Neodym

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 in Form der Legierung Neodym-Eisen-Bor für starke Permanentmagnete verwendet.

Eigenschaften
[Xe] 4f4 6s2 60Nd Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Neodym, Nd, 60
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrigweiß, gelblicher Farbton
CAS-Nummer	7440-00-8
EG-Nummer	231-109-3
ECHA-InfoCard	100.028.281
Massenanteil an der Erdhülle	22 ppm (33. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	144,242(3)[3] u
Atomradius (berechnet)	185 (206) pm
Kovalenter Radius	201 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f4 6s2
1. Ionisierungsenergie	5.5250(6) eV[4] ≈ 533.08 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie	10.783(20) eV[4] ≈ 1040.4 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie	22.09(4) eV[4] ≈ 2130 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie	40.60(4) eV[4] ≈ 3920 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie	60.0(3) eV[4] ≈ 5790 kJ/mol[5]
Physikalisch[6]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	7,003 g/cm3 (25 °C)[7]
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 3,6 · 10−3)[8]
Schmelzpunkt	1297 K (1024 °C)
Siedepunkt	3303 K[9] (3030 °C)
Molares Volumen	20,59 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	289 kJ·mol−1[9]
Schmelzenthalpie	7,1 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2330 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	190 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit	1,56 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	17 W·m−1·K−1
Chemisch[10]
Oxidationszustände	+2, +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 β−β− 3,367 150Sm
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin 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[11] Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 228​‐​251​‐​315​‐​319 P: 210​‐​235+410​‐​280​‐​302+352​‐​332+313​‐​337+313[11]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Carl Auer von Welsbach

1838 entdeckte Carl Gustav Mosander in Cerit ein neues Element, das er Lanthan nannte. Mosander untersuchte das Lanthan weiter und konnte 1840 amethystfarbenes Lanthansulfat in zwei Fraktionen teilen. Zum einen erhielt er farblose Kristalle, für die er den Namen Lanthan beibehielt, und zum anderen rote Kristalle eines weiteren Elementes. Für dieses wählte er den Namen Didym nach dem griechischen δίδυμος, ‚Zwilling‘.^[12] Während er Lanthanoxid in sehr guter Reinheit gewinnen konnte, gelang ihm dies beim Didym nicht. Mosander vermutete, dass Didym ein Doppelsalz mit einem anderen Element, wahrscheinlich Lanthan, bildete, konnte die Bestandteile aber nicht trennen.^[13]

Marc Delafontaine verglich 1878 Didym, das aus Samarskit gewonnen wurde mit dem aus Cerit extrahierten. Dabei erkannte er, dass die Absorptionsspektren unterschiedlich waren, dass Didym also eine Mischung mehrerer Elemente sein musste.^[14] 1879 konnte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Samarium aus Didym isolieren.^[15][16] Sowohl Per Teodor Cleve als auch Bohuslav Brauner versuchten, das Atomgewicht des Didyms zu bestimmen. Dabei stellten sie fest, dass bei fraktionierter Kristallisation verschiedene Fraktionen unterschiedliche Gewichte von 142 bis 146 aufwiesen, also verschiedene Elemente enthalten sein mussten.^[17]

Schließlich gelang es 1885 Carl Auer von Welsbach, Didym durch fraktionierte Kristallisation der Ammonium-Didym-Nitrate (NH₄)₂Di(NO₃)₅ · 4H₂O in zwei verschiedene Salze zu trennen. Eines der Elemente zeigte sowohl in Lösung als auch in verschiedenen Salzen eine grüne Farbe, während das andere eine rosafarbene Lösung und amethystfarbene Kristalle bildete. Ein weiterer, von Auer von Welsbach gefundener Unterschied war es, dass das „grüne Element“ ein zweites, schwarzbraunes, leicht zum grünen Sesquioxid reduzierbares Oxid bildete, was das zweite Element nicht machte. Er nannte das erste Element auf Grund der typischen Farbe nach dem griechischen πράσινος prásinos, ‚grün‘ Praseodym (der „grüne Zwilling“), das zweite nach dem griechischen νεοσ neos ‚neu‘ Neodym (der „neue Zwilling“).^[18][19]

Die Darstellung metallischen Neodyms gelang 1903 Wilhelm Muthmann durch Elektrolyse geschmolzenem Neodym(III)-chlorids. Für das Metall konnte er ein spezifisches Gewicht von 6,9563 und eine Schmelzpunkt von 840 °C bestimmen.^[20]

