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釹
原子序數為60的化學元素 来自维基百科，自由的百科全书
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釹於1885年由奧地利化學家卡爾·奧爾·馮·韋爾斯巴赫發現。釹並不以純金屬態存在自然界中，而是與其他稀土金屬一同出現在獨居石和氟碳鈰礦等礦物中。雖然釹被歸類為稀土元素，但它在地殼中相當普遍，並不比鈷、鎳或銅稀有。釹是地殼中豐度第二高的鑭系及稀土元素，僅次於鈰。如同大多數稀土金屬，世界上大部分的商業用釹都是在中國開採的。
釹化合物在1927年首次商業用作玻璃染料，現在仍然是玻璃中流行的添加劑。釹化合物的顏色主要來自其中的Nd3+離子，通常為紅紫色，但會隨著光照的類型而變化。一些摻雜釹離子的玻璃被用作發射波長在1047到1062奈米之間的紅外線雷射器材料，應用於慣性局限融合等需要極高功率雷射的技術。釹還作為其他各種基質晶體的摻雜劑，例如摻釹的釔鋁石榴石（Nd:YAG）被廣泛用作醫療、牙科和工業等領域的雷射器材料（摻釹釔鋁石榴石雷射）。
釹的另一個重要用途是用於製造一種高強度的永久磁鐵——釹磁鐵的合金材料。[5]釹磁鐵廣泛用於麥克風、專業揚聲器、入耳式耳機、高性能業餘直流馬達以及需要低質量、小體積或強磁場的計算機硬碟等產品中。體積較大的釹磁鐵則用於高功率和重量的馬達（例如混合動力汽車）和發電機（例如飛機和風力發動機的發電機），通常會在其中添加少量的鏑或鋱以維持其在高溫環境下的性能。[6]隨著人口增長、工業發展和再生能源的興起，電動車馬達和風力發電機等產業對釹磁鐵的需求量與日俱增，世界各國正在積極建立釹、鏑等稀土資源的穩定供應鏈、提升稀土資源的回收再利用水準，以及致力於替代材料的開發。
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性質
釹是第四個鑭系元素，熔點為1024°C，沸點為3074°C。金屬釹具有明亮的銀色金屬光澤。[7]
釹有兩種同素異形體，在溫度達到約863 °C時釹會從六方晶系轉換成體心立方晶系。[8]如同大多數鑭系元素，釹在室溫下是順磁性的，在冷卻到20 K（−253.2 °C）時會變成反鐵磁性的。[9]用於製造釹磁鐵的釹鐵合金是鐵磁性的。[10]
釹為較活潑的金屬，在空氣中會迅速氧化，形成會像鐵鏽一樣不斷剝落的氧化層，因而無法防止內部的釹繼續氧化。一立方公分大小的金屬釹樣品會在大約一年內完全腐蝕。[8]
釹在150 °C時很容易燃燒形成氧化釹並鈍化，剝開表層的氧化釹後後內部的釹會繼續和氧氣反應：[8]
- 4Nd + 3O
2 → 2Nd
2O
3
如同其他鑭系元素，釹最尋常的氧化態為+3，但也存在+2及+4的氧化態，甚至能在非常罕見的情況下形成+0態。釹的電正性很大，和冷水反應較慢，但和熱水反應迅速，形成氫氧化釹：
- 2Nd (s) + 6H
2O (l) → 2Nd(OH)
3 (aq) + 3H
2 (g)
金屬釹能和所有的鹵素劇烈反應：
- 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) （綠色）
釹和稀硫酸反應，形成含有淡紫色的Nd3+離子的溶液。它以[Nd(OH2)9]3+錯合物的形式存在：[11]
- 2Nd (s) + 3H
2SO
4 (aq) → 2Nd3+ (aq) + 3SO2−
4 (aq) + 3H
2 (g)
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主要的釹化合物包括：
- 鹵化物：氟化釹 (NdF3)，四氟化釹(NdF4)，氯化釹 (NdCl3)，溴化釹 (NdBr3)，碘化釹 (NdI3)
- 氧化物：氧化釹 (Nd
2O
3) - 硫化物：一硫化釹 (NdS)，三硫化二釹(Nd
2S
3) - 氮化物：氮化釹 (NdN)
- 氫氧化物：氫氧化釹 (Nd(OH)
