钕
原子序数为60的化学元素 来自维基百科，自由的百科全书
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钕于1885年由奥地利化学家卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫发现。钕并不以纯金属态存在自然界中，而是与其他稀土金属一同出现在独居石和氟碳铈矿等矿物中。虽然钕被归类为稀土元素，但它在地壳中相当普遍，并不比钴、镍或铜稀有。钕是地壳中丰度第二高的镧系及稀土元素，仅次于铈。如同大多数稀土金属，世界上大部分的商业用钕都是在中国开采的。
钕化合物在1927年首次商业用作玻璃染料，现在仍然是玻璃中流行的添加剂。钕化合物的颜色主要来自其中的Nd3+离子，通常为红紫色，但会随着光照的类型而变化。一些掺杂钕离子的玻璃被用作发射波长在1047到1062奈米之间的红外线激光器材料，应用于惯性约束聚变等需要极高功率激光的技术。钕还作为其他各种基质晶体的掺杂剂，例如掺钕的钇铝石榴石（Nd:YAG）被广泛用作医疗、牙科和工业等领域的激光器材料（掺钕钇铝石榴石激光）。
钕的另一个重要用途是用于制造一种高强度的永久磁铁——钕磁铁的合金材料。[5]钕磁铁广泛用于麦克风、专业扬声器、入耳式耳机、高性能业余直流电动机以及需要低质量、小体积或强磁场的计算机硬盘等产品中。体积较大的钕磁铁则用于高功率和重量的电动机（例如混合动力汽车）和发电机（例如飞机和风力发动机的发电机），通常会在其中添加少量的镝或铽以维持其在高温环境下的性能。[6]随着人口增长、工业发展和再生能源的兴起，电动车电动机和风力发电机等产业对钕磁铁的需求量与日俱增，世界各国正在积极建立钕、镝等稀土资源的稳定供应链、提升稀土资源的回收再利用水准，以及致力于替代材料的开发。
性质
钕是第四个镧系元素，熔点为1024°C，沸点为3074°C。金属钕具有明亮的银色金属光泽。[7]
钕有两种同素异形体，在温度达到约863 °C时钕会从六方晶系转换成体心立方晶系。[8]如同大多数镧系元素，钕在室温下是顺磁性的，在冷却到20 K（−253.2 °C）时会变成反铁磁性的。[9]用于制造钕磁铁的钕铁合金是铁磁性的。[10]
钕为较活泼的金属，在空气中会迅速氧化，形成会像铁锈一样不断剥落的氧化层，因而无法防止内部的钕继续氧化。一立方公分大小的金属钕样品会在大约一年内完全腐蚀。[8]
钕在150 °C时很容易燃烧形成氧化钕并钝化，剥开表层的氧化钕后后内部的钕会继续和氧气反应：[8]
- 4Nd + 3O
2 → 2Nd
2O
3
如同其他镧系元素，钕最寻常的氧化态为+3，但也存在+2及+4的氧化态，甚至能在非常罕见的情况下形成+0态。钕的电正性很大，和冷水反应较慢，但和热水反应迅速，形成氢氧化钕：
- 2Nd (s) + 6H
2O (l) → 2Nd(OH)
3 (aq) + 3H
2 (g)
金属钕能和所有的卤素剧烈反应：
- 2Nd (s) + 3F
2 (g) → 2NdF
3 (s) （紫色） - 2Nd (s) + 3Cl
2 (g) → 2NdCl
3 (s) （粉紫色） - 2Nd (s) + 3Br
2 (g) → 2NdBr
3 (s) （紫色） - 2Nd (s) + 3I
2 (g) → 2NdI
3 (s) （绿色）
钕和稀硫酸反应，形成含有淡紫色的Nd3+离子的溶液。它以[Nd(OH2)9]3+配合物的形式存在：[11]
- 2Nd (s) + 3H
2SO
4 (aq) → 2Nd3+ (aq) + 3SO2−
4 (aq) + 3H
2 (g)
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主要的钕化合物包括：
- 卤化物：氟化钕 (NdF3)，四氟化钕(NdF4)，氯化钕 (NdCl3)，溴化钕 (NdBr3)，碘化钕 (NdI3)
- 氧化物：氧化钕 (Nd
2O
