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Neodimio

El neodimio es un elemento químico ; tiene el símbolo Nd y el número atómico 60. Es el cuarto miembro de la serie de los lantánidos y se considera uno de los metales de tierras ...

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El neodimio es un elemento químico ; tiene el símbolo Nd y el número atómico 60. Es el cuarto miembro de la serie de los lantánidos y se considera uno de los metales de tierras raras . Es un metal duro , ligeramente maleable y plateado que se empaña rápidamente en el aire y la humedad. Cuando se oxida, el neodimio reacciona rápidamente, produciendo compuestos rosas, púrpuras/azules y amarillos en los estados de oxidación +2, +3 y +4 . Generalmente se considera que tiene uno de los espectros más complejos de los elementos. [ 9 ] El neodimio fue descubierto en 1885 por el químico austriaco Carl Auer von Welsbach , quien también descubrió el praseodimio . El neodimio está presente en cantidades significativas en los minerales monacita y bastnäsita . El neodimio no se encuentra naturalmente en forma metálica ni sin mezclar con otros lantánidos, y generalmente se refina para uso general. El neodimio es bastante común —tan común como el cobalto , el níquel o el cobre— y está ampliamente distribuido en la corteza terrestre . La mayor parte del neodimio comercial del mundo se extrae en China, al igual que ocurre con muchos otros metales de tierras raras.

Los compuestos de neodimio se utilizaron comercialmente por primera vez como colorantes para vidrio en 1927 y siguen siendo un aditivo popular. El color de los compuestos de neodimio proviene del ion Nd³⁺ y suele ser de color púrpura rojizo. Este color cambia con el tipo de iluminación debido a la interacción de las bandas de absorción de luz nítidas del neodimio con la luz ambiental enriquecida con las bandas de emisión visibles nítidas del mercurio , el europio trivalente o el terbio . Los vidrios dopados con neodimio se utilizan en láseres que emiten infrarrojos con longitudes de onda entre 1046 y 1062 nanómetros. Estos láseres se han utilizado en aplicaciones de potencia extremadamente alta, como en la fusión por confinamiento inercial . El neodimio también se utiliza con otros cristales de sustrato , como el granate de itrio y aluminio en el láser Nd:YAG .

Las aleaciones de neodimio se utilizan para fabricar imanes de neodimio de alta resistencia , que son potentes imanes permanentes . [ 10 ] Estos imanes se utilizan ampliamente en productos como micrófonos , altavoces profesionales , auriculares intrauditivos , motores eléctricos de CC de alto rendimiento para aficionados y discos duros de ordenador , donde se requiere una masa (o volumen) magnética baja o campos magnéticos fuertes. Los imanes de neodimio más grandes se utilizan en motores eléctricos con altas relaciones potencia-peso (por ejemplo, en coches híbridos ) y generadores (por ejemplo, generadores eléctricos de aeronaves y turbinas eólicas ). [ 11 ]

Propiedades físicas

El neodimio metálico tiene un brillo metálico plateado. [ 12 ] El neodimio suele existir en dos formas alotrópicas , con una transformación de una estructura hexagonal doble a una cúbica centrada en el cuerpo que tiene lugar a unos 863  °C. [ 13 ] El neodimio, como la mayoría de los lantánidos, es paramagnético a temperatura ambiente. Se convierte en un antiferromagneto al enfriarse por debajo de 20 K (−253,2 °C) . [ 14 ] Por debajo de esta temperatura de transición, exhibe un conjunto de fases magnéticas complejas [ 15 ] [ 16 ] que tienen largos tiempos de relajación de espín y comportamiento de vidrio de espín . [ 17 ] El neodimio es un metal de tierras raras que estaba presente en el mischmetal clásico en una concentración de aproximadamente el 18 %. Para fabricar imanes de neodimio, se alea con hierro , que es un ferromagneto . [ 18 ]  

Configuración electrónica

El neodimio es el cuarto miembro de la serie de los lantánidos . En la tabla periódica , aparece entre el praseodimio, a su izquierda, y el prometio, elemento radiactivo , a su derecha, y por encima del uranio, un actínido . Sus 60 electrones se disponen en la configuración [Xe] 4f⁴6s² , de los cuales los seis electrones 4f y 6s son de valencia . Al igual que la mayoría de los metales de la serie de los lantánidos, el neodimio suele utilizar solo tres electrones como electrones de valencia, ya que posteriormente los electrones 4f restantes están fuertemente ligados: esto se debe a que los orbitales 4f penetran más a través del núcleo inerte de electrones del xenón hasta el núcleo, seguidos por los orbitales 5d y 6s, y esto aumenta con una mayor carga iónica. El neodimio aún puede perder un cuarto electrón porque se encuentra al principio de la serie de los lantánidos, donde la carga nuclear es lo suficientemente baja y la energía de la subcapa 4f lo suficientemente alta como para permitir la eliminación de más electrones de valencia. [ 19 ]