3) - 磷化物：磷化釹 (NdP)
- 碳化物：碳化釹 (NdC
2) - 硝酸鹽：硝酸釹 (Nd(NO
3)
3) - 硫酸鹽：硫酸釹 (Nd
2(SO
4)
3) - 合金：釹磁鐵 (Nd
2Fe
14B)
釹（III）化合物的外觀通常介乎粉紅色至紫色間。一些釹化合物的顏色會隨著光線而變化。[12]
-
-
一體式螢光燈下的釹化合物 -
正常日光下的釹化合物
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天然的釹由七種同位素組成，分別是穩定的142Nd、143Nd、145Nd、146Nd、148Nd和長壽命的原始放射性核種144Nd（α衰變，半衰期2.29×1015年）、150Nd（雙β衰變，半衰期9.3×1018年）。其中，142Nd最常見，占了天然釹的27.2%。[13]
除了以上7種天然同位素外，釹還有31種人工合成的放射性同位素，其中壽命最長的是147Nd，半衰期為10.98天，其餘同位素的半衰期都短於6小時，大部分低於70秒。釹還有13個已知的同核異構物，其中較穩定的有139mNd （半衰期5.5小時）、135mNd（半衰期5.5分鐘）和133m1Nd（半衰期約70秒）。
比142Nd輕的放射性同位素主要發生正電子發射或電子俘獲衰變成鐠的同位素，而較重的放射性同位素主要發生β衰變形成鉕的同位素。[14]
值得一提的是，理論計算顯示五種穩定的釹同位素中，除了142Nd之外的其餘四種同位素都有機率衰變成鈰或釤的同位素，而142Nd則估計會自發分裂並釋放出能量。然而上述的衰變模式從來都沒有被科學家實際觀測到過，不過目前科學家已透過實驗測量了143Nd、145Nd、146Nd和148Nd的半衰期下限：[15]
- 143Nd: >3.1×1018年（α衰變）
- 145Nd: >6.0×1016年（α衰變）
- 146Nd: >1.6×1018年（雙β衰變）
- 148Nd: >3.0×1018年（雙β衰變）
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歷史
釹是由奧地利化學家卡爾·奧爾·馮·韋爾斯巴赫於1885年在維也納發現的。[16][17]他在硝酸溶液中對Didymium的硝酸鹽進行分步結晶，從Didymium中分離出了釹和鐠。韋爾斯巴赫通過光譜學確認了釹的存在，但是得到的樣本純度低。Didymium是由卡爾·莫桑德爾在1841年發現的。純的釹金屬直到1925年才被分離出來。neodymium這個名稱由希臘文字neos（νέος，意為新）和didymos（διδύμος，意為雙胞胎）組成。[8][18][19][20][21][22]
存在和生產
釹雖然是所謂的稀土元素之一，但實際上一點也不稀有。釹在地殼中的元素豐度排名位居第27位，豐度約為38 mg/kg，在稀土元素中位居第二，僅次於鈰，釹的含量甚至比鎢、鉛、錫等常見金屬高得多。[23][24]
釹在自然界中很少以游離元素的形式被發現，而是存在於諸如獨居石和氟碳鈰礦等稀土礦物中，這些礦石中含有所有的稀土金屬。釹在這些礦物中很少占主導地位，鈰通常是這些礦物中最豐富的稀土元素，不過也有少數例外，如釹獨居石（monazite-(Nd)）和羥碳釹石（kozoite-(Nd)）等。[25]
Nd3+離子的大小與其他輕鑭系元素（從鑭開始到釤和銪的鑭系元素）相似，因此釹往往與它們一起出現在磷酸鹽、矽酸鹽和碳酸鹽礦物中，例如獨居石（MIIIPO4）和氟碳鈰礦（MIIICO3F），其中M代表除了鈧和放射性的鉕以外的所有稀土元素（以鈰、鑭和釔居多，釹和鐠次之）。[26]氟碳鈰礦中通常缺乏釷和重鑭系元素，因此從中提取輕鑭系元素所需的工作量較少。礦石經粉碎、研磨後，首先用熱濃硫酸處理，放出二氧化碳、氟化氫和四氟化矽。然後，將產物乾燥並用水浸出，在溶液中留下輕鑭系元素離子（包括釹）。[27]
