네오디뮴

Neodymium
네오디뮴, Nd
네오디뮴
발음/ˌ니 ːo ʊˈd ɪ mi əm/ (NEE-oh-DIM-ee-əm)
외모은백의
표준원자량 Ar°(Nd)
  • 144.242±0.003
  • 144.24±0.01(축)[1]
주기율표의 네오디뮴
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 카본 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브롬 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오븀 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 터븀 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수성(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 칼리포늄 아이슈타인 페르미움 멘델레비움 노벨륨 로렌시움 러더포디움 더브늄 시보리움 보흐리움 하시움 마이트네륨 다름슈타티움 로엔트게늄 코페르니슘 니혼이움 플레로비움 모스크바 주 리버모륨 테네시주 오가네손
–
↑
Nd
↓
U
프라세오디뮴 ← 네오디뮴 → 프로메튬
원자 번호 (Z)60
그룹.f-block 그룹(숫자 없음)
기간6교시
블록 f-블록
전자배치[Xe] 4f4 6s2
쉘당 전자 수2, 8, 18, 22, 8, 2
물리적 특성
단계 STP에서단단한
융점1297K (1024°C, 1875°F)
비등점3347K (3074°C, 5565°F)
밀도 (근처)7.01g/cm3
액체 상태일 때(에)6.89g/cm3
핵융합열7.14 kJ/mol
기화열289 kJ/mol
몰열용량27.45 J/(mol·K)
증기압
P (파) 1 10 100 1k 1만 100k
(K)에서 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
원자 특성
산화상태0,[2] +2, +3, +4 (약간 염기성 산화물)
전기 음성도폴링 눈금 : 1.14
이온화 에너지
  • 첫번째: 533.1 kJ/mol
  • 2위: 1040kJ/mol
  • 3위: 2130kJ/mol
원자 반지름경험 : 오후 181시
공유반경201±6시
Color lines in a spectral range
네오디뮴 스펙트럼선
기타속성
자연발생태고의
결정구조 이중 육각밀폐(dhcp)
Double hexagonal close packed crystal structure for neodymium
음속 얇은 막대2330 m/s (20 °C에서)
열팽창α, 폴리 : 9.6 µm/(m ⋅K) (at)
열전도율16.5 W/(m ⋅K)
전기저항α, 폴리: 643 N ω ⋅m
자기순서상자성, 20K 미만의 반강자성[3]
어금니 자기 민감도+5628.0x10cm−63/mol (287.7K)[4]
영률α형 : 41.4 GPa
전단 탄성 계수α형 : 16.3 GPa
벌크 모듈러스α형 : 31.8 GPa
포아송 비율α 형태 : 0.281
비커스 경도345–745 MPa
브리넬 경도265–700 MPa
CAS 번호7440-00-8
역사
디스커버리칼 구스타프 모산데르(1841)
1차 격리아우어 폰 웰즈바흐(1885)
이름:카를 아우어 폰 벨스바흐 (1885)
네오디뮴 동위 원소
주동위원소[5] 디케이
흥겨운 ­춤 반감기의 (t1/2) 모드 제품 ­
142Nd 27.2% 안정적인.
143Nd 12.2% 안정적인.
144Nd 23.8% 2.29x10y15 α 140쎄
145Nd 8.3% 안정적인.
146Nd 17.2% 안정적인.
148Nd 5.80% 안정적인.
150Nd 5.60% 6.7x1018 y β−β− 150스엠
카테고리: 네오디뮴
참고문헌

네오디뮴은 화학 원소로 기호는 Nd, 원자 번호는 60입니다.그것은 란타넘족 계열의 네 번째 구성원이며 희토류 금속 중 하나로 여겨집니다.그것은 단단하고 약간 변형 가능한 은빛의 금속으로 공기와 습기 속에서 빠르게 변색됩니다.산화되면 네오디뮴이 빠르게 반응하여 +2, +3, +4 산화 상태의 분홍색, 보라색, 파란색, 노란색의 화합물을 생성합니다.그것은 일반적으로 요소의 가장 복잡한 스펙트럼 중 하나로 여겨집니다.[6]네오디뮴은 1885년 오스트리아의 화학자 칼 아우어 폰 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach)에 의해 발견되었으며, 그는 프라세오디뮴도 발견했습니다.광물 모나자이트와 바스네사이트에 상당한 양이 존재합니다.네오디뮴은 금속 형태로 자연적으로 발견되지 않거나 다른 란타넘과 섞이지 않으며, 일반적으로 사용하기 위해 정제됩니다.네오디뮴은 코발트, 니켈, 구리만큼 흔하며 지각에 널리 분포합니다.[7]다른 많은 희토류 금속들이 그러하듯이, 세계의 상업적인 네오디뮴의 대부분은 중국에서 채굴됩니다.

