Neodymium

Neodym ist ein chemisches Element mit dem Symbol Nd und der Ordnungszahl 60. Es steht an vierter Stelle in der Lanthanoiden-Reihe und gehört zu den Metallen der Seltenen Erden. Dieses harte, leicht verformbare Metall hat ein silbriges Aussehen, läuft aber an der Luft und bei Feuchtigkeit schnell an. Bei der Oxidation entstehen Verbindungen in den Farben Rosa, Violett-Blau und Gelb, fast immer in der Oxidationsstufe +3, obwohl es auch sehr seltene und reaktive Formen mit +2 und +4 gibt. Sein Spektrum gilt als eines der komplexesten unter den Elementen. Entdeckt wurde es 1885 vom österreichischen Chemiker Carl Auer von Welsbach (der auch Praseodym fand). Neodym kommt in der Natur nicht als reines Metall oder unvermischt mit anderen Lanthanoiden vor. Es kommt in bedeutenden Mengen in den Mineralien Monazit und Bastnäsit vor und ist in der Erdkruste etwa so häufig wie Kobalt, Nickel oder Kupfer. Das meiste kommerzielle Neodym wird, wie viele Metalle der Seltenen Erden, in China abgebaut. Neodym-Verbindungen wurden erstmals 1927 kommerziell als Glasfarbstoffe eingesetzt und sind bis heute beliebt. Die Farbe, typischerweise rötlich-violett, stammt vom Nd³⁺-Ion und ändert sich unter verschiedenen Lichtverhältnissen aufgrund der Wechselwirkungen zwischen den scharfen Absorptionsbanden des Neodyms und dem Umgebungslicht, das mit Emissionsbanden von Quecksilber, Europium oder Terbium angereichert ist. Neodym-dotierte Gläser werden in Lasern verwendet, die Infrarotlicht zwischen 1046 und 1062 Nanometern emittieren, und kommen in Hochleistungsanwendungen wie der Trägheitsfusion zum Einsatz. Es kommt auch in anderen Kristallsubstraten vor, wie z. B. Yttrium-Aluminium-Granat in Nd:YAG-Lasern. Neodym-Legierungen ergeben hochfeste Permanentmagnete, die häufig in Mikrofonen, professionellen Lautsprechern, In-Ear-Kopfhörern, leistungsstarken Hobby-Gleichstrommotoren und Computerfestplatten verwendet werden, wo eine geringe Magnetmasse oder starke Felder erforderlich sind. Größere Neodym-Magnete treiben Elektromotoren mit hohem Leistungs-Gewichts-Verhältnis an, wie z. B. in Hybridautos, sowie Generatoren in Flugzeugen und Windkraftanlagen. Metallisches Neodym hat einen hellen, silbrigen Glanz. Es kommt häufig in zwei allotropen Formen vor, die bei etwa 863 °C von einer doppelt hexagonalen in eine kubisch-raumzentrierte Struktur übergehen. Wie die meisten Lanthanoide ist es bei Raumtemperatur paramagnetisch und wird unterhalb von 20 K (−253,2 °C) antiferromagnetisch. Darunter zeigt es komplexe magnetische Phasen mit langen Spinrelaxationszeiten und Spinglas-Verhalten. Neodym machte etwa 18 % des klassischen Mischmetalls aus. Für Magnete wird es mit Eisen, einem Ferromagneten, legiert. Als vierter Lanthanoid steht Neodym zwischen Praseodym und dem radioaktiven Promethium, oberhalb von Uran. Seine 60 Elektronen sind als [Xe]4f⁴6s² angeordnet, mit sechs Valenzelektronen aus den 4f- und 6s-Orbitalen. Wie die meisten Lanthanoide verwendet es typischerweise nur drei Valenzelektronen, da die verbleibenden 4f-Elektronen fest gebunden sind – die 4f-Orbitale durchdringen die Xenon-Schale am tiefsten, gefolgt von 5d und 6s, wobei die Bindung bei höherer Ionenladung zunimmt. Neodym kann ein viertes Elektron abgeben, da es früh in den Lanthanoiden vorkommt, wo die Kernladung niedrig genug und die Energie des 4f-Unterniveaus hoch genug ist. Neodym schmilzt bei 1.024 °C und siedet bei 3.074 °C. Seine übliche Oxidationsstufe ist +3, aber es existieren auch Formen mit +2 und +4, und sehr selten +0. Das Metall oxidiert bei Raumtemperatur schnell und bildet eine abblätternde Oxidschicht ähnlich wie Eisenrost; eine zentimetergroße Probe korrodiert innerhalb von etwa einem Jahr vollständig. Nd³⁺ ist im Allgemeinen wasserlöslich. Wie Praseodym verbrennt es leicht bei etwa 150 °C zu Neodym(III)-oxid, das abblättert und mehr Metall freilegt: 4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃. Es ist elektropositiv, reagiert langsam mit kaltem Wasser und schnell mit heißem Wasser zu Neodym(III)-hydroxid: 2 Nd(s) + 6 H₂O(l) → 2 Nd(OH)₃(aq) + 3 H₂(g). Es reagiert heftig mit allen stabilen Halogenen: mit Fluor zu violettem NdF₃, mit Chlor zu mauvefarbenem NdCl₃, mit Brom zu violettem NdBr₃ und mit Iod zu grünem NdI₃. Es löst sich leicht in verdünnter Schwefelsäure und bildet lilafarbene Nd(III)-Ionen als [Nd(H₂O)₉]³⁺-Komplexe: 2 Nd(s) + 3 H₂SO₄(aq) → 2 Nd³⁺(aq) + 3 SO₄²⁻(aq) + 3 H₂(g). Wichtige Neodym-Verbindungen sind Halogenide (NdF₃, NdCl₂, NdCl₃, NdBr₃, NdI₂, NdI₃), das Oxid Nd₂O₃, das Hydroxid Nd(OH)₃, das Carbonat Nd₂(CO₃)₃, das Sulfat Nd₂(SO₄)₃, das Acetat Nd(CH₃COO)₃ und Neodym-Magnete (Nd₂Fe₁₄B). Einige Verbindungen ändern ihre Farbe unter verschiedenen Lichtverhältnissen. Diese enthalten eine Neodym-Kohlenstoff-Bindung und ähneln anderen metallorganischen Lanthanoid-Verbindungen, die sich durch die Unfähigkeit auszeichnen, bestimmte Reaktionen einzugehen.