Erstmals verwendet wurde Neodym 1927, als die Auergesellschaft zum 70. Geburtstag von Carl Auer von Welsbach zwei Glasvasen herstellte, die mit Praseodym und Neodym grün beziehungsweise violett gefärbt waren.^[21] Ab 1929 stellte Moser unter dem Markennamen Alexandrit auch kommerziell Vasen her, die mit Neodym gefärbt waren. Dieser Name wurde gewählt, weil neodymhaltiges Glas ähnlich wie Alexandrit einen Farbwechsel zeigt.^[22][23]

Vorkommen

Neodym kommt in der Natur nicht elementar vor, sondern nur in chemischen Verbindungen. Meist ist es in Mineralien vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden, als Beispiele:

• Monazit (Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄
• Bastnäsit ((Ce,La,Th,Nd,Y)(CO₃)F)

Der wichtigste Lieferant mit 91 % der Weltproduktion ist China.^[24][25] 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 in das Grundwasser, kontaminieren so Fauna und Flora erheblich und werden für den Menschen als gesundheitsschädlich eingestuft“.^[26] Weitere wirtschaftlich verwertbare Vorkommen finden sich in Australien, hier vor allem im Northern Territory, das von Arafura Resources ausgebeutet wird.

Gewinnung und Herstellung

Wie bei allen Lanthanoiden werden zuerst die Erze durch Flotation angereichert, danach die Metalle in ihre Halogenide umgewandelt und durch fraktionierte Kristallisation, Ionenaustausch oder Extraktion getrennt. Im Fall von Neodym erfordert die Herstellung jedoch besonders komplexe Extraktions- und Reinigungstechniken. Es wird typischerweise aus Mineralien wie Basalt und Fluorkarbonaten gewonnen. Zunächst werden die Mineralien chemisch behandelt und anschließend durch Lösungsmittel-Extraktion getrennt, wobei Neodym von anderen Seltenerdelementen separiert wird. Danach erfolgt eine weitere Verfeinerung mittels Fällung und Ionenaustausch. Schließlich wird durch ein Reduktionsverfahren metallisches Neodym gewonnen.^[27]

Nach einer aufwendigen Abtrennung der Neodymbegleiter kann das Oxid mit Fluorwasserstoff zu Neodym(III)-fluorid umgesetzt und anschließend mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zu Neodym reduziert werden. Calciumreste und Verunreinigungen trennt man durch Umschmelzen im Vakuum ab.

${\displaystyle \mathrm {2\ NdF_{3}\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Nd\ +\ 3\ CaF_{2}} }$

Dieses Verfahren wurde in China um 1984 durch Schmelzflusselektrolyse eines Gemisches aus Neodymfluorid, Neodymoxid und Lithiumfluorid abgelöst. Formal entspricht dieses Verfahren dem Hall-Héroult-Prozess, das elementare Neodym wird jedoch an einer senkrecht stehenden Wolfram-Kathode abgeschieden, welche von einer ringförmigen Graphit-Anode umgeben ist. Das schmelzflüssige Neodym wird in einer Molybdänwanne aufgefangen, aus der es manuell in eine Barrengussform gegossen wird. Jede solche Elektrolyse-Zelle wird als Einkammer-Elektrolysezelle betrieben. Über den tatsächlichen Betrieb der Zellen in den chinesischen Betrieben sind keine überprüfbaren Angaben bekannt.

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.^[28] In den USA wird derzeit (Stand: 2014) das Bergwerk Mountain Pass in Kalifornien und in Australien das Bergwerk Mount Weld 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 die giftigen Rückstände in Seen verklappt werden sollen.^[29]

Die Jahresproduktion wurde 2012 auf 21.000 t geschätzt, davon kommen 91 % aus China.^[25] Laut USGS lag der Preis für 1 kg Neodym 2001 unter 10 USD.^[30] Der Preis stieg bis 2010 auf 80 USD und erreichte 2011 den Höchststand mit 244 USD je kg. Danach ging er wieder zurück und lag 2013 bei 65 USD je kg.^[31] Im März 2022 stieg der Preis auf 380 bis 390 US-Dollar/kg. Seit August liegt der Preis bei etwas über 200 US-Dollar/kg.^[32]

Rein theoretisch kann Neodym recycelt werden, allerdings findet diese Anwendung auf dem kommerziellen Markt bisher wenig bis keine Anwendung, auch wenn Länder ohne Monopolstellung sich unabhängiger machen können. Ein solches Recycling, aus Elektroschrott etwa, fällt unter das Urban Mining.