네오디뮴 화합물은 1927년 유리 염료로 상업적으로 처음 사용되었으며 현재도 인기 있는 첨가제로 남아 있습니다.네오디뮴 화합물의 색은 Nd3+ 이온에서 유래하며, 종종 불그스름한 보라색입니다.그러나, 이것은 네오디뮴의 날카로운 빛 흡수 밴드와 수은, 3가 유로피움 또는 터븀의 날카로운 가시 방출 밴드로 풍부해진 주변 빛의 상호작용 때문에 조명의 종류에 따라 바뀝니다.네오디뮴이 도핑된 안경은 1047 나노미터에서 1062 나노미터 사이의 파장을 가진 적외선을 방출하는 레이저에 사용됩니다.이 레이저는 관성 구속 융합 실험과 같은 극도로 고출력의 응용 분야에 사용되어 왔습니다.네오디뮴은 이트륨 알루미늄 가넷과 같은 다양한 다른 기판 결정과 함께 사용됩니다.YAG 레이저.

네오디뮴 합금은 강력한 영구 자석의 한 종류인 고강도 네오디뮴 자석을 만드는 데 사용됩니다.[8]이러한 자석은 낮은 자석 질량(또는 부피) 또는 강한 자기장이 요구되는 마이크로폰, 전문가용 라우드스피커, 인이어 헤드폰, 고성능 취미용 DC 전기 모터, 컴퓨터 하드 디스크 등의 제품에 널리 사용되고 있습니다.더 큰 네오디뮴 자석은 높은 중량 대비 전력 비율을 갖는 전기 모터(예: 하이브리드 자동차) 및 발전기(예: 항공기 및 풍력 터빈 전기 발전기)에 사용됩니다.[9]

특성.

물리적 특성

금속성 네오디뮴은 밝고 은색의 금속 광택을 가지고 있습니다.[10]네오디뮴은 일반적으로 2개의 동소체 형태로 존재하며, 약 863°C에서 이중 육각형에서 물체 중심 입방 구조로의 변환이 일어납니다.[11]대부분의 란탄족 원소와 마찬가지로 네오디뮴도 상온에서 상자성을 띠며, 20 K(-253.2 °C)로 냉각하면 반강자성이 됩니다.[12]네오디뮴은 약 18%의 농도로 고전적인 미쉬메탈에 존재했던 희토류 금속입니다.네오디뮴 자석을 만들기 위해 그것은 강자성체인 철과 합금이 됩니다.[13]

전자배치

주기율표에서, 그것은 왼쪽의 란탄족 프라세오디뮴과 오른쪽의 방사성 원소 프로메튬 사이, 그리고 악티늄족 우라늄 위에 나타납니다.그것의 60개의 전자는 [Xe]4f6s42 구성으로 배열되어 있고, 그 중 6개의 4f 및 6s 전자는 원자가입니다.란탄 계열의 대부분의 다른 금속들처럼, 네오디뮴은 나머지 4f 전자들이 강하게 결합되어 있기 때문에 보통 3개의 전자들만 원자가 전자로 사용합니다: 왜냐하면 4f 궤도들이 전자들의 비활성 제논 코어를 통해 핵으로 가장 많이 침투하고, 그 다음으로 5d와 6s,이온 전하량이 높을수록 증가합니다네오디뮴은 핵 전하가 여전히 충분히 낮고 추가적인 원자가 전자를 제거할 수 있을 만큼 충분히 높은 4f 부껍질 에너지가 있는 란타넘족에서 일찍 나오기 때문에 여전히 4번째 전자를 잃을 수 있습니다.[14]

화학적 성질

네오디뮴은 란탄 계열의 네 번째 원소입니다.녹는점은 1,024 °C (1,875 °F), 끓는점은 3,074 °C (5,565 °F)입니다.네오디뮴은 다른 란타넘족 원소들과 마찬가지로 산화 상태가 +3이지만, +2와 +4의 산화 상태에서도 형성될 수 있으며, 심지어 매우 드문 조건에서도 +0을 형성할 수 있습니다.[15]네오디뮴 금속은 주변 환경에서 빠르게 산화되어 [11]철 녹과 같은 산화층을 형성하여 금속이 떨어져 나가 추가적인 산화에 노출됩니다. 센티미터 크기의 네오디뮴 샘플은 약 1년 안에 완전히 부식됩니다.Nd는3+ 일반적으로 물에 녹습니다.이웃한 프라세오디뮴과 마찬가지로 약 150 °C에서 쉽게 연소하여 네오디뮴()을 생성합니다.III) 산화물; 산화물이 벗겨져 벌크 금속이 추가 산화에 노출됩니다.[11]

4nd + 3O → 2ndO

네오디뮴은 꽤 전기 양성적인 원소이며, 차가운 물과 천천히 반응하거나 뜨거운 물과 빠르게 반응하여 네오디뮴을 형성합니다.III) 수산화물:

2차(s) + 6HO(l) → 2차(OH)(aq) + 3H(g)

네오디뮴 금속은 모든 안정한 할로겐 물질과 격렬하게 반응합니다.[16]