3) - 硫化物：一硫化钕 (NdS)，三硫化二钕(Nd
2S
3) - 氮化物：氮化钕 (NdN)
- 氢氧化物：氢氧化钕 (Nd(OH)
3) - 磷化物：磷化钕 (NdP)
- 碳化物：碳化钕 (NdC
2) - 硝酸盐：硝酸钕 (Nd(NO
3)
3) - 硫酸盐：硫酸钕 (Nd
2(SO
4)
3) - 合金：钕磁铁 (Nd
2Fe
14B)
钕（III）化合物的外观通常介乎粉红色至紫色间。一些钕化合物的颜色会随着光线而变化。[12]
-
-
一体式荧光灯下的钕化合物 -
正常日光下的钕化合物
天然的钕由七种同位素组成，分别是稳定的142Nd、143Nd、145Nd、146Nd、148Nd和长寿命的原始放射性核素144Nd（α衰变，半衰期2.29×1015年）、150Nd（双β衰变，半衰期9.3×1018年）。其中，142Nd最常见，占了天然钕的27.2%。[13]
除了以上7种天然同位素外，钕还有31种人工合成的放射性同位素，其中寿命最长的是147Nd，半衰期为10.98天，其余同位素的半衰期都短于6小时，大部分低于70秒。钕还有13个已知的核同质异能素，其中较稳定的有139mNd （半衰期5.5小时）、135mNd（半衰期5.5分钟）和133m1Nd（半衰期约70秒）。
比142Nd轻的放射性同位素主要发生正电子发射或电子俘获衰变成镨的同位素，而较重的放射性同位素主要发生β衰变形成钷的同位素。[14]
值得一提的是，理论计算显示五种稳定的钕同位素中，除了142Nd之外的其余四种同位素都有概率衰变成铈或钐的同位素，而142Nd则估计会自发裂变并释放出能量。然而上述的衰变模式从来都没有被科学家实际观测到过，不过目前科学家已透过实验测量了143Nd、145Nd、146Nd和148Nd的半衰期下限：[15]
- 143Nd: >3.1×1018年（α衰变）
- 145Nd: >6.0×1016年（α衰变）
- 146Nd: >1.6×1018年（双β衰变）
- 148Nd: >3.0×1018年（双β衰变）
历史
钕是由奥地利化学家卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫于1885年在维也纳发现的。[16][17]他在硝酸溶液中对Didymium的硝酸盐进行分步结晶，从Didymium中分离出了钕和镨。韦尔斯巴赫通过光谱学确认了钕的存在，但是得到的样本纯度低。Didymium是由卡尔·莫桑德尔在1841年发现的。纯的钕金属直到1925年才被分离出来。neodymium这个名称由希腊文字neos（νέος，意为新）和didymos（διδύμος，意为双胞胎）组成。[8][18][19][20][21][22]
存在和生产
钕虽然是所谓的稀土元素之一，但实际上一点也不稀有。钕在地壳中的元素丰度排名位居第27位，丰度约为38 mg/kg，在稀土元素中位居第二，仅次于铈，钕的含量甚至比钨、铅、锡等常见金属高得多。[23][24]
钕在自然界中很少以游离元素的形式被发现，而是存在于诸如独居石和氟碳铈矿等稀土矿物中，这些矿石中含有所有的稀土金属。钕在这些矿物中很少占主导地位，铈通常是这些矿物中最丰富的稀土元素，不过也有少数例外，如钕独居石（monazite-(Nd)）和羟碳钕石（kozoite-(Nd)）等。[25]
Nd3+离子的大小与其他轻镧系元素（从镧开始到钐和铕的镧系元素）相似，因此钕往往与它们一起出现在磷酸盐、硅酸盐和碳酸盐矿物中，例如独居石（MIIIPO4）和氟碳铈矿（MIIICO3F），其中M代表除了钪和放射性的钷以外的所有稀土元素（以铈、镧和钇居多，钕和镨次之）。[26]氟碳铈矿中通常缺乏钍和重镧系元素，因此从中提取轻镧系元素所需的工作量较少。矿石经粉碎、研磨后，首先用热浓硫酸处理，放出二氧化碳、氟化氢和四氟化硅。然后，将产物干燥并用水浸出，在溶液中留下轻镧系元素离子（包括钕）。[27]
