Neodymium

Неодим — химический элемент с символом Nd и атомным номером 60. Он занимает четвёртое место в ряду лантаноидов и относится к редкоземельным металлам. Этот твёрдый, слегка ковкий металл имеет серебристый цвет, но быстро тускнеет при контакте с воздухом и влагой. При окислении он образует соединения розового, сине-фиолетового и жёлтого цветов, почти всегда в степени окисления +3, хотя существуют и очень редкие реакционноспособные формы +2 и +4. Его спектр считается одним из самых сложных среди элементов. Открытый в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом (который также открыл празеодим), неодим не встречается в природе в виде чистого металла или в несмешанном виде с другими лантаноидами. Он содержится в значительных количествах в минералах монаците и бастнезите и распространён в земной коре примерно так же, как кобальт, никель или медь. Большая часть коммерческого неодима добывается в Китае, как и многие редкоземельные металлы. Соединения неодима впервые нашли коммерческое применение в качестве красителей для стекла в 1927 году и остаются популярными до сих пор. Цвет, как правило, красновато-фиолетовый, обусловлен ионом Nd³⁺ и меняется при разном освещении из-за взаимодействия между резкими полосами поглощения неодима и окружающим светом, обогащённым эмиссионными полосами ртути, европия или тербия. Стекла, легированные неодимом, используются в лазерах, излучающих инфракрасный свет в диапазоне от 1046 до 1062 нанометров, применяемых в мощных установках, таких как инерциальный термоядерный синтез. Он также используется в других кристаллических подложках, например, в иттрий-алюминиевом гранате в лазерах Nd:YAG. Сплавы неодима дают высокопрочные постоянные магниты, широко используемые в микрофонах, профессиональных громкоговорителях, внутриканальных наушниках, высокопроизводительных любительских электродвигателях постоянного тока и компьютерных жёстких дисках, где требуется малая масса магнита или сильные поля. Более крупные неодимовые магниты питают электродвигатели с высоким отношением мощности к весу, например, в гибридных автомобилях, а также генераторы в самолётах и ветряных турбинах. Металлический неодим имеет яркий серебристый блеск. Обычно он существует в двух аллотропных формах, переходя от двойной гексагональной к объёмно-центрированной кубической при температуре около 863 °C. Как и большинство лантаноидов, он парамагнитен при комнатной температуре, становясь антиферромагнитным ниже 20 K (−253,2 °C). Ниже этой температуры он демонстрирует сложные магнитные фазы с большим временем спиновой релаксации и спиновым стеклообразным поведением. Неодим составлял около 18% классического мишметалла. Для магнитов его сплавляют с железом, ферромагнетиком. Будучи четвёртым лантаноидом, неодим находится между празеодимом и радиоактивным прометием, над ураном. Его 60 электронов расположены как [Xe]4f⁴6s², с шестью валентными электронами с 4f- и 6s-орбиталей. Как и большинство лантаноидов, он обычно использует только три валентных электрона, поскольку остальные 4f-электроны прочно связаны — 4f-орбитали проникают в ксеноновое ядро наиболее глубоко, за ними следуют 5d и 6s, причём связывание усиливается с увеличением ионного заряда. Неодим может потерять четвёртый электрон, поскольку он находится в начале ряда лантаноидов, где заряд ядра достаточно низок, а энергия 4f-подуровня достаточно высока. Неодим плавится при 1024 °C и кипит при 3074 °C. Его обычная степень окисления +3, но существуют формы +2 и +4, и очень редко +0. Металл быстро окисляется при комнатной температуре, образуя отслаивающийся оксидный слой, подобный ржавчине железа; образец размером в сантиметр полностью корродирует примерно за год. Nd³⁺ обычно растворим в воде. Как и празеодим, он легко воспламеняется при температуре около 150 °C с образованием оксида неодима(III), который отслаивается и обнажает больше металла: 4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂O₃. Он электроположителен, медленно реагирует с холодной водой и быстро с горячей водой с образованием гидроксида неодима(III): 2 Nd(тв) + 6 H₂O(ж) → 2 Nd(OH)₃(водн) + 3 H₂(г). Он энергично реагирует со всеми стабильными галогенами: с фтором с образованием фиолетового NdF₃, с хлором — сиреневого NdCl₃, с бромом — фиолетового NdBr₃ и с йодом — зелёного NdI₃. Он легко растворяется в разбавленной серной кислоте, образуя сиреневые ионы Nd(III) в виде комплексов [Nd(H₂O)₉]³⁺: 2 Nd(тв) + 3 H₂SO₄(водн) → 2 Nd³⁺(водн) + 3 SO₄²⁻(водн) + 3 H₂(г). Важные соединения неодима включают галогениды (NdF₃, NdCl₂, NdCl₃, NdBr₃, NdI₂, NdI₃), оксид Nd₂O₃, гидроксид Nd(OH)₃, карбонат Nd₂(CO₃)₃, сульфат Nd₂(SO₄)₃, ацетат Nd(CH₃COO)₃ и неодимовые магниты (Nd₂Fe₁₄B). Некоторые соединения меняют цвет при разном освещении. Они содержат связь неодим–углерод и напоминают другие металлоорганические соединения лантаноидов, характеризуясь неспособностью к определённым реакциям.