2nd(s) + 3F(g) → 2ndF(s) [보라색 물질]
2nd(s) + 3Cl(g) → 2ndCl(s) [무광물질]
2nd(s) + 3Br(g) → 2ndBr(s) [보라색 물질]
2nd(s) + 3I(g) → 2ndI(s) [녹색 물질]

네오디뮴은 묽은 황산에서 쉽게 용해되어 라일락 Nd(III) 이온을 포함하는 용액을 형성합니다.이들은 [Nd(OH2)]93+ 복합체로 존재합니다.[17]

2차(s) + 3HSO(aq) → 2차(aq) + 3SO2-4(aq) + 3H(g)

컴파운드

주요 기사:네오디뮴 화합물
네오디뮴()III) 황산염
아세트산 네오디뮴 분말
네오디뮴()III) 수산화물 분말

가장 중요한 네오디뮴 화합물은 다음과 같습니다.

어떤 네오디뮴 화합물은 조명의 종류에 따라 색깔이 다릅니다.[18]

  • Neodymium compounds in fluorescent tube light—from left to right, the sulfate, nitrate, and chloride

    형광관광에서의 네오디뮴 화합물—왼쪽부터 오른쪽까지, 황산염, 질산염, 염화물

  • Neodymium compounds in compact fluorescent lamp light

    소형 형광등의 네오디뮴 화합물

  • Neodymium compounds in normal daylight

    일반적인 대낮에 네오디뮴 화합물

유기오디뮴 화합물

참고 항목:유기란탄 화합물

유기오디뮴 화합물은 네오디뮴-탄소 결합을 가진 화합물입니다.이 화합물들은 다른 란타넘족과 유사하며, π 역결합을 할 수 없는 것이 특징입니다.따라서 이들은 대부분 이온성 사이클로펜타디엔화물(란탄과 등 구조)과 σ 결합된 단순 알킬 및 아릴에 제한되며, 일부는 중합성일 수 있습니다.

동위 원소

네오디뮴 동위 원소 (60Nd)
주동위원소[5] 디케이
흥겨운 ­춤 반감기의 (t1/2) 모드 제품 ­
142Nd 27.2% 안정적인.
143Nd 12.2% 안정적인.
144Nd 23.8% 2.29x10y15 α 140쎄
145Nd 8.3% 안정적인.
146Nd 17.2% 안정적인.
148Nd 5.80% 안정적인.
150Nd 5.60% 6.7x1018 y β−β− 150스엠
표준원자량 Ar°(Nd)
주요 기사:네오디뮴 동위 원소

자연적으로 생성되는 네오디뮴(Nd)은 Nd, Nd, Nd, Nd, Nd 등 5개의 안정 동위 원소로 구성되어 있으며, Nd가 가장 풍부하며(자연부존량의 27.2%) 반감기가 매우 긴 2개의 방사성 동위 원소, Nd(2.29×10년의 반감기를 가진 알파 붕괴)와 Nd(이중 베타 붕괴, t ≈ 7×10년)로 구성되어 있습니다.2022년 현재 33개의 네오디뮴 방사성동위원소가 검출되었으며, 가장 안정적인 방사성동위원소는 다음과 같습니다.144Nd와 Nd.나머지 방사성 동위 원소들은 모두 반감기가 12일보다 짧으며, 대부분은 반감기가 70초보다 짧습니다. 가장 안정한 인공 동위 원소는 Nd로 반감기가 10.98일입니다.

네오디뮴은 13개의 알려진 준안정 동위원소를 가지고 있으며, 가장 안정한 동위원소는 Nd(t = 5.5시간), Nd(t = 5.5분), Nd(t ~ 70초)입니다.가장 풍부한 안정 동위 원소인 Nd 이전의 1차 붕괴 모드는 전자 포획과 양전자 붕괴이며, 이후의 1차 붕괴 모드는 베타 마이너스 붕괴입니다.Nd 이전의 1차 붕괴 생성물은 Pr 원소(프라세오디뮴) 동위 원소이고 이후의 1차 생성물은 Pm 원소(프로메튬) 동위 원소입니다.[22]다섯 개의 안정 동위 원소 중 네 개는 세륨이나 사마륨 동위 원소로 붕괴될 것으로 예측되었으며 관측적으로만 안정적입니다.[23]또한, 관측적으로 안정한 일부 사마륨 동위 원소는 네오디뮴 동위 원소로 붕괴될 것으로 예측됩니다.[23]

네오디뮴 동위원소는 다양한 과학적 응용에 사용됩니다.142Nd는 수명이 짧은 Tm 및 Yb 동위 원소의 생성에 사용되었습니다.146Nd는 방사성 전력의 공급원인 Pm의 생산을 위해 제안되었습니다.몇몇 네오디뮴 동위 원소들은 다른 프로메튬 동위 원소들의 생성을 위해 사용되었습니다.Sm (t = 1.06 x 10 y)에서 안정한 Nd로의 붕괴는 사마륨-네오디뮴 연대 측정을 가능하게 합니다.150Nd는 이중 베타 붕괴를 연구하는 데에도 사용되었습니다.[25]