钕的主要矿区位于中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚。全世界钕的储量估计约为800万吨。[28]2004年世界钕的产量约为7000吨[18]，其中大部分来自中国。历史上，中国政府对该元素实施了战略物资管制，导致钕的价格出现较大波动。[29]价格和供货的不确定性导致公司（尤其是日本公司）降低永磁体和相关电动机中稀土的用量；然而，到目前为止，他们还无法消除对钕的需求。[30][31]根据美国地质调查局，格陵兰拥有最大的未开发稀土矿床储量，尤其是钕。由于在开采稀土的过程中会释放钍等放射性物质，在这些地点的采矿行为与当地居民发生冲突。[32]
在氟碳铈矿和独居石等富含轻稀土元素的矿物之商业矿床中，钕通常占稀土总含量的10-18%。[8]由于钕（III）化合物的颜色是三价稀土元素化合物中最醒目的，因此当矿物中不存在其他与之竞争的发色团时，矿石中钕的粉红色有时会主导该稀土矿物的呈色，代表性的例子包括玻利维亚拉拉瓜锡矿床的独居石晶体、加拿大魁北克省圣希莱尔山的碳锶铈矿以及美国宾夕法尼亚州北安普敦县下索肯镇的镧石等。与掺有钕离子的玻璃一样，这些含钕矿物在不同的光照条件下也会改变颜色。钕的可见光吸收光谱与水银灯的发射光谱相互作用，未经过滤的短波紫外线使含钕矿物反射出独特的绿色，此现象可以在含有独居石沙或含氟碳铈矿的矿石中观察到。[33]
钕是轻稀土元素中价值最高、市场最好的。[34]由于人口增长和工业发展，世界对稀土元素（包括钕）和其他关键稀有资源的需求量急遽上升。近年来，各国为了达到节能减碳的目标，对电池、高效率电动机、再生能源和燃料电池等节能技术的需求与日俱增。在这些技术中，永磁体常用于制造高效率电动机，其中钕铁硼磁铁是目前最主要的永磁体类型[35]，用于混合动力汽车、插电式混合动力车、电动汽车、燃料电池汽车、风力发电机、家用电器、计算机，以及许多小型消费电子产品。[36]现今钕铁硼磁铁的市场需求量每年以20%~30%的幅度递增。[34]为了实现《巴黎协定》的目标，预计未来对钕铁硼磁体的需求量将继续大幅增长。[37]
应用
钕磁铁（实际上是合金，化学式Nd2Fe14B）是已知磁性最强的永久磁铁。几克重的钕磁铁可以举起自身重量一千倍的东西。钕磁铁比钐钴磁铁更便宜、更轻、更坚固。然而，钕磁铁的性能并非在各个方面都优越，因为钕磁铁容易被腐蚀[38]且在较低温度下会失去磁性[39]，而钐钴磁铁则不会。[40]
钕磁铁应用于麦克风、专业扬声器、入耳式耳机、吉他和低音吉他拾音器等产品中，以及需要低质量、小体积或强磁场的计算机硬盘。添加镝或铽的耐高温钕磁铁被用于混合动力汽车和电动汽车的电动机以及某些商业风力涡轮机的发电机（只有带有永磁发电机的风力涡轮机使用钕磁铁）。一辆丰田普瑞斯的驱动电动机需要消耗一公斤（2.2 磅）左右的钕。[6]
2020年，奈梅亨拉德伯德大学和乌普萨拉大学的物理学研究人员宣布，他们在钕的原子结构中观察到了一种称为“自诱导自旋玻璃”的行为。其中一位研究人员解释说，“……我们是扫描隧道显微镜的专家。它使我们能够看到单个原子的结构，让我们可以解析原子的北极和南极。随着高精度成像的这一进步，我们能够发现钕的这种行为，因为我们可以解决磁结构中令人难以置信的微小变化。”钕具有复杂的磁性，这在元素周期表的元素中是前所未有的。[41][42]
某些掺有少量钕离子的透明材料可用于红外线（波长1054~1064nm）激光器中的激活激光媒质，例如掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕氟化钇锂（Nd:YLF）、掺钕正钒酸钇（Nd:YVO4）和钕玻璃等。掺钕晶体（通常为Nd:YVO4）能够产生高功率的红外线激光束，在商用半导体泵浦固体激光手持激光器和激光笔中转换为绿色激光束。
钕玻璃是通过在融化的玻璃中加入氧化钕（Nd2O3）来生产的。在白天或白炽灯光下，钕玻璃通常呈现淡紫色，但在日光灯照明下呈现淡蓝色。钕可为玻璃染上从纯紫色到酒红色和暖灰色的微妙色调。[43]
