Neodimul: elementul din care se fabrică cei mai puternici magneți

Neodimul: elementul din care se fabrică cei mai puternici magneți

La fel ca gemenii Castor și Pollux, din mitologia greacă, care posedau puteri speciale și erau inseparabili, neodimul și praseodimul, elementele gemene, au fost dificil de separat și aveau o multitudine de proprietăți speciale.

Utilizări:

  • Pentru fabricarea magneților din componența generatoarelor turbinelor eoliene care creează electricitate folosind acești magneți puternici neodim˗fier˗bor.
  • Laserul Nd:YAG este numit astfel după elementele din componenta: neodim, ytriu, aluminiu și granat. Este cel mai comun tip de laser utilizat în scop comercial, medical sau militar. Este folosit pentru tăiat, sudat, trasat, sfredelit, întins etc. În serviciile militare este folosit la telemetrie și identificarea țintei.
  • Motoarele electrice hibride (HEV) și vehiculele electrice (EV) folosesc super magneți neodim pentru a pune în mișcare mașina.
  • Imagistica prin Rezonanță Magnetică (IRM sau RMN) folosește magneți neodim˗fier˗bor și este utilizată pentru a obține o imagine internă a corpului fără a˗l expune la radiații.

Poate nu știai

  • Super magneții permanenți neodim˗fier˗bor (Nd2Fe14B) sunt cei mai puternici din lume.
  • Atunci când telefonul mobilul este trecut pe modul „vibrații”, magnetul neodim în miniatură, aflat în componenta lui, este cel care face ca telefonul să vibreze atunci când este recepționat un apel.
  • Un magnet neodim în miniatură este atât de puternic încât atunci când este atașat pe frigider nu poate fi îndepărtat cu mâna.
  • Căștile și boxele folosesc magneți neodim pentru a reproduce cu acuratețe sunetul și a˗l reda astfel încât sa acopere întreg spectrul de frecvențe audio.
  • Laserele Nd:YAG sunt folosite pentru îndepărtarea tatuajelor.

Descoperirea neodimului

Neodimul și praseodimul au fost descoperiți în același timp. La început chimiștii au crezut că este vorba despre un singur element (fiind atât de bine sudate între ele și imposibil de separat) și l˗au numit didim (didymium), având ca simbol, în tabelul încă în lucru a lui Mendeleev, literele „Di”. Când în sfârșit un chimist a anunțat în fața Academiei de Științe de la Viena, la data de 18 iunie 1885, că a reușit separarea elementelor, mulți au fost sceptici (Weeks and Leicester, 1968, p. 685). Chimistul care a făcut descoperirea, Carl Auer von Welsbach, studiase la Heidelberg sub îndrumarea chimistului german Robert Bunsen.

Auer von Welsbach notă: „numai Bunsen, căruia i˗am arătat mai întâi descoperirea, a recunoscut imediat că o divizare a didimului a fost într-adevăr realizată. Recunoașterea acestui fapt din partea lui Bunsen, care, după câte se știe, a publicat cercetări foarte frumoase și cuprinzătoare cu privire la didim, demonstrează cât de ne-egoist judeca acest mare cercetător experimentele tinerilor săi discipoli” (Feldhaus, 1928).

În 1885, Carl Auer von Welsbach a folosit o metodă dezvoltată de către el însuși (recristalizarea fracționată) pentru a separa în premieră aliajul didymium în cele două părți componente. După 167 cristalizări, Auer von Welsbach a observat colorațiile diferite produse flăcării becului Bunsen de către cele două săruri obținute, pe care le-a numit „praseodymium” (verde) și „neodidymium” (roz); acestă din urmă denumire a evoluat ulterior în „neodymium”. Numele „neodidymiu” este derivat din cuvântul grecesc neos (νέος), nou, și didymos (διδύμος), geamăn.

Definiție

Neodimul este un metal alb˗argintiu mai puțin reactiv și care oxidează rapid în contact cu aerul, căpătând o culoare ușor gălbuie. Metalul este moale și ductil. Are o structură hexagonală, o densitate de 7,004 g/cm3, un punct de topire de 1021˚C și un punct de fierbere de 3027˚C. Oxidul de neodim (neodymia în eng.) apare ca un sescvioxid (oxid în a cărui formulă intră un element trivalent) cu formula chimică Nd2O3.  Oxidul este o pulbere de culoare albă pal, cu o densitate de 7,3 g/cm3, un punct de topire de 2.233˚C și o masă moleculară de 336,48.