역사

1885년 네오디뮴을 발견한 칼 아우어 폰 벨스바흐 (1858–1929).[26]

1751년, 스웨덴의 광물학자 악셀 프레드릭 크론스테트는 바스네트(Bastnäs)의 광산에서 무거운 광물을 발견했고, 후에 세라이트(cerite)라고 이름 붙여졌습니다.30년 후, 광산을 소유하고 있는 가족 중 한 명인 15살의 빌헬름 히싱어는 칼 쉴레에게 샘플을 보냈는데, 그는 그 안에서 어떤 새로운 요소도 발견하지 못했습니다.1803년, 히싱어가 철의 달인이 된 후, 그는 욘스 야콥 베르젤리우스와 함께 광물로 돌아와 새로운 산화물을 분리했고, 그들은 2년 전에 발견된 왜소행성 세레스의 이름을 따서 세리아라고 이름 지었습니다.[27]세리아는 마르틴 하인리히 클라프로트에 의해 독일에서 동시에 독립적으로 고립되었습니다.[28]1839년과 1843년 사이에, 세리아는 베르젤리우스와 같은 집에 살았던 스웨덴의 외과의사이자 화학자인 칼 구스타프 모산더에 의해 산화물의 혼합물로 밝혀졌습니다; 그는 두 개의 다른 산화물을 분리했고, 그는 란타나와 디디미아라고 이름 지었습니다.[29][30][31]그는 세륨 나이트레이트 샘플을 공기 중에서 볶은 후 생성된 산화물을 희질산으로 처리함으로써 부분적으로 분해했습니다.이 산화물들을 형성한 금속들은 란탄과 디디뮴으로 명명되었고,[32] 1885년 칼 구스타프 모산더에 의해 비엔나에서 공식적으로 발견되었습니다.[33][34]Von Welsbach는 분광 분석을 통해 분리를 확인했지만, 이 제품들은 상대적으로 낮은 순도를 보였습니다.디디미움은 1841년 칼 구스타프 모산더에 의해 발견되었고, 1925년 순수한 네오디뮴이 그것으로부터 분리되었습니다.네오디뮴이라는 이름은 그리스어로 neos(νέος), new, didymos(διδύμος)라는 쌍둥이 단어에서 유래되었습니다.

이중 질산염 결정화는 1950년대까지 상업적인 네오디뮴 정제의 수단이었습니다.린제이화학사업부는 네오디뮴의 대규모 이온교환 정제를 최초로 상용화했습니다.1950년대부터 고순도(>99%) 네오디뮴은 주로 희토류 원소가 풍부한 광물인 모나자이트로부터 이온 교환 과정을 통해 얻어졌습니다.[11]이 금속은 할로겐화물 염의 전기 분해를 통해 얻어집니다.현재 대부분의 네오디뮴은 바스나사이트에서 추출되고 용매 추출로 정제됩니다.이온 교환 정제는 가장 높은 순도(일반적으로 99.99% 이상)에 사용됩니다.진화하는 기술과 상업적으로 이용 가능한 산화 네오디뮴의 순도 향상은 오늘날 네오디뮴 안경의 컬렉션 등장에 반영되었습니다.1930년대에 만들어진 초기 네오디뮴 안경은 초기 기술, 즉 부분 결정화를 사용하여 프라세오디뮴의 흔적을 제거하는 데 어려움이 있기 때문에 더 깨끗한 보라색인 현대 버전보다 더 붉은 색이나 오렌지 색을 가지고 있습니다.[37]

직접 구동 풍력 터빈에 사용되는 영구 자석에서의 그것의 역할 때문에, 네오디뮴이 재생 가능한 에너지로 운영되는 세계에서 지정학적 경쟁의 주요 대상 중 하나가 될 것이라고 주장되어 왔습니다.이러한 관점은 대부분의 풍력 터빈이 영구 자석을 사용하지 않는다는 것을 인식하지 못하고, 생산 확대를 위한 경제적 인센티브의 힘을 과소평가한다는 비판을 받아 왔습니다.[38][39]

발생 및 생산

발생

바스네사이트

네오디뮴은 자연계에서 거의 발견되지 않으며, 대신에 모든 희토류 금속을 소량 포함하는 모나자이트와 바스나사이트(단일 광물 이름이 아닌 광물 그룹 이름)와 같은 광석으로 발생합니다.이러한 광물에서 네오디뮴은 거의 우세하지 않습니다; 일부 예외에는 모나자이트-(Nd)와 코조이트-(Nd)가 포함됩니다.[40]주요 광산 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카 그리고 호주입니다.네오디뮴의 세계 매장량은 8백만 톤으로 추정됩니다.[41]