Im Labor ist eine Reindarstellung des Metalls als Pulver möglich.

• 
  Möglicher Weg, um Neodym aus Neodym-Eisen-Bor-Magnete darzustellen/zu isolieren …
• 
  … und das hier entstandene Produkt – Neodym-Metall-Pulver
• 
  Preisentwicklung Neodym-Oxid (Quelle: Sachwerte Einkaufsgemeinschaft, Stand 10. März 2014)

Eigenschaften

Neodyms Kristallstruktur

Physikalische Eigenschaften

Neodym

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 Oxidschicht 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.

Isotope

Es gibt fünf stabile Neodymisotope: Nd‑142, ‑143, ‑145, ‑146 und ‑148. Das Isotop ¹⁴⁴Nd ist der leichteste Alphastrahler (abgesehen von einigen Kernen mit extremem Protonenüberschuss) und zerfällt mit der extrem langen Halbwertszeit von 2.29e¹⁵ Jahren zu ¹⁴⁰Ce, einem Nuklid mit der „magischen“ Neutronenzahl 82. Noch größer ist mit 1.1e¹⁹ Jahren die Halbwertszeit von ¹⁵⁰Nd, das durch doppelten Betazerfall zu ¹⁵⁰Sm wird.

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 Synchronmaschinen z. B. in einigen Windkraftanlagentypen^[33] (rund einem Sechstel^[29]), 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. Für heutige Windenergieanlagen mit permanenterregten Generatoren wird ein mittlerer spezifischer Bedarf von Neodym in Höhe von 201,5 kg/MW bei Anlagen mit Direktantrieb (getriebelos), 49,6 kg/MW bei Anlagen mit Getrieben mittlerer Geschwindigkeit und 24,8 kg/MW bei Anlagen mit Getrieben hoher Geschwindigkeit ermittelt.^[34]
• 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 als Legierungspartner mit Cer in Feuersteinen
• Zur Herstellung von Neodym-katalysiertem Polybutadienkautschuk (Nd-PBR)
• Neodym hat bei Temperaturen von flüssigem Helium eine ungewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität, weshalb es in kryogenen Kühlern nützlich ist.^[35][36]
• Seit Jahren werden auf dem Markt Decken, Matten und andere Produkte mit Neodym verkauft, die aufgrund ihrer starken magnetischen Wirkung angeblich heilende Eigenschaften bei vielen Beschwerden haben. Allerdings hat diese Form der Magnettherapie keine wissenschaftliche Grundlage. In manchen Fällen kann ihre Anwendung sogar schädlich sein.^[37]

Verbindungen

Oxide

• Neodym(III)-oxid (Nd₂O₃)

Halogenide

• Neodym(II)-fluorid (NdF₂)
• Neodym(II)-chlorid (NdCl₂)
• Neodym(II)-bromid (NdBr₂), nur wasserfrei
• Neodym(II)-iodid, (NdI₂)

• Neodym(II,III)-bromid (Nd₄Br₉), nur wasserfrei

• Neodym(III)-fluorid (NdF₃)
• Neodym(III)-chlorid (NdCl₃), wasserfrei
• Neodym(III)-bromid (NdBr₃), wasserfrei, zwei Modifikationen
• Neodym(III)-iodid (NdI₃), wasserfrei

Andere Verbindungen

• Neodym(III)-acetat (Nd(C₂H₃O₂)₃)
• Neodymcarbid (NdC₂)
• Neodym(III)-nitrat (Nd(NO₃)₃ · 6 H₂O)
• Neodym(III)-sulfat (Nd₂(SO₄)₃ · 8 H₂O)
• Neodym(III)-sulfid (Nd₂S₃)

• 
  Neodym(III)-sulfat-Oktahydrat
• 
  Neodym(III)-chlorid
• 
  Neodym(III)-sulfat, -nitrat und -chlorid in Lösung

Sonstige Stoffe

Neodym-Eisen-Bor (Nd₂Fe₁₄B) ist der Werkstoff, aus dem derzeit die stärksten Dauermagnete hergestellt werden können. Sie erreichen eine Remanenzflussdichte von bis zu 1,4 Tesla. Die Koerzitivfeldstärke H_cJ schwankt im Bereich von 870 bis 2750 kA/m.

Weblinks

Commons: Neodym – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Neodym – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Neodym. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
• metallisch blankes Neodym