cuando dos imanes que estaba usando chocaron desde una distancia de 50 cm. [86]

Otro riesgo de estos potentes imanes es que, si se ingieren más de uno, pueden pinchar los tejidos blandos del tracto gastrointestinal . Esto ha provocado unas 1.700 visitas a urgencias [87] y ha obligado a retirar del mercado la línea de juguetes Buckyballs , que eran juegos de construcción con pequeños imanes de neodimio. [87] [88]

Véase también

Notas

  1. ^ La expansión térmica es anisotrópica : los parámetros (a 20 °C) para cada eje del cristal son α a  = 4,8 × 10 −6 /K, α c  = 10,5 × 10 −6 /K, y α promedio = α V /3 = 6,7 × 10 −6 /K. [3]
  2. ^ Las abundancias en la fuente se enumeran en relación con el silicio en lugar de en notación por partícula. La suma de todos los elementos por cada 10 6 partes de silicio es 2,6682 × 1010 partes; el plomo comprende 3,258 partes.

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Bibliografía

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Busque neodimio en Wikcionario, el diccionario libre.
  • WebElements.com—Neodimio
  • Es elemental: el elemento neodimio
  • Neodimio en la tabla periódica de vídeos (Universidad de Nottingham)
  • EnvironmentalChemistry.com – Neodimio
  • Imágenes y más detalles sobre el metal Neodimio
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