Nd3+ 이온은 주기율표에서 즉시 이어지는 세륨 그룹(란탄에서 사마륨 및 유로피움에 이르는 란탄)의 초기 란탄과 크기가 유사하므로 인산염, 규산염 및 탄산염 광물, 예를 들어 모나자이트(MPOIII4) 및 바스나사이트(MCOFIII3)에서 함께 발생하는 경향이 있습니다. 여기서 M은 모든 희토류가 만나는 것을 나타냅니다.또한 스칸듐과 방사성 프로메튬을 제외하고는 (대부분 Ce, La, Y이며 Pr과 Nd는 다소 적음).[42]바스나사이트는 보통 토륨과 무거운 란탄화물이 부족하며, 가벼운 란탄화물의 정화는 덜 관여합니다.광석은 분쇄 및 분쇄 후 고온 농축 황산, 진화하는 이산화탄소, 플루오르화수소, 사불화규소 등으로 먼저 처리됩니다.그 후 제품은 물과 함께 건조되고 침출되며 란탄을 포함한 초기 란탄 이온은 용액에 남습니다.[42]

태양계 풍부도[43]
아토믹
번호		 요소 관련있는
양
42 몰리브덴 2.771
47 실버 0.590
50 주석 4.699
58 세륨 1.205
59 프라세오디뮴 0.205
60 네오디뮴 1
74 텅스텐 0.054
90 토륨 0.054
92 우라늄 0.022

우주에서

태양계에서 네오디뮴의 입자당 존재량은 0.083ppb입니다.[43][a]이 수치는 백금의 약 3분의 2이지만, 수은의 2배 반, 그리고 금의 약 5배에 이 수치입니다.[43]란타넘족은 보통 우주에서 발견되지 않으며, 지구의 지각에서 훨씬 더 풍부합니다.[43][44][45]

지각 속에서

A line chart generally declining towards its right
네오디뮴은 희토류 금속이기 때문에 지구의 지각에서 꽤 흔한 원소입니다.대부분의 희토류 금속은 덜 풍부합니다.

네오디뮴은 일반적으로 산소와 결합된 상태로 발견된다는 것을 의미하는 골드슈미트 분류에 따라 암석질로 분류됩니다.비록 네오디뮴은 희토류 금속에 속하지만, 전혀 희귀하지 않습니다.그것의 지각 내 풍부함은 약 38mg/kg으로, 그것은 27번째로 가장 흔한 원소입니다.그것은 란탄과 풍부함이 비슷합니다.세륨은 가장 흔한 희토류 금속이고, 네오디뮴이 그 뒤를 이으며 란타늄이 그 뒤를 이룹니다.[44][45]

생산.

2004년 세계의 네오디뮴 생산량은 약 7,000톤이었습니다.[35]현재 생산량의 대부분은 중국산입니다.역사적으로, 중국 정부는 그 원소에 전략적인 물질 통제를 가했고, 가격에 큰 변동을 일으켰습니다.[46]가격과 가용성의 불확실성으로 인해 회사들(특히 일본 회사들)은 더 적은 희토류 금속으로 영구 자석과 관련 전기 모터를 개발하게 되었지만 지금까지 네오디뮴의 필요성을 제거하지 못했습니다.[47][48]미국 지질조사국에 따르면 그린란드는 미개발 희토류 퇴적물 중 가장 많은 매장량을 보유하고 있는데, 특히 네오디뮴이 가장 많습니다.채굴 과정에서 방사성 물질이 방출되기 때문에 채굴에 대한 관심은 해당 지역의 원주민들과 충돌합니다.[49]

네오디뮴은 일반적으로 광희토류 원소 광물 바스나사이트와 모나자이트의 상업적 매장량의 10-18%입니다.[11]네오디뮴 화합물이 3가 란타넘족을 위해 가장 강력한 색을 띠기 때문에, 그것은 때때로 경쟁하는 발색단이 없을 때 희토류 광물의 색을 지배할 수 있습니다.그것은 보통 분홍색을 띕니다.이것의 뛰어난 예로는 볼리비아 랄라과의 주석 퇴적물에서 나온 모나자이트 결정체, 캐나다 퀘벡의 몽생힐레어에서 온 안실라이트, 또는 미국 펜실베니아의 사우콘 계곡에서 온 란타나이트 등이 있습니다.네오디뮴 안경과 마찬가지로, 그러한 광물들은 다양한 조명 조건 하에서 그들의 색을 바꿉니다.네오디뮴의 흡수 대역은 수은 증기의 가시적인 방출 스펙트럼과 상호작용하며, 여과되지 않은 단파 UV광은 네오디뮴 함유 광물이 독특한 녹색을 반사하도록 합니다.이는 모나자이트 함유 모래 또는 배스내사이트 함유 광석으로 관찰할 수 있습니다.[50]

