Neodym


Neodym

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Neodym, Nd, 60
Serie Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block La, 6, f
Aussehen silbrigweiß, gelblicher Farbton
CAS-Nummer 7440-00-8
Massenanteil an der Erdhülle 22 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 144,24 u
Atomradius (berechnet) 185 (206) pm
Kovalenter Radius 201 pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 4f4 6s2
1. Ionisierungsenergie 533,1 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1040 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2130 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 7,003 g/cm3 (25 °C)[3]
Magnetismus paramagnetisch ($ \chi_{m} $ = 3,6 · 10−3)[4]
Schmelzpunkt 1297 K (1024 °C)
Siedepunkt 3303 K[5] (3030 °C)
Molares Volumen 20,59 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 289 kJ/mol[5]
Schmelzwärme 7,1 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 2330 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 190 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 1,56 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 17 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände 3 , 4
Normalpotential −2,32 V
(Nd3+ + 3 e → Nd)
Elektronegativität 1,14 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
142Nd

27,13 %

Stabil
143Nd

12,18 %

Stabil
144Nd

23,8 %

2,29 · 1015 a α 1,905 140Ce
145Nd

8,3 %

Stabil
146Nd

17,19 %

Stabil
147Nd

{syn.}

10,98 d β 0,896 147Pm
148Nd

5,76 %

Stabil
149Nd

{syn.}

1,728 h β 1,691 149Pm
150Nd

5,64 %

1,1 · 1019 a ββ 3,367 150Sm
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
143Nd 7/2 −1,457 · 107 5,45
145Nd 7/2 −0,898 · 107 3,36
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [6]
07 – Achtung

Achtung

H- und P-Sätze H: 315-319-335
P: 261-​305+351+338 [6]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [7][8]
Leichtentzündlich Reizend
Leicht-
entzündlich
Reizend
(F) (Xi)
R- und S-Sätze R: 11-36/37/38
S: 16-26-33-36/37/39
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Neodym (Nomenklaturempfehlung war zeitweise Neodymium) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Nd und der Ordnungszahl 60. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der seltenen Erden. Die Elementbezeichnung leitet sich von den griechischen Worten νέος neos ‚neu‘ und δίδυμος didymos ‚Zwilling‘ (als Zwilling von Lanthan) ab.

Das Metall wird vor allem für starke Magnete verwendet.

Geschichte

Neodym

Neodym wurde zusammen mit Praseodym 1885 durch Carl F. Auer von Welsbach aus dem von Carl Gustav Mosander entdeckten Didym isoliert. Reines metallisches Neodym wurde erst 1925 dargestellt.

Vorkommen

Neodym kommt in natürlicher Form nur in chemischen Verbindungen vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden, vorzugsweise Mineralien, vor:

Der wichtigste Lieferant mit 97 % der Weltproduktion ist China.[9] Das führt dort zu erheblichen Umweltproblemen. „Bei der Trennung des Neodyms vom geförderten Gestein entstehen giftige Abfallprodukte, außerdem wird radioaktives Uran und Thorium beim Abbauprozess freigesetzt. Diese Stoffe gelangen zumindest teilweise ins Grundwasser, kontaminieren so Fauna und Flora erheblich und werden für den Menschen als gesundheitsschädlich eingestuft“, berichtet das ARD-Fernsehmagazin Panorama.[10]
Weitere wirtschaftlich verwertbare Vorkommen finden sich in Australien.

Gewinnung und Herstellung

Nach einer aufwändigen Abtrennung der Neodymbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zu Neodym(III)-fluorid umgesetzt und anschließend mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zu Neodym reduziert. Calciumreste und Verunreinigungen trennt man in einer Umschmelzung im Vakuum ab. Die Herstellung durch Elektrolyse von Neodymhalogeniden wird heute selten angewandt.

Die chinesische Regierung hat angekündigt, schärfere Umweltauflagen einzuführen und stärker gegen illegale Minen vorzugehen. Anfang Juni 2011 scheint es zu einer ersten Umsetzung dieser Absicht gekommen zu sein. Laut Berichten der Financial Times erhält der staatseigene Produzent (Baotou Steel Rare Earth) das Monopol für den Abbau und die Aufbereitung der Seltenen Erden. 35 lizenzierte Betriebe werden geschlossen und entschädigt, neun weitere nicht lizenzierte Betriebe sollen geschlossen und nicht entschädigt werden.[11] Auch werden derzeit die Mountain Pass Mine in Kalifornien und die Mount Weld Mine in Australien reaktiviert. Beiden Minen werden vom Öko-Institut e. V. akzeptable Umweltschutzsysteme bescheinigt. Allerdings gibt es auch Vorhaben zum kombinierten Abbau Seltener Erden in Grönland, bei denen beabsichtigt ist, giftige Rückstände in Seen zu speichern.[12]

Eigenschaften

Kristallstruktur des Neodyms

Physikalische Eigenschaften

Das silbrigweiß glänzende Metall gehört zu den Lanthanoiden und Metallen der Seltenen Erden. Es ist an der Luft etwas korrosionsbeständiger als Europium, Lanthan, Cer oder Praseodym, bildet aber leicht eine rosaviolette Oxid-Schicht aus, welche an der Luft abblättern kann.