釹的主要礦區位於中國、美國、巴西、印度、斯里蘭卡和澳大利亞。全世界釹的儲量估計約為800萬噸。[28]2004年世界釹的產量約為7000噸[18]，其中大部分來自中國。歷史上，中國政府對該元素實施了戰略物資管制，導致釹的價格出現較大波動。[29]價格和供貨的不確定性導致公司（尤其是日本公司）降低永磁體和相關馬達中稀土的用量；然而，到目前為止，他們還無法消除對釹的需求。[30][31]根據美國地質調查局，格陵蘭擁有最大的未開發稀土礦床儲量，尤其是釹。由於在開採稀土的過程中會釋放釷等放射性物質，在這些地點的採礦行為與當地居民發生衝突。[32]
在氟碳鈰礦和獨居石等富含輕稀土元素的礦物之商業礦床中，釹通常占稀土總含量的10-18%。[8]由於釹（III）化合物的顏色是三價稀土元素化合物中最醒目的，因此當礦物中不存在其他與之競爭的發色團時，礦石中釹的粉紅色有時會主導該稀土礦物的呈色，代表性的例子包括玻利維亞拉拉瓜錫礦床的獨居石晶體、加拿大魁北克省聖希萊爾山的碳鍶鈰礦以及美國賓夕法尼亞州北安普敦縣下索肯鎮的鑭石等。與摻有釹離子的玻璃一樣，這些含釹礦物在不同的光照條件下也會改變顏色。釹的可見光吸收光譜與水銀燈的發射光譜交互作用，未經過濾的短波紫外線使含釹礦物反射出獨特的綠色，此現象可以在含有獨居石沙或含氟碳鈰礦的礦石中觀察到。[33]
釹是輕稀土元素中價值最高、市場最好的。[34]由於人口增長和工業發展，世界對稀土元素（包括釹）和其他關鍵稀有資源的需求量急遽上升。近年來，各國為了達到節能減碳的目標，對電池、高效率馬達、再生能源和燃料電池等節能技術的需求與日俱增。在這些技術中，永磁體常用於製造高效率馬達，其中釹鐵硼磁鐵是目前最主要的永磁體類型[35]，用於混合動力汽車、插電式混合動力車、電動汽車、燃料電池汽車、風力發電機、家用電器、計算機，以及許多小型消費電子產品。[36]現今釹鐵硼磁鐵的市場需求量每年以20%~30%的幅度遞增。[34]為了實現《巴黎協定》的目標，預計未來對釹鐵硼磁體的需求量將繼續大幅增長。[37]
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應用
釹磁鐵（實際上是合金，化學式Nd2Fe14B）是已知磁性最強的永久磁鐵。幾克重的釹磁鐵可以舉起自身重量一千倍的東西。釹磁鐵比釤鈷磁鐵更便宜、更輕、更堅固。然而，釹磁鐵的性能並非在各個方面都優越，因為釹磁鐵容易被腐蝕[38]且在較低溫度下會失去磁性[39]，而釤鈷磁鐵則不會。[40]
釹磁鐵應用於麥克風、專業揚聲器、入耳式耳機、吉他和低音吉他拾音器等產品中，以及需要低質量、小體積或強磁場的計算機硬碟。添加鏑或鋱的耐高溫釹磁鐵被用於混合動力汽車和電動汽車的馬達以及某些商業風力渦輪機的發電機（只有帶有永磁發電機的風力渦輪機使用釹磁鐵）。一輛豐田普瑞斯的驅動馬達需要消耗一公斤（2.2 磅）左右的釹。[6]
2020年，奈梅亨拉德伯德大學和烏普薩拉大學的物理學研究人員宣布，他們在釹的原子結構中觀察到了一種稱為「自誘導自旋玻璃」的行為。其中一位研究人員解釋說，「……我們是掃描隧道顯微鏡的專家。它使我們能夠看到單個原子的結構，讓我們可以解析原子的北極和南極。隨著高精度成像的這一進步，我們能夠發現釹的這種行為，因為我們可以解決磁結構中令人難以置信的微小變化。」釹具有複雜的磁性，這在元素週期表的元素中是前所未有的。[41][42]
某些摻有少量釹離子的透明材料可用於紅外線（波長1054~1064nm）雷射器中的激活雷射媒質，例如摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）、摻釹氟化釔鋰（Nd:YLF）、摻釹正釩酸釔（Nd:YVO4）和釹玻璃等。摻釹晶體（通常為Nd:YVO4）能夠產生高功率的紅外線雷射束，在商用半導體泵浦固體雷射手持雷射器和雷射筆中轉換為綠色雷射束。
釹玻璃是通過在融化的玻璃中加入氧化釹（Nd2O3）來生產的。在白天或白熾燈光下，釹玻璃通常呈現淡紫色，但在日光燈照明下呈現淡藍色。釹可為玻璃染上從純紫色到酒紅色和暖灰色的微妙色調。[43]