인구의 증가와 산업의 발전에 따라 희토류 원소(네오디뮴 포함) 등의 중요한 물질에 대한 광물자원의 수요가 급증하고 있습니다.최근 저탄소 사회에 대한 요구로 인해 배터리, 고효율 모터, 신재생 에너지원, 연료전지 등과 같은 에너지 절약 기술에 대한 수요가 크게 증가하고 있습니다.이러한 기술들 중에서, 영구 자석들은 고효율 모터들을 제조하기 위해 종종 사용되는데, 네오디뮴-철-붕소 자석들(NdFeB214 소결 및 접합 자석들; 이하 NdFeB 자석들이라 함)[51]은 그 발명 이후 시장에서 주요한 유형의 영구 자석이다.NdFeB 자석은 하이브리드 전기 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV), 전기 자동차(EV) 및 연료 전지 자동차(FCV)(이하 xEV라 함), 풍력 터빈, 가전 제품, 컴퓨터 및 많은 소형 소비자 전자 장치에 사용됩니다.[52]게다가, 그것들은 에너지 절약에 필수적입니다.파리 협정의 목적을 달성하기 위해, NdFeB 자석의 수요는 앞으로 크게 증가할 것으로 예상됩니다.[52]

적용들

자석

자세한 정보:네오디뮴 자석
하드 드라이브의 뮤-메탈 브래킷에 네오디뮴 자석

네오디뮴 자석(합금, NdFeB214)은 알려진 가장 강한 영구 자석입니다.수십 그램의 네오디뮴 자석은 자신의 무게의 천 배를 들어올릴 수 있고, 뼈를 부러뜨릴 수 있을 만큼 충분한 힘으로 함께 부러질 수 있습니다.이 자석들은 사마륨-코발트 자석들보다 더 싸고, 더 가볍고, 더 강합니다.그러나 네오디뮴 기반 자석은 낮은 온도에서[61] 자성을 잃고 부식되는 경향이 있는 반면 [62]사마륨-코발트 자석은 그렇지 않기 때문에 모든 면에서 우수하지는 않습니다.[63]

네오디뮴 자석은 질량이 낮거나 부피가 작거나 강한 자기장이 필요한 마이크, 전문 스피커, 헤드폰, 기타 및 베이스 기타 픽업, 컴퓨터 하드 디스크와 같은 제품에 나타납니다.네오디뮴은 하이브리드 자동차와 전기 자동차의 전기 모터와 상업용 풍력 터빈의 일부 설계의 전기 발전기에 사용됩니다("영구 자석" 발전기가 있는 풍력 터빈만 네오디뮴을 사용합니다).예를 들어, 각 Toyota Prius의 구동 전기 모터는 차량당 1kg(2.2파운드)의 네오디뮴이 필요합니다.[9]

2020년, 라드보드 대학과 웁살라 대학의 물리학 연구원들은 네오디뮴의 원자 구조에서 "자기 유도 스핀 글라스"로 알려진 행동을 관찰했다고 발표했습니다.연구원 중 한 명은 "…우리는 스캔 터널 현미경 전문가입니다.개별 원자의 구조를 볼 수 있게 해주고, 원자의 북극과 남극을 분해할 수 있게 해줍니다.이러한 고정밀 영상학의 발전으로 우리는 네오디뮴에서 자기 구조의 놀라운 작은 변화를 해결할 수 있었기 때문에 이러한 행동을 발견할 수 있었습니다."네오디뮴은 주기율표 원소에서 이전에 볼 수 없었던 복잡한 자기 방식으로 행동합니다.[64][65]

유리

베이스와 내부 코팅이 제거된 네오디뮴 유리 전구로, 왼쪽은 형광, 오른쪽은 백열등 두 종류의 조명이 있습니다.
디디미움 안경

네오디뮴 유리(Nd:glass)는 유리 용융물에 네오디뮴 산화물(NdO23)을 포함함으로써 생성됩니다.보통 대낮이나 백열등 네오디뮴 유리는 라벤더처럼 보이지만 형광등을 비추면 옅은 파란색으로 보입니다.네오디뮴은 순수한 바이올렛부터 와인 레드, 따뜻한 그레이까지 섬세한 색조로 유리를 색칠하는 데 사용될 수 있습니다.[66]

정제된 네오디뮴을 상업적으로 처음 사용한 것은 1927년 11월 레오 모저의 실험을 시작으로 유리 착색이었습니다.이렇게 만들어진 "알렉산드라이트" 유리는 오늘날까지 모저 유리 작품의 대표적인 색깔로 남아 있습니다.네오디뮴 유리는 1930년대 초에 하이세이, 포스토리아, 캠브리지, 슈테우벤과 다른 곳(예: 랄리크, 프랑스, 무라노)에 의해 널리 모방되었습니다.티핀의 "트와일라잇"은 1950년부터 1980년까지 제작되었습니다.[67]현재 공급원으로는 체코, 미국, 중국의 유리 제조업체들이 있습니다.[68]

