Neodymium

Le néodyme est un élément chimique de symbole Nd et de numéro atomique 60. Il occupe la quatrième place dans la série des lanthanides et appartient aux métaux des terres rares. Ce métal dur, légèrement malléable, a un aspect argenté mais se ternit rapidement lorsqu'il est exposé à l'air et à l'humidité. Lorsqu'il s'oxyde, il produit des composés de couleur rose, bleu-violet et jaune, presque toujours à l'état d'oxydation +3, bien que des formes +2 et +4 très rares et réactives existent. Son spectre est considéré comme l'un des plus complexes parmi les éléments. Découvert en 1885 par le chimiste autrichien Carl Auer von Welsbach (qui a également découvert le praséodyme), le néodyme n'est pas présent à l'état naturel sous forme de métal pur ou non mélangé à d'autres lanthanides. On le trouve en quantités importantes dans les minéraux monazite et bastnäsite, et il est à peu près aussi courant dans la croûte terrestre que le cobalt, le nickel ou le cuivre. La majeure partie du néodyme commercial est extraite en Chine, comme de nombreux métaux des terres rares. Les composés du néodyme ont été utilisés pour la première fois commercialement comme colorants pour le verre en 1927 et restent populaires. La couleur, généralement rouge violacé, provient de l'ion Nd³⁺ et change sous différents éclairages en raison des interactions entre les bandes d'absorption étroites du néodyme et la lumière ambiante enrichie en bandes d'émission du mercure, de l'europium ou du terbium. Les verres dopés au néodyme sont utilisés dans les lasers émettant une lumière infrarouge entre 1046 et 1062 nanomètres, employés dans des applications de haute puissance comme la fusion par confinement inertiel. Il apparaît également dans d'autres substrats cristallins, comme le grenat d'yttrium et d'aluminium dans les lasers Nd:YAG. Les alliages de néodyme produisent des aimants permanents de haute intensité, largement utilisés dans les microphones, les haut-parleurs professionnels, les écouteurs intra-auriculaires, les moteurs à courant continu de loisir haute performance et les disques durs d'ordinateur où une faible masse magnétique ou des champs puissants sont nécessaires. Les aimants en néodyme plus grands alimentent les moteurs électriques avec des rapports puissance/poids élevés, comme dans les voitures hybrides, et les générateurs dans les avions et les éoliennes. Le néodyme métallique a un éclat argenté brillant. Il existe couramment sous deux formes allotropiques, passant d'une structure hexagonale double à une structure cubique centrée à environ 863 °C. Comme la plupart des lanthanides, il est paramagnétique à température ambiante, devenant antiferromagnétique en dessous de 20 K (−253,2 °C). En dessous de cette température, il présente des phases magnétiques complexes avec de longs temps de relaxation de spin et un comportement de verre de spin. Le néodyme constituait environ 18 % du mischmetal classique. Pour les aimants, il est allié au fer, un ferromagnétique. En tant que quatrième lanthanide, le néodyme se situe entre le praséodyme et le prométhium radioactif, au-dessus de l'uranium. Ses 60 électrons sont disposés comme [Xe]4f⁴6s², avec six électrons de valence provenant des orbitales 4f et 6s. Comme la plupart des lanthanides, il n'utilise généralement que trois électrons de valence car les électrons 4f restants sont étroitement liés — les orbitales 4f pénètrent le plus profondément dans le cœur du xénon, suivies par 5d et 6s, la liaison augmentant avec une charge ionique plus élevée. Le néodyme peut perdre un quatrième électron car il apparaît tôt dans les lanthanides, où la charge nucléaire est suffisamment faible et l'énergie de la sous-couche 4f suffisamment élevée. Le néodyme fond à 1 024 °C et bout à 3 074 °C. Son état d'oxydation habituel est +3, mais des formes +2 et +4 existent, et très rarement +0. Le métal s'oxyde rapidement à température ambiante, formant une couche d'oxyde qui s'écaille comme la rouille du fer ; un échantillon d'un centimètre se corrode complètement en environ un an. Nd³⁺ est généralement soluble dans l'eau. Comme le praséodyme, il brûle facilement à environ 150 °C pour former de l'oxyde de néodyme(III), qui se détache et expose plus de métal : 4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃. Il est électropositif, réagissant lentement avec l'eau froide et rapidement avec l'eau chaude pour former de l'hydroxyde de néodyme(III) : 2 Nd(s) + 6 H₂O(l) → 2 Nd(OH)₃(aq) + 3 H₂(g). Il réagit vigoureusement avec tous les halogènes stables : avec le fluor pour donner du NdF₃ violet, avec le chlore pour donner du NdCl₃ mauve, avec le brome pour donner du NdBr₃ violet, et avec l'iode pour donner du NdI₃ vert. Il se dissout facilement dans l'acide sulfurique dilué, produisant des ions Nd(III) lilas sous forme de complexes [Nd(H₂O)₉]³⁺ : 2 Nd(s) + 3 H₂SO₄(aq) → 2 Nd³⁺(aq) + 3 SO₄²⁻(aq) + 3 H₂(g). Les composés importants du néodyme comprennent les halogénures (NdF₃, NdCl₂, NdCl₃, NdBr₃, NdI₂, NdI₃), l'oxyde Nd₂O₃, l'hydroxyde Nd(OH)₃, le carbonate Nd₂(CO₃)₃, le sulfate Nd₂(SO₄)₃, l'acétate Nd(CH₃COO)₃ et les aimants en néodyme (Nd₂Fe₁₄B). Certains composés changent de couleur sous différents éclairages. Ceux-ci contiennent une liaison néodyme-carbone et ressemblent à d'autres composés organométalliques de lanthanides, caractérisés par une incapacité à subir certaines réactions.