釹狹窄的光譜吸收帶使得釹玻璃在不同光照條件下顏色會發生變化。釹玻璃在日光或黃色白熾燈下呈紅紫色，在白色螢光下呈藍色，在三色視覺燈光下呈綠色。這種變色現象受到收藏家的高度評價。將其和金或硒混合，可以產生紅色。由於釹的著色依賴於原子內部深處的 f-f 躍遷禁制，因此化學環境對顏色的影響相對較小，顏色不受玻璃熱史的影響。然而，為了獲得最佳顏色，需要儘量減少用於製造玻璃的二氧化矽中含有的鐵雜質。f-f躍遷的相同禁止性質使得稀土元素的著色強度低於大多數過渡元素提供的著色，因此必須在玻璃中使用更多的稀土元素才能達到所需的顏色強度。最初Moser的配方在玻璃熔體中使用了大約5%的氧化釹，這個數量足以讓Moser將這些稱為「稀土摻雜」玻璃。作為強鹼，釹的含量會影響玻璃的熔化性能，因此玻璃中的氧化鈣含量可能必須做出相應的調整。[44]
透過釹玻璃的光線顯示出異常狹窄的吸收帶。這些玻璃用於天文工作以產生清晰的吸收帶，而譜線可以通過這些吸收帶進行校準。[8]釹玻璃的另一個應用是建造選擇性天文過濾器，以減少鈉和日光燈照明造成的光污染影響，同時通過其他顏色，尤其是來自星雲的深紅色的H-α譜線。[45]釹還用於去除由玻璃中的鐵雜質引起的綠色。[46]
釹和鐠的混合物didymium亦被用於給玻璃著色，製造焊工和吹玻璃工的護目鏡。它狹窄的吸收帶過濾了589nm處的鈉燃燒強光譜線。它也可以吸收578nm處的黃色汞譜線，這是在傳統白色日光燈的照射下釹玻璃顯現為為藍色的主要原因。釹和didymium玻璃還用於室內攝影的濾光鏡，特別是用於濾除白熾燈的黃色調，使得畫面中的色彩更鮮豔醒目。同樣的，釹玻璃也越來越廣泛地用於白熾燈，這些燈的玻璃中含有釹以濾除黃光，從而產生更像陽光的白光。[47]據報導，didymium鏡子在第一次世界大戰期間被用於在戰場上傳輸摩斯電碼。[48]與它在玻璃中的應用類似，釹鹽也用作琺瑯的著色劑。[8]
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乙酸鈾醯在數十年來一直是穿透式電子顯微鏡中的標準負染色劑之一。[49][50]然而，由於其具有微放射性和高毒性，乙酸鈾醯的使用越來越受到政府法規的阻礙。
在元素週期表中，因為釹位於鈾的上方，依照元素週期律，釹是化學性質和鈾最為相近的鑭系元素。因此在與超薄切片中的組織結合方面，釹和鈾的乙酸鹽表現的化學性質非常相似，在影像上產生的對比度也十分相近。[51]
生物作用
如同其他稀土元素，釹在人體內沒有已知的生物作用。
輕鑭系元素對於火山泥溫泉中的嗜甲烷菌（如Methylacidiphilum fumariolicum）至關重要，是其體內甲醇脫氫酶的重要輔助因子。由於輕鑭系元素間彼此化學性質的高度相似性，菌體內的鑭、鈰、鐠和釹可以相互取代而不會對菌體產生任何不良影響。若以釤、銪或釓等質量稍重的鑭系元素取代，除了使它們生長緩慢外亦沒有其他副作用。[59]除了Methylacidiphilum fumariolicum外，目前沒有發現釹在其他生物體中發揮任何生物學作用。[60]
危險性
金屬釹的粉塵是可燃的，會引起爆炸。釹化合物和所有鑭系元素化合物一樣，具有中低毒性。然而，其毒性尚未得到徹底調查。釹粉塵和鹽對眼睛和黏膜有很強的刺激性，對皮膚有中度刺激性。吸入釹粉塵會造成肺栓塞，累積接觸會損害肝臟。釹也可作為抗凝劑，尤其是靜脈注射時。[18]
釹磁鐵已經過醫療用途的測試，例如磁性支架和骨骼修復，但生物相容性阻礙了其廣泛應用。可商購的釹磁鐵的磁性很強，在遠處時仍可相互吸引。如果不小心，它們就會迅速並有力地吸引，造成受傷。曾有人使用兩個釹磁鐵從50厘米遠的地方相互吸引，結果直接夾斷他的手指。[62]
強力釹磁鐵的另一危害是當攝入不止一個釹磁鐵時，它們會相互吸引並夾傷胃腸道中的軟組織。這導致約1700次急診室就診[63]和釹磁鐵玩具的召回。[63][64]
註釋
參考文獻
外部連結
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