钕狭窄的光谱吸收带使得钕玻璃在不同光照条件下颜色会发生变化。钕玻璃在日光或黄色白炽灯下呈红紫色，在白色荧光下呈蓝色，在三色视觉灯光下呈绿色。这种变色现象受到收藏家的高度评价。将其和金或硒混合，可以产生红色。由于钕的着色依赖于原子内部深处的 f-f 跃迁禁制，因此化学环境对颜色的影响相对较小，颜色不受玻璃热史的影响。然而，为了获得最佳颜色，需要尽量减少用于制造玻璃的二氧化硅中含有的铁杂质。f-f跃迁的相同禁止性质使得稀土元素的着色强度低于大多数过渡元素提供的着色，因此必须在玻璃中使用更多的稀土元素才能达到所需的颜色强度。最初Moser的配方在玻璃熔体中使用了大约5%的氧化钕，这个数量足以让Moser将这些称为“稀土掺杂”玻璃。作为强碱，钕的含量会影响玻璃的熔化性能，因此玻璃中的氧化钙含量可能必须做出相应的调整。[44]
透过钕玻璃的光线显示出异常狭窄的吸收带。这些玻璃用于天文工作以产生清晰的吸收带，而谱线可以通过这些吸收带进行校准。[8]钕玻璃的另一个应用是建造选择性天文过滤器，以减少钠和日光灯照明造成的光污染影响，同时通过其他颜色，尤其是来自星云的深红色的H-α谱线。[45]钕还用于去除由玻璃中的铁杂质引起的绿色。[46]
钕和镨的混合物didymium亦被用于给玻璃着色，制造焊工和吹玻璃工的护目镜。它狭窄的吸收带过滤了589nm处的钠燃烧强光谱线。它也可以吸收578nm处的黄色汞谱线，这是在传统白色日光灯的照射下钕玻璃显现为为蓝色的主要原因。钕和didymium玻璃还用于室内摄影的滤光镜，特别是用于滤除白炽灯的黄色调，使得画面中的色彩更鲜艳醒目。同样的，钕玻璃也越来越广泛地用于白炽灯，这些灯的玻璃中含有钕以滤除黄光，从而产生更像阳光的白光。[47]据报导，didymium镜子在第一次世界大战期间被用于在战场上传输摩斯电码。[48]与它在玻璃中的应用类似，钕盐也用作珐琅的着色剂。[8]
乙酸铀酰在数十年来一直是穿透式电子显微镜中的标准负染色剂之一。[49][50]然而，由于其具有微放射性和高毒性，乙酸铀酰的使用越来越受到政府法规的阻碍。
在元素周期表中，因为钕位于铀的上方，依照元素周期律，钕是化学性质和铀最为相近的镧系元素。因此在与超薄切片中的组织结合方面，钕和铀的乙酸盐表现的化学性质非常相似，在影像上产生的对比度也十分相近。[51]
生物作用
如同其他稀土元素，钕在人体内没有已知的生物作用。
轻镧系元素对于火山泥温泉中的嗜甲烷菌（如Methylacidiphilum fumariolicum）至关重要，是其体内甲醇脱氢酶的重要辅助因子。由于轻镧系元素间彼此化学性质的高度相似性，菌体内的镧、铈、镨和钕可以相互取代而不会对菌体产生任何不良影响。若以钐、铕或钆等质量稍重的镧系元素取代，除了使它们生长缓慢外亦没有其他副作用。[59]除了Methylacidiphilum fumariolicum外，目前没有发现钕在其他生物体中发挥任何生物学作用。[60]
危险性
金属钕的粉尘是可燃的，会引起爆炸。钕化合物和所有镧系元素化合物一样，具有中低毒性。然而，其毒性尚未得到彻底调查。钕粉尘和盐对眼睛和粘膜有很强的刺激性，对皮肤有中度刺激性。吸入钕粉尘会造成肺栓塞，累积接触会损害肝脏。钕也可作为抗凝剂，尤其是静脉注射时。[18]
钕磁铁已经过医疗用途的测试，例如磁性支架和骨骼修复，但生物相容性阻碍了其广泛应用。可商购的钕磁铁的磁性很强，在远处时仍可相互吸引。如果不小心，它们就会迅速并有力地吸引，造成受伤。曾有人使用两个钕磁铁从50厘米远的地方相互吸引，结果直接夹断他的手指。[62]
强力钕磁铁的另一危害是当摄入不止一个钕磁铁时，它们会相互吸引并夹伤胃肠道中的软组织。这导致约1700次急诊室就诊[63]和钕磁铁玩具的召回。[63][64]
注释
参考文献
外部链接
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