네오디뮴의 날카로운 흡수 밴드는 다양한 조명 조건에서 유리 색을 변화시킵니다. 대낮이나 노란색 백열등에서는 붉은 보라색이지만 흰색 형광등에서는 파란색, 3색 조명에서는 초록색입니다.이 색이 변하는 현상은 수집가들이 매우 높이 평가하고 있습니다.[citation needed]골드나 셀레늄과 조합하여 레드 컬러가 생성됩니다.네오디뮴 색은 원자 깊은 곳에서 "금지된" f-f 전이에 의존하기 때문에 화학적 환경으로부터 색에 대한 영향이 상대적으로 적기 때문에 유리의 열 역사에 영향을 미치지 않습니다.그러나 최상의 색상을 위해서는 유리를 만드는 데 사용되는 실리카에 철을 함유한 불순물을 최소화해야 합니다.f-f 전이의 동일한 금지된 특성은 대부분의 d-전이 원소가 제공하는 것보다 희토류 착색제의 강도를 낮춥니다. 따라서 원하는 색 강도를 얻기 위해서는 유리에 더 많은 양을 사용해야 합니다.원래의 모저 요리법은 유리 용융물에 약 5%의 산화 네오디뮴을 사용했는데, 이는 모저가 이것들을 "희토류가 도핑된" 유리잔이라고 부를 정도로 충분한 양입니다.강력한 염기이기 때문에, 그 수준의 네오디뮴이 유리의 용융 특성에 영향을 미쳤을 것이고, 유리의 석회 함량은 그에 따라 조정되어야 했을 것입니다.[69]

네오디뮴 안경을 통해 전달되는 빛은 이례적으로 날카로운 흡수 대역을 보여줍니다. 이 유리는 스펙트럼 선이 보정될 수 있는 날카로운 대역을 생성하기 위해 천문학 작업에 사용됩니다.[11]또 다른 응용 분야는 나트륨과 형광 조명으로 인한 빛 오염의 영향을 줄이기 위한 선택적인 천문학 필터의 개발입니다. 다른 색은 통과시키고, 특히 성운에서 나오는 암적색 수소-알파 방출입니다.[70]네오디뮴은 또한 유리에서 철 오염물질로 인한 녹색을 제거하는 데 사용됩니다.[71]

Nd:YAG 레이저봉

네오디뮴(Neodymium)은 용접공용 고글과 유리-블로워용 고글을 만들기 위해 유리에 색을 입히는 데 사용되는 "디디뮴"(네오디뮴과 프라세오디뮴의 소금의 혼합물을 일컫는 말)의 성분입니다. 날카로운 흡수 밴드는 589 nm에서 강한 나트륨 방출을 지웁니다.578 nm에서 황색 수은 방출선이 유사하게 흡수된 것은 전통적인 백색 형광 조명 하에서 네오디뮴 유리에서 관측된 청색의 주요 원인입니다.네오디뮴과 디디뮴 유리는 실내 사진, 특히 백열등에서 노란색을 걸러내는 데 사용되는 색 강화 필터에 사용됩니다.마찬가지로, 네오디뮴 유리는 백열 전구에 직접적으로 더 널리 사용되고 있습니다.이 램프들은 노란색 빛을 걸러내기 위해 유리 안에 네오디뮴을 함유하고 있어 햇빛에 더 가까운 더 하얀 빛을 만들어냅니다.[72]제1차 세계 대전 동안, 디디뮴 거울은 전장을 가로질러 모스 부호를 전송하는 데 사용되었다고 합니다.[73]안경에 쓰이는 것과 비슷하게, 네오디뮴 염은 에나멜의 착색제로 사용됩니다.[11]

레이저

네오디뮴 이온의 농도가 작은 특정 투명 물질은 적외선 파장(1054~1064 nm)의 이득 매질로 레이저에 사용될 수 있습니다. 예를 들어 Nd:YAG(이트륨 알루미늄 가넷), Nd:YAP(이트륨 알루미늄 페로브스카이트),[74] Nd:YLF(불화 이트륨 리튬), Nd:YVO4(이트륨 오르토바나데이트) 및 Nd:유리.네오디뮴이 도핑된 결정(일반적으로 Nd:YVO4)는 상용 DPSS 휴대용 레이저 및 레이저 포인터에서 녹색 레이저로 변환되는 고출력 적외선 레이저 빔을 생성합니다.

관성 구속 융합을 위해 매우 강력한 레이저에 사용되는 네오디뮴 도핑 유리 슬라브

3가 네오디뮴 이온 Nd는3+ 레이저 방사선 생성에 사용된 희토류 원소에서 나온 최초의 란탄이었습니다.더 Nd:CaWO4 레이저는 1961년에 개발되었습니다.[75]역사적으로, 그것은 세 번째로 작동된 레이저였습니다 (첫 번째는 루비, 두 번째는 U3+:CaF 레이저).수년에 걸쳐 네오디뮴 레이저는 응용 목적으로 가장 많이 사용되는 레이저 중 하나가 되었습니다.Nd3+ 이온의 성공은 에너지 수준의 구조와 레이저 방사선 생성에 적합한 분광 특성에 있습니다.1964년 Geusic et al.[76] 은 YAG matrix YAlO에서3512 네오디뮴 이온의 작동을 증명했습니다.문턱이 낮고 기계 및 온도 특성이 우수한 4단계 레이저입니다.이 물질의 광학 펌핑을 위해 비간섭성 플래시 램프 방사선 또는 간섭성 다이오드 빔을 사용하는 것이 가능합니다.[77]

다양한 종류의 이온 결정에 있는 네오디뮴 이온은 레이저 이득 매개체로 작용하며, 일반적으로 외부 소스로부터 여기로 "펌프"된 후 네오디뮴 이온의 특정 원자 전이로부터 1064 nm의 빛을 방출합니다.