Chemische Eigenschaften

Bei hohen Temperaturen verbrennt Neodym zum Sesquioxid Nd2O3. Mit Wasser reagiert es unter Bildung von Wasserstoff zum Neodymhydroxid Nd(OH)3. Mit Wasserstoff setzt es sich zum Hydrid NdH2 um. Neben der Hauptwertigkeit/Oxidationszahl 3 kommen unter besonderen Bedingungen auch die Oxidationszahlen 2 und 4 vor.

Verwendung

  • Neodym-Eisen-Borverbindungen zur Herstellung stärkster Magnete. Sie werden genutzt für Kernspintomographen, Mikromotoren und Festplatten (Positionierung der Schreib-/Leseköpfe), Dauermagnet-Rotoren (z. B. Schritt- und Servomotoren, effiziente permanenterregte Gleichstrommaschinen z. B. in einigen Windkraftanlagentypen[13](rund einem Sechstel[12]), zum Antrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie als Modellbau-Antriebe), Linearmotoren für Positionierachsen, z. B. CNC-Maschinen, hochwertige Lautsprecher und Kopfhörer. Gegenüber den Samarium-Cobalt-Magneten sind sie stärker und wesentlich preiswerter, aber auch wesentlich empfindlicher gegen Hitze.
  • Neodymsalze zum Färben von Emaille
  • Blaue Porzellanfarbe
  • Neodym(III)-oxid zur Glasfärbung. Es erzeugt sehr warme violette bis weinrote und graue Töne. Solche Gläser besitzen scharfe Absorptionsbanden und werden in der Astronomie zum Kalibrieren benutzt.
  • Entfärben von eisenhaltigem Glas
  • UV-absorbierende Gläser (Sonnenschutzglas)
  • Bestandteil des industriell weitverbreiteten Neodym-YAG-Lasers
  • Neodymoxiddotiertes Bariumtitanat für Kondensator-Dielektrika
  • Wegen seiner pyrophoren Eigenschaften auch als Legierungspartner mit Cer in Feuersteinen
  • Zur Herstellung von Neodym-katalysiertem Polybutadienkautschuk (Nd-PBR)

Verbindungen

  • Neodym(III)-oxid Nd2O3
  • Neodym(III)-fluorid NdF3
  • Neodym(III)-chlorid NdCl3, wasserfrei
  • Neodym(III)-bromid NdBr3, wasserfrei, zwei Modifikationen
  • Neodym(II)-bromid NdBr2, nur wasserfrei
  • Neodym(II,III)-bromid Nd4Br9, nur wasserfrei
  • Neodym(III)-iodid NdI3, wasserfrei
  • Neodym(III)-nitrat Nd(NO3)3 · 6 H2O
  • Neodym(III)-sulfat Nd2(SO4)3 · 8 H2O
  • Neodym(III)-acetat Nd(C2H3O2)3

Sonstige Stoffe

Neodym-Eisen-Bor (Nd2Fe14B) ist derzeit der stärkste Werkstoff für Dauermagnete. Sie erreichen eine Remanenz von bis zu 1,4 Tesla. Die Koerzitivfeldstärke jHc schwankt im Bereich von 870 bis 2750 kA/m.

Einzelnachweise

  1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Neodym) entnommen.
  3. N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.
  4. Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  5. 5,0 5,1 Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  6. 6,0 6,1 Datenblatt Neodymium bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 14. April 2011.
  7. Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  8. Eintrag zu Neodym in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 28. April 2008 (JavaScript erforderlich).
  9. Spiegel Online, 10. April 2009: Das neue Gold
  10. Panorama-Sendung vom 28. April 2011: Das schmutzige Geheimnis sauberer Windräder
  11. Michelle Röttger: China säubert den Markt für Seltene Erden. Financial Times, 9. Juni 2011, S. 2, abgerufen am 26. Juni 2011 (Studie).
  12. 12,0 12,1 Mandy Schoßig: Seltene Erden – Daten & Fakten, Öko-Institut e. V., Berlin, Januar 2011.
  13. Ca. 2 t Neodymium werden für jede Windturbine benötigt: "Around two tonnes of neodymium are needed for each wind turbine"

Weblinks

 Commons: Neodym – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Wiktionary Wiktionary: Neodym – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen