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Neodym

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Vorlage:Infobox Chemisches Element

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 Vorlage:Lang „neu“ und Vorlage:Lang „Zwilling“ (als Zwilling von Lanthan) ab. Das Metall wird in Form der Legierung Neodym-Eisen-Bor für starke Permanentmagnete verwendet.

Geschichte

Datei:Auer von Welsbach.jpg
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 Vorlage:Lang „Zwilling“.<ref>Carl Gustav Mosander: Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lanthanium und Didymium, sowie über die mit der Yttererde vorkommenden neuen Metalle Erbium und Terbium. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 60, 1843, S. 297–315 (Digitalisat in der deutschen Wikisource).</ref> 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.<ref>Levy Tansjö: Carl Gustav Mosander and his research of rare earths. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 42–49.</ref>

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.<ref>M. Delafontaine: La didyme de la cérite est probablement un mélange de plusiers corps. In: Comptes Rendus. Band 78, 1878, S. 634–635 (Vorlage:Gallica).</ref> 1879 konnte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Samarium aus Didym isolieren.<ref>Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Recherches sur le samarium, radical d’une terre nouvelle extraite de la samarskite. In: Comptes Rendus. Band 89, 1879, S. 212–214 (Vorlage:Gallica).</ref><ref>F. Szabadvary, C. Evans: The 50 Years following Mosander. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 59–60.</ref> 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.<ref>Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 37–39.</ref>

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 Vorlage:Lang (mit Nebenform Vorlage:Lang) „grün“ Praseodym (quasi „grüner Zwilling“), das zweite nach dem griechischen Vorlage:Lang „neu“ Neodym (quasi „neuer Zwilling“).<ref>Carl Auer v. Welsbach: Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente. In: Monatshefte für Chemie. 6 (1), 1885, S. 477–491, hier S. 490; Vorlage:DOI.</ref><ref>Gerd Meyer: Die (ungleichen) Didymium-Zwillinge: Praseodym und Neodym. In: Chemie in unserer Zeit. 2001, Band 35, Nummer 2, S. 116–123, Vorlage:DOI.</ref>

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.<ref>W. Muthmann, L. Weiss: I. Untersuchungen über die Metalle der Cergruppe. In: Justus Liebig s Annalen der Chemie. 1904, Band 331, Nummer 1, S. 1–46 Vorlage:DOI.</ref>

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.<ref>Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 37–39.</ref> 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.<ref>Jan Mergl, Lenka Merglová Pánková: Moser 1857-2017. 1. Auflage, Moser, ISBN 978-80-270-1135-3, S. 123 (online).</ref><ref>Alexandrit Glass. In: Charles Bray: Dictionary of Glass: Materials and Techniques. University of Pennsylvania Press, 2001, ISBN 978-081-2-23619-4, S. 22.</ref>

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:

Der wichtigste Lieferant mit 91 % der Weltproduktion ist China.<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref name="eu" /> 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“.<ref>Das schmutzige Geheimnis sauberer Windräder. In: Panorama. 28. April 2011.</ref> 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.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

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.

<math>\mathrm{2\ NdF_3\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Nd\ +\ 3\ CaF_2}</math>

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.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref> 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.<ref name="Schoßig">Mandy Schoßig: Seltene Erden – Daten & Fakten. Öko-Institut e. V., Berlin, Januar 2011.</ref>

Die Jahresproduktion wurde 2012 auf 21.000 t geschätzt, davon kommen 91 % aus China.<ref name="eu" /> Laut USGS lag der Preis für 1 kg Neodym 2001 unter 10 USD.<ref name="usgs" /> 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.<ref name="fas" /> 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.<ref>Tagesaktueller Neodym-Preis, auf neodym-preis.de, abgerufen am 26. September 2023</ref>

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.

Eigenschaften

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Neodyms Kristallstruktur

Physikalische Eigenschaften

Datei:Neodym 1.jpg
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 Vorlage:ZahlExp zu 140Ce, einem Nuklid mit der „magischen“ Neutronenzahl 82. Noch größer ist mit Vorlage:ZahlExp die Halbwertszeit von 150Nd, das durch doppelten Betazerfall zu 150Sm wird.

Verwendung

Verbindungen

Oxide

Halogenide

Andere Verbindungen

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 HcJ schwankt im Bereich von 870 bis 2750 kA/m.

Weblinks

Vorlage:Commonscat Vorlage:Wiktionary

Einzelnachweise

<references> <ref name="eu"> Vorlage:Internetquelle </ref> <ref name="fas"> Vorlage:Internetquelle</ref> <ref name="usgs"> Vorlage:Internetquelle</ref> </references>

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Vorlage:Normdaten

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