60, Neodym (Nd)

gr. neo = neu, didymos = Zwilling, neuer Zwilling

Das Element Neodym:

         
   
  Pr Nd Pm  
  Pa U Np  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Neodym (Nukleosynthese): Neodym entsteht infolge nukleosynthetischer Prozesse in Roten Riesen (s-Prozesse) und nach Supernova-Explosionen (r-Prozesse). Es entsteht dabei mit 5 stabilen und 2 sehr langlebigen Isotopen. Dabei werden alle Kerne mit Ausnahme von Nd-142 sowohl per s- als auch per r-Prozess gebildet. Nd-142 kann nur mittels s-Prozess entstehen, da ein r-Prozess bei 142 Nukleonen nur bis zum Ce-142 führt. Das häufigste Isotop ist Nd-142 (27,13%), gefolgt von Nd-144 (23,8%, radioaktiv), Nd-146 (17,19%), Nd-143 (12,18%), Nd-145 (8,3%), Nd-148 (5,76%) und Nd-150 (5,64%, radioaktiv). Ein nicht unwesentlicher Anteil des Neodym-142 ist durch Alpha-Zerfall des primordial häufig gebildeten, aber radioaktiven Nuklids Samarium-146 entstanden.

Die Neodym-Synthese:
142Nd-Synthese:
(s-Prozess, Radiogenese)

141Pr + n → 142Nd + β- + 8,01 MeV

146Sm → 142Nd + α + 2,53 MeV
(T½ = 68 Mio. Jahre)

143Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

142Nd + n → 143Nd + 6,12 MeV

56Fe + 87n → 143Nd + 34 β- + 726 MeV

144Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

143Nd + n → 144Nd + 7,82 MeV

56Fe + 88n → 144Nd + 34 β- + 733 MeV

145Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

144Nd + n → 145Nd + 5,76 MeV

56Fe + 89n → 145Nd + 34 β- + 739 MeV

146Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

145Nd + n → 146Nd + 7,57 MeV

56Fe + 90n → 146Nd + 34 β- + 747 MeV

148Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

146Nd + 2n → 148Nd + 12,63 MeV

56Fe + 92n → 148Nd + 34 β- + 759 MeV

150Nd-Synthese:
(s- und r-Prozess)

148Nd + 2n → 150Nd + 12,42 MeV

56Fe + 94n → 150Nd + 34 β- + 772 MeV



Radioaktivität: Kerne mit 84 Neutronen sind besonders instabil, weswegen Nd-144 mit Alphastrahlung zu Ce-140 zerfällt. Dies ist der leichteste, im natürlichen Isotopengemisch eines Elements vorkommende Kern, der diese Zerfallsart zeigt. Nd-150 zerfällt unter doppeltem Betaminus-Zerfall zu Sm-150. Daher hat ein 1 kg natürlich zusammengesetztes Neodym eine Aktivität von knapp 10 Becquerel, was strahlenschutztechnisch nicht relevant, jedoch schon deutlich messbar ist. Natürlich zusammengesetztes Kalium strahlt rund 3.000 mal stärker.
Vorkommen von Neodym: Im Universum kommt Neodym durchschnittlich mit 10 μg/kg in der Materie vor (Rang 34), es ist also ein überdurchschnittlich häufigses Element, nimmt man die Ordnungszahl als Bezugsgröße. Auf der Erde ist es nach Cer das zweithäufigste Lanthanoid: Am Gesamtaufbau unseres Planeten ist das Element mit durchschnittlich 0,69 mg/kg (Rang 43) beteiligt, am Aufbau der Erdkruste zu 41,5 mg/kg (Rang 27). Damit ist es etwas seltener als Kupfer, jedoch deutlich häufiger anzutreffen wie beispielsweise Blei oder Zinn.

Mineralisches Vorkommen. Gleich allen leichten Lanthanoiden (Ordnungszahlen 57 bis 64 (außer 61), respektive Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium und Gadolinium) kommt es im Bastnäsit, Cer-Gadolinit, (La, Ce, Nd, Sm)-Monazit und Cerit vor.

