Neodymium

Il neodimio è un elemento chimico con simbolo Nd e numero atomico 60. Occupa il quarto posto nella serie dei lantanidi e appartiene ai metalli delle terre rare. Questo metallo duro, leggermente malleabile, ha un aspetto argenteo ma sviluppa rapidamente una patina quando esposto all'aria e all'umidità. Quando si ossida, produce composti di colore rosa, viola-blu e giallo, quasi sempre nello stato di ossidazione +3, sebbene esistano forme +2 e +4 molto rare e reattive. Il suo spettro è considerato uno dei più complessi tra gli elementi. Scoperto nel 1885 dal chimico austriaco Carl Auer von Welsbach (che scoprì anche il praseodimio), il neodimio non si trova in natura come metallo puro o non mescolato con altri lantanidi. È presente in quantità significative nei minerali monazite e bastnasite, ed è circa comune nella crosta terrestre quanto il cobalto, il nichel o il rame. La maggior parte del neodimio commerciale viene estratto in Cina, come molti metalli delle terre rare. I composti del neodimio trovarono il primo uso commerciale come coloranti per vetro nel 1927 e rimangono popolari. Il colore, tipicamente rosso-violaceo, deriva dallo ione Nd³⁺ e cambia sotto diverse illuminazioni a causa delle interazioni tra le strette bande di assorbimento del neodimio e la luce ambientale arricchita con bande di emissione di mercurio, europio o terbio. I vetri drogati al neodimio sono utilizzati nei laser che emettono luce infrarossa tra 1046 e 1062 nanometri, impiegati in applicazioni ad alta potenza come la fusione a confinamento inerziale. Appare anche in altri substrati cristallini, come il granato di ittrio e alluminio nei laser Nd:YAG. Le leghe di neodimio producono magneti permanenti ad alta resistenza, ampiamente utilizzati in microfoni, altoparlanti professionali, cuffie intrauricolari, motori DC per hobbistica ad alte prestazioni e dischi rigidi dei computer dove sono necessari bassa massa magnetica o campi forti. Magneti al neodimio più grandi alimentano motori elettrici con elevati rapporti potenza-peso, come nelle auto ibride, e generatori in aeromobili e turbine eoliche. Il neodimio metallico ha una lucentezza argentea e brillante. Esiste comunemente in due forme allotropiche, passando da doppia esagonale a cubica a corpo centrato a circa 863 °C. Come la maggior parte dei lantanidi, è paramagnetico a temperatura ambiente, diventando antiferromagnetico al di sotto di 20 K (−253,2 °C). Al di sotto di questa temperatura, mostra fasi magnetiche complesse con lunghi tempi di rilassamento di spin e comportamento da vetro di spin. Il neodimio costituiva circa il 18% della classica mischmetal. Per i magneti, viene legato con il ferro, un ferromagnete. Come quarto lantanide, il neodimio si trova tra praseodimio e il radioattivo promezio, sopra l'uranio. I suoi 60 elettroni sono disposti come [Xe]4f⁴6s², con sei elettroni di valenza dagli orbitali 4f e 6s. Come la maggior parte dei lantanidi, utilizza tipicamente solo tre elettroni di valenza perché i rimanenti elettroni 4f sono strettamente legati: gli orbitali 4f penetrano più profondamente nel nocciolo di xeno, seguiti da 5d e 6s, con un legame crescente a carica ionica più elevata. Il neodimio può perdere un quarto elettrone perché appare all'inizio dei lantanidi, dove la carica nucleare è sufficientemente bassa e l'energia del sottolivello 4f sufficientemente alta. Il neodimio fonde a 1.024 °C e bolle a 3.074 °C. Il suo stato di ossidazione usuale è +3, ma esistono forme +2 e +4, e molto raramente +0. Il metallo si ossida rapidamente a temperatura ambiente, formando uno strato di ossido squamoso come la ruggine del ferro; un campione di dimensioni centimetriche si corrode completamente in circa un anno. Nd³⁺ è generalmente solubile in acqua. Come il praseodimio, brucia prontamente a circa 150 °C per formare ossido di neodimio(III), che si sfalda ed espone più metallo: 4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃. È elettropositivo, reagendo lentamente con acqua fredda e rapidamente con acqua calda per formare idrossido di neodimio(III): 2 Nd(s) + 6 H₂O(l) → 2 Nd(OH)₃(aq) + 3 H₂(g). Reagisce vigorosamente con tutti gli alogeni stabili: con fluoro per dare NdF₃ viola, cloro per NdCl₃ malva, bromo per NdBr₃ viola e iodio per NdI₃ verde. Si dissolve prontamente in acido solforico diluito, producendo ioni Nd(III) lilla come complessi [Nd(H₂O)₉]³⁺: 2 Nd(s) + 3 H₂SO₄(aq) → 2 Nd³⁺(aq) + 3 SO₄²⁻(aq) + 3 H₂(g). I composti importanti del neodimio includono alogenuri (NdF₃, NdCl₂, NdCl₃, NdBr₃, NdI₂, NdI₃), ossido Nd₂O₃, idrossido Nd(OH)₃, carbonato Nd₂(CO₃)₃, solfato Nd₂(SO₄)₃, acetato Nd(CH₃COO)₃ e magneti al neodimio (Nd₂Fe₁₄B). Alcuni composti cambiano colore sotto diverse illuminazioni. Questi contengono un legame neodimio-carbonio e assomigliano ad altri composti organometallici dei lantanidi, caratterizzati dall'incapacità di subire certe reazioni.