현재 영국 핵무기 시설(AWE)의 레이저인 HELEN(High Energy Laser Embifying Neodymium) 1테라와트 네오디뮴-유리 레이저는 압력과 온도 영역의 중간 지점에 접근할 수 있으며, 탄두 내부에서 밀도와 온도, 압력이 어떻게 상호작용하는지 모델링하는 데 사용됩니다.HELEN은 약 10K의6 플라즈마를 생성할 수 있으며, 이로부터 방사선의 불투명도와 투과도가 측정됩니다.[78]

네오디뮴 유리 고체 레이저는 관성 구속 융합을 위해 초고출력(테라와트 스케일), 고에너지(메가줄) 다중 빔 시스템에 사용됩니다.Nd:유리 레이저는 일반적으로 레이저 융합 장치에서 351 nm에서 세 번째 고조파로 주파수가 3배 증가합니다.[79]

초산우라닐 대용품

주요 기사:아세트산 네오디뮴

초산우라닐은 수십 년 동안 투과전자현미경(TEM)의 표준 대조제였습니다.[80][81]하지만, 방사능 특성과 높은 독성 때문에 정부의 규제로 인해 사용이 점점 더 어려워지고 있습니다.따라서, 우롱차 추출물과 같은 덜 정의된 물질의 사용뿐만 아니라 란타넘족 아세테이트 또는 플래티넘 블루를 포함하는 대안이 모색되고 있습니다.[86][87]이러한 공개된 대안에도 불구하고, 초산우라닐(UAc)은 여전히 EM 대조의 표준입니다.[54]

주기율표에서 원소들의 그룹별 수직 순서는 가장 바깥쪽 껍질에 같은 수의 전자가 존재하는 것을 기반으로 하며, 이는 원소들의 화학적, 물리적 성질을 결정합니다.[88]네오디뮴(Nd)이 우라늄(U) 바로 위에 있기 때문에 UAc와 NdAc의 화학적 특성은 초박막 단면의 조직과 매우 유사하므로 유사한 양의 대조를 초래합니다.[89]

생물학적 역할 및 주의사항

네오디뮴
유해성
GHS 라벨링:
GHS07: Exclamation mark
경고문
H315, H319, H335
P261, P305+P351+P338[90]
NFPA 704 (파이어다이아몬드)
NFPA 704 four-colored diamondHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
2
0
0

초기의 란탄은 Methylacidiphilum fumariolicum과 같은 화산 진흙 웅덩이에 사는 일부 메탄영양 박테리아에게 필수적인 것으로 밝혀졌습니다: 란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴이 거의 동등하게 효과적입니다.[91][92]네오디뮴은 다른 생물체에서는 생물학적 역할을 하지 않는 것으로 알려져 있습니다.[93]

네오디뮴 금속 먼지는 가연성이므로 폭발 위험이 있습니다.네오디뮴 화합물은 모든 희토류 금속과 마찬가지로 낮은 독성에서 중간 정도의 독성을 가지고 있지만, 그 독성에 대해서는 철저히 조사되지 않았습니다.네오디뮴 염은 섭취할 경우 불용성인 경우보다 용해성인 경우 더 독성이 강한 것으로 간주됩니다.[94]네오디뮴 먼지와 소금은 눈과 점막에 매우 자극적이며 피부에는 적당히 자극적입니다.먼지를 들이마시면 폐색전증이 생길 수 있고, 노출이 누적되면 간이 손상됩니다.네오디뮴은 특히 정맥주사를 맞을 때 항응고제 역할도 합니다.[35]

네오디뮴 자석은 자기 교정기와 뼈 치료와 같은 의학적 용도로 시험되었지만, 생체 적합성 문제로 광범위한 적용을 방해하고 있습니다.[citation needed]네오디뮴으로 만들어진 상업적으로 이용 가능한 자석은 매우 강하고 먼 거리에서 서로를 끌어당길 수 있습니다.조심스럽게 다루지 않으면 매우 빠르고 힘있게 모여 부상을 입습니다.예를 들어, 한 사람이 사용하던 자석 두 개가 50cm 떨어진 곳에서 서로 똑 부러지면서 손가락 끝을 잃은 사례가 적어도 하나는 기록되어 있습니다.[95]

이 강력한 자석의 또 다른 위험은 하나 이상의 자석을 섭취하면 위장관의 연조직을 꼬집을 수 있다는 것입니다.이로 인해 약 1,700명의 응급실 방문이[96] 이루어졌으며 소형 네오디뮴 자석으로 구성된 버키볼 계열의 장난감을 회수해야 했습니다.[96][97]

참고 항목

메모들

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