Neodim metal
Neodim metal
Sursa: https://hastingstechmetals.com/rare-earths/neodymium/
Neodim metal
Neodim metal
Sursa: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34

Prepararea metalului

Sintetizarea metalului neodim se face prin reducția calciotermică a trihalogenurii (NdF3 – sub formă de cristale violet transparente) într-un creuzet de tantal (Ta).  Neodimul are un punct de topire scăzut și un punct de fierbere crescut, similar cu lantanul (La), ceriul (Ce) și praseodimul (Pr). Pentru a prepara NdF3, un amestec de acid fluorhidric anhidru cu 60% argon este turnat peste Nd2O3  la 700˚C timp de 16 ore într-un cuptor în formă de tub confecționat din inconel și căptușit cu platină.  Astfel se produce o fluorură de neodim cu o impuritate de aproximativ 20 ppm (părți per milion) de oxigen. În cel de˗al doilea pas al purificării conținutul de oxigen este redus la mai puțin de 20 ppm prin încălzirea fluorurii la 50˚C peste punctul ei de fierbere, într-un creuzet de platină aflat într-o găoace de grafit. După aceasta, NdF3 este pus într-un creuzet de tantal, redus cu 15% din cantitate teoretică de calciu metalic necesar, și încălzit într-un cuptor cu inducție în vid într-o atmosferă inertă de argon (Ar) la o temperatură mai înaltă decât cea de topire a agentului reducător sau a produsului ce se dorește redus (Beautry and Gschneidner, Jr., 1978). Calciul metalic se combină cu F și formează CaF2 , iar produsul rămas este un neodim de înaltă puritate.

NdF3 – cristale violet transparente
NdF3 – sub forma de cristale violet-transparente
Sursa: https://chemcraft.su/katalog_tovarov/34
NdF3 – cristale violet transparente
NdF3 – sub forma de cristale violet-transparente
Sursa: https://www.samaterials.com/neodymium-compound/1193-neodymium-iii-fluoride-ndf3.html

Proveniența

Resurse mari de neodim se găsesc în mineralele din grupa „pământurilor rare” (LREE - Light Rare Earth Elements). Deși face parte din categoria „pământurilor rare”, neodimul este chiar mai comun decât aurul, și se găsește în scoarța pământului într-o concentrație de 28 de părți la un milion. Sursa principală de neodim o reprezintă carbonatitele și bastnäsitele – minerale din categoria „pământurilor rare”. Depozitele de bastnäsite din China și Statele Unite ale Americii ocupă cel mai mare procentaj din totalul resurselor economice de elemente ale „pământurilor rare” din întreaga lume. Pe locul doi în cadrul resurselor din care se extrag elementele rare este monazitul, un minereu în cadrul căruia neodimul reprezintă un component principal. Depozite de monazit se găsesc în Austria, Brazilia, China, India, Malaezia, Africa de Sud, Sri Lanka, Tailanda și Statele Unite sub formă de zăcăminte sedimentogene aluvionare sau sedimentare, sub formă de straturi, de zăcăminte magmatogene pegmatitice, sub formă de carbonatite sau alte tipuri de zăcăminte alcaline. Neodimul se obține și din loparit, care este extras dintr-un zăcământ mare de roci magmatice intrusive aflat în Rusia. 

Mineritul

Neodimul este extras dintr-o varietate de minereuri și depozite de minereuri utilizând diverse metode de extragere. Bastnäsitul este extras din Statele Unite ca produs primar obținut dintr-o rocă tare numită carbonatită. Depozitul de carbonatită este minerit prin dislocarea a mari cantități de pământ de la suprafață (în cariere). Minereul este forat și sfărâmat în bucăți mai mari, încărcat în camioane și transportat la moară. La moară minereul este zdrobit, cernut și prelucrat prin flotație, rezultând bastnäsit concentrat. În China bastnäsitul împreuna cu o cantitate mica de monazit sunt de asemenea extrase din carbonatite. Minereul de bastnäsit este obținut aici ca produs secundar dintr-un minereu de fier extras tot prin dislocarea a mari cantități de pământ de la suprafață. După zdrobire minereul este separat de minereul de fier prin flotație pentru a se obține bastnäsit concentrat și o concentrație mare de bastnäsit-monazit.

Monazitul este extras din depozite de nisipuri grele minerale (greutate specifică >2.9) din variate părți ale lumii ca un produs secundar obținut în urma extragerii mineralelor de zirconiu, titan sau staniu. Nisipurile minerale grele sunt excavate de la suprafață din nisipuri neconsolidate. Multe dintre aceste depozite sunt extrase folosind drage plutitoare care separă nisipurile minerale grele de alte elemente cu o masă moleculară mai mică. Separarea se face folosind moara de apă și o serie de echipamente ce utilizează forța gravitațională și forța apei, precum și site, hidrocicloane, spirale și conuri concentratoare. Nisipurile consolidate sau cele parțial consolidate care sunt greu de minat cu ajutorul dragelor plutitoare sunt extrase folosind alte metode de minare pe uscat. Minereul este extras cu ajutorul echipamentelor clasice de îndepărtare a pământului – buldozere, screpere, camioane și echipamente pe bază de jet de apă. Minereul obținut prin aceste metode este zdrobit și cernut, apoi procesat de moara de apă descrisă mai sus. Concentrația de minerale grele obținută în urma procesării cu ajutorul morii de apă este trimisă apoi către o moară „de uscat” unde mineralele grele vor fi separate. La această moară minereul este curățat, uscat, cernut, și trecut printr-o serie de procese electrostatice, electromagnetice, magnetice și de gravitație. În Africa de Sud și Statele Unite ale Americii filoanele de monazit sunt extrase din subteran (Hedrick, 2010). Loparitul este extras din mine subterane unde se creează cămări și piloni de susținere. Minereul este forat, fărâmițat și scos din mină. Se prelucrează apoi prin aceleași metode de extragere a bastnäsitelor, rezultând loparit concentrat.

Toate comentariile

Răspunde