化学元素
钕(Neodymium),元素符号Nd,原子序数为60,镧系元素之一,单质为银白色金属,是最活泼的稀土金属之一,熔点1024°C,密度7.004g/cm3,有顺磁性。在空气中能迅速变暗,生成氧化物;在冷水中缓慢反应,在热水中反应迅速。掺钕的钇铝石榴石和钕玻璃可代替红宝石做激光材料,钕和玻璃可做护目镜。钕在稀土领域中扮演着重要角色。
发现简史
发现人
冯·韦尔塞巴赫
发现的年代
1885年
发现过程
1839年瑞典人莫桑得尔(C.G.Mosander)发现了镧和镨钕混合物(didymium)。
这之后,各国化学家特别注意从已发现的稀土元素去分离新的元素。
1885年奥地利人韦尔塞巴赫(A.V.Welsbach)从莫桑得尔认为是“新元素”的镨钕混合物中发现了镨和钕。其中一种被命名为neodidymium,后来被简化为neodymium,元素符号Nd,就是钕元素。
钕、、钆、钐都是从当时被认为是一种稀土元素didymium中分离出来的。由于它们的发现,didymium不再被保留。而正是它们的发现打开了发现稀土元素的第三道大门,是发现稀土元素的第三阶段。但这仅是完成了第三阶段的一半工作。确切的将应该是打开了铈的大门或完成了铈的分离,另一半就将是打开钇的大门或是完成钇的分离。
理化性质
物理性质
因为钕离子的吸收谱线比较特殊,在不同光源下有不同颜色,荧光灯下从(左到右的是硫酸钕,硝酸钕和氯化钕)
化学性质
Nd原子的电子排布为[Xe]4f46s2。轨道的能量和空间伸展范围当核电荷增加超过57时都会突然地减小。举例来说,一个4f电子与核的结合能从La的-0.95eV降至Nd的-5eV。于是La原子的轨道仍然空着,并采取了5d16s2的基态构型,到Nd时轨已的能量已低于5d,因而采取了6的基态构型4f46s2。Nd除了可以形成常规的+3价化合物外,还可以形成少数+4价的固相化合物,例如立方晶系的Cs2RbNdF7(a=9.748Å)。虽然Nd(IV)的简单氟化物尚未制得过,但是在150—350℃时把Cs3NdF6、Cs3LnCl6或Cs3Ln(SO4)3进行氟化,可得到桔红色的Cs3NdF7。根据对有关化合物的磁矩的测量表明其中的Nd不是100%处于四价状态,其中一部分仍为三价。
金属钕在空气中会慢慢失去光泽。钕可以在空气中迅速燃烧,生成氧化钕(Ⅲ)(Nd2O3)。
银白色的金属钕的电负性相当低,能与冷水发生反应,并与热水迅速反应,生成氢氧化钕和氢气。
金属钕可以与所有的卤素单质发生反应生成三卤化物。金属钕可与氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴单质(Br2)、碘单质(I2)反应生成氟化钕(Ⅲ)(NdF3)、氯化钕(Ⅲ)(NdCl3)、溴化钕(Ⅲ)(NdBr3)和碘化钕(Ⅲ)(NdI3)。
金属钕可以迅速溶于硫酸中,生成含有水合Nd(Ⅲ)离子的绿色溶液和氢气(H2)。Nd3+(aq)极有可能是以配离子Nd(H2O)93+的形式存在的。
化合物
氧化钕,Nd2O3,分子量336.40,为淡紫色固体粉末,易受潮、吸收空气中二氧化碳,不溶于水,能溶于无机酸。相对密度7.24。熔点约1900℃,在空气中加热能部分生成钕的高价氧化物。用于制取永磁材料、玻璃、陶瓷的着色剂和激光材料。在镁或铝合金中添加1.5%~2.5%纳米氧化钕,可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性,广泛用作航空航天材料。另外,掺纳米氧化钕的纳米氧化钇铝石榴石产生短波激光束,在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上,掺纳米氧化钕的纳米氧化钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。纳米氧化钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品和添加剂。
制备方法
把钕同其他元素分离,并得到纯净的金属钕比较困难。这在很大程度上取决于它在自然界中的存在形式。在自然界中有多种稀土矿,其中以磷钇矿独居石氟碳铈矿最为重要;前两种矿物都是正磷酸盐矿LnPO4(Ln表示镧系元素),而氟碳铈矿则是由氟化物和碳酸盐形成的复盐矿LnCO3F。原子序数为偶数的镧系元素比较常见。上述矿物中最常见的镧系元素主要依次为铈、镧、钕和镨,独居石中还含有锕系元素)和钇。钍及其衰变产物有放射性,这使得它变得更加难以处理。
在很多时候并不需要把各种金属都分离开,但是如果需要那么做,其过程会非常复杂。分离时,用硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)和氢氧化钠(NaOH)把稀土金属以盐的形式浸取出来。分离纯化这些盐时,常用的方法包括选择性配位技术、萃取技术和离子交换树脂。
用金属钙还原NdF3,可以得到纯净的钕。
该反应也可以用其他卤化钕,但在所选用的反应条件下(在氩气中加热至高于金属熔点50℃),生成的氟化钙会比其他卤化钙更易于处理。可在真空条件下把过量的钙从反应混合物中除去。
电解法也可以制得钕。在100mL镍坩埚中使Nd2O3熔于KOH中。镍坩埚置于300W的电炉中,用一支装金属箍头的玻璃温度计测量温度,粗的铂丝作为阳极稍稍浸入熔融物的液面下,坩埚作为阴极,电压4V。340℃下电解0~5h产生细小的黑色沉淀,350~380℃下继续电解得到稍大的固体,停止电解进行第三次加热得到良好晶型的产物。
应用领域
钕铁硼磁铁(Nd2Fe14B)是一种永磁材料,被认为是世界上最强的磁铁之一。钕铁硼磁铁被广泛用于硬盘手机等电子产品和汽车工业中。例如,硬盘中使用钕铁硼磁铁,可以大幅提升硬盘的数据存储密度;电机中使用钕铁硼磁铁,在不牺牲输出功率的前提下可以将电机的质量和体积同时减小约30%。
在玻璃熔体中添加氧化钕(Nd2O3)可以制备得到钕玻璃。在日光照射下,钕玻璃会呈现出薰衣草色;在荧光灯照射下,钕玻璃则呈现出淡蓝色。
钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5—2.5%钕,可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性,广泛用作航空航天材料。另外,掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束,在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上,掺钕钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全信息
信息:
包装等级:III
风险类别:8
海关代码:2805301100
WGK_Germany:3
德国有关水污染物质的分类清单
危险类别码:R11
安全说明:S16-S26-S33-S36/37/39-S43
RTECS号:QO8575000
安全标志:S16:远离火源。
S26:万一接触眼睛,立即使用大量清水冲洗并送医诊治。
S33:采取防护措施防止静电发生。
S43:灭火时使用...(某种合适的灭火装置名称)。:
危险标志:Xi:Irritant;
危害
钕对眼睛和黏膜有很强的刺激性,对皮肤有中度刺激性,吸入还可导致肺栓塞和肝损害。
保护措施
2024年6月,公布《稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。
参考资料
.化源网.
最新修订时间:2024-12-26 17:36
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