Wichtige neodymhaltige Mineralien

Bastnäsit, (Ln)CO3F[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Cer-Gadolinit, Ln2FeBe2(SiO5)2[3]

Cerit (Ce)[4]


Neodym-Gewinnung:
Gleich den anderen leichten Lanthanoiden (Lanthan, Cer, Praseodym, Samarium, Europium, Gadolinium) wird Neodym aus Monazitsand, Cerit bzw. Cer-Bastnäsit gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Neodym(III)fluorid bzw. Neodym(III)chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Neodym dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[6]
Chemie von Neodym: Neodym hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f4. Das Element tritt in seinen Verbindungen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe +3 auf. Daneben sind die stark reduzierend wirkenden Nd(II)-Verbindungen bekannt, die allerdings in wässrigen Medien unbeständig sind. In einigen Fällen sind auch Verbindungen mit Nd(IV) darstellbar, wobei diese Oxidationsstufe nur in Fluoridokomplexen stabil erhalten werden kann.

Verhalten an der Luft: Obgleich beständiger als Lanthan, Cer oder Europium überzieht sich auch Neodym langsam mit einer abblätternden Oxidschicht, wodurch das Metall an der Luft vollständig korrodiert. Bei höheren Temperaturen entzündet sich das Metall, und verbrennt mit stark exothermer Reaktion zu blassblauem Neodym(III)oxid.

4Nd + 3O2 → 2Nd2O3 + 3615,8 kJ


Reaktion mit Wasser: Wie alle Lanthanoide, reagiert auch Neodym quantitativ und lebhaft unter Wasserstoffentwicklung mit Wasser zu Neodym(III)hydroxid. Dieses Hydroxid wird auch mittel Löschen von Neodymoxid erhalten. Eine gesättigte Neodym(III)hydroxid-Lösung (0,3 mg/L) reagiert mit pH 8,3 schwach alkalisch. Nd(OH)3 ist damit eine etwas stärkere Base als Pr(OH)3, jedoch schwächer als La(OH)3 oder Ce(OH)3. Neodym(III)salze mit hydrolytisch nicht aktiven Anionen (also Nitrate, Sulfate, Halogenide mit Ausnahme des Fluorids) reagieren in Wasser infolge der Hydrolyse der Nd(III)-Ionen deutlich sauer.

Hydrolyse von Neodym(III)hydroxid und Neodym(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Neodym(III)hydroxid:
{Nd(OH)3} [Nd(OH)2]+ + OH-; pKb = 4,50

b) Saure Reaktion von Neodym(III)-Ionen:
[Nd(H2O)9]3+ + H2O [Nd(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 8,10



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor, Chlor und Brom reagiert Neodym schon bei Raumtemperatur unter Flammenerscheinung zu salzartig aufgebauten Verbindungen. Im Falle von Schwefel und Iod werden nach Erhitzen ebenfalls in stark exothermen Reaktionen ionische Verbindungen gebildet. Neodym(III)chlorid und Neodym(III)bromid sind rosaviolett gefärbte Salze.

Neodym(III)verbindungen

Neodym(III)chlorid[4]
NdCl3•7H2O

Neodym(III)oxid[6]
Nd2O3

Neodym(III)sulfat[5]
Nd2(SO4)3•8H2O

Neodym(III)sulfat-Lösung[6]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Neodym bzw. von seinen Verbindungen: Neodymsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine rosa-violette Flammenfärbung. Sind die Salze durch größere Mengen an schweren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen gelblich-grünen Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[6]
Neodym-Salzes

Verwendung von Neodym und seinen Verbindungen : Neodymlegierungen und Neodymverbindungen haben einige technische Anwendungen. Die wichtigsten seien hier genannt:
  • Magnete. Die Legierung des Neodyms mit Eisen und Bor (2 Nd, 14 Fe 1 B) hat das derzeit höchste bekannte Energieprodukt (512 kJ/m3). Sie haben ein so starkes Magnetfeld, dass man mit einem Magnet der Kantenlänge 1 cm einen Eisenklotz mit einer Masse von 10 kg anheben kann. Dies entspricht einer massiven Eisenkugel mit einem Durchmesser von rd. 14 cm.

  • Glas- und Porzellanfärberei unter dem Zuschlag von Neodym(III)oxid (blau) zu der Glasschmelze bzw. als Lasur beim Prozellanfärben. Gläser können in Rosa- bis Violetttönen eingefärbt werden, als Lasur auf Prozellan können Blautöne erhalten werden. Auch Emaille ist damit in Blautönen einfärbbar.
Verwendung von Neodym und seinen Verbindungen

Permanentmagnete[6]

Neodymglas[7]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Western Devil. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[7] Bildquelle: http://images-of-elements.com/neodymium.php. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben. Bei Weitervendung bitte einen Link auf die Bildquelle (http://images-of-elements.com/neodymium.php) setzen.