Propiedades químicas

El neodimio tiene un punto de fusión de 1024 °C (1875 °F) y un punto de ebullición de 3074 °C (5565 °F) . Al igual que otros lantánidos, generalmente tiene el estado de oxidación +3, pero también puede formarse en los estados de oxidación +2 y +4, e incluso, en condiciones muy raras, +0. [ 4 ] El metal neodimio se oxida rápidamente en condiciones ambientales, [ 13 ] formando una capa de óxido como el óxido de hierro que puede desprenderse y exponer el metal a una mayor oxidación; una muestra de neodimio de tamaño centimétrico se corroe completamente en aproximadamente un año. El Nd 3+ es generalmente soluble en agua. Al igual que su vecino praseodimio , arde fácilmente a unos 150 °C para formar óxido de neodimio(III) ; el óxido luego se desprende, exponiendo el metal a granel a una mayor oxidación: [ 13 ]     

4Nd + 3O 2 → 2Nd 2 O 3

El neodimio es un elemento electropositivo y reacciona lentamente con agua fría, o rápidamente con agua caliente, para formar hidróxido de neodimio(III) : [ 20 ]

2Nd (s) + 6H 2 O (l) → 2Nd(OH) 3 (acuoso) + 3H 2 (g)

El metal neodimio reacciona vigorosamente con todos los halógenos estables : [ 20 ]

2Nd (s) + 3F 2 (g) → 2NdF 3 (s) [una sustancia violeta]
2Nd (s) + 3Cl 2 (g) → 2NdCl 3 (s) [una sustancia malva]
2Nd (s) + 3Br 2 (g) → 2NdBr 3 (s) [una sustancia violeta]
2Nd (s) + 3I 2 (g) → 2NdI 3 (s) [una sustancia verde]

El neodimio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen el ion Nd(III) lila . Estos existen como complejos [Nd(OH 2 ) 9 ] 3+ : [ 21 ]

2Nd (s) + 3H 2 SO 4 (ac) → 2Nd 3+ (ac) + 3SO 2− 4 (ac) + 3H 2 (g)

compuestos

sulfato de neodimio(III)
Polvo de acetato de neodimio
polvo de hidróxido de neodimio(III)

Algunos de los compuestos de neodimio más importantes incluyen:

Algunos compuestos de neodimio varían de color bajo diferentes tipos de iluminación. [ 22 ]

compuestos organonodimio

Los compuestos de organoneodimio son compuestos que poseen un enlace neodimio-carbono. Estos compuestos son similares a los de los demás lantánidos , caracterizados por su incapacidad para experimentar retrodonación π . Por lo tanto, se limitan principalmente a los ciclopentadienuros mayoritariamente iónicos (isoestructurales con los del lantano) y a los alquilos y arilos simples con enlaces σ, algunos de los cuales pueden ser poliméricos . [ 23 ]

isótopos

El neodimio natural ( 60Nd ) está compuesto por cinco isótopos estables : 142Nd , 143Nd , 145Nd , 146Nd y 148Nd , siendo el 142Nd el más abundante (27,2% de la abundancia natural ), y dos radioisótopos con vidas medias extremadamente largas, 144Nd ( desintegración alfa con una vida media ( t1 /2 ) de2,29 × 10 15 años) y 150 Nd ( desintegración beta doble , t 1/2  ≈9,3 × 10 18 años). En total, se han detectado 35 radioisótopos de neodimio hasta 2022., siendo los radioisótopos más estables los que se encuentran en la naturaleza: 144 Nd y 150 Nd. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a doce días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 70 segundos; el isótopo artificial más estable es el 147 Nd con una vida media de 10,98 días.

El neodimio también tiene 15 isótopos metaestables conocidos , siendo el más estable 139m Nd ( t 1/2  = 5,5 horas), 135m Nd ( t 1/2  = 5,5 minutos) y 133m1 Nd ( t 1/2 ~70 segundos). Los modos de desintegración primarios antes del isótopo estable más abundante, 142 Nd, son la captura electrónica y la desintegración positrónica , y el modo primario después es la desintegración beta menos . Los productos de desintegración primarios antes de 142 Nd son isótopos de praseodimio , y los productos primarios después de 142 Nd son isótopos de prometio . [ 24 ] Cuatro de los cinco isótopos estables son solo observacionalmente estables, lo que significa que se espera que experimenten desintegración radiactiva, aunque con vidas medias lo suficientemente largas como para ser considerados estables para fines prácticos. [ 25 ] Además, se predice que algunos isótopos de samario observablemente estables se desintegrarán en isótopos de neodimio. [ 25 ]

Los isótopos de neodimio se utilizan en diversas aplicaciones científicas. El 142Nd se ha utilizado para la producción de isótopos de corta vida de tulio e iterbio . Se ha sugerido el 146Nd para la producción de 147Pm , que es una fuente de energía radiactiva. Varios isótopos de neodimio se han utilizado para la producción de otros isótopos de prometio. La desintegración del 147Sm ( t 1/2  =1,06 × 10 11  y ) al estable 143 Nd permite la datación samario-neodimio . [ 26 ] El 150 Nd también se ha utilizado para estudiar la desintegración beta doble . [ 27 ]

Historia

Carl Auer von Welsbach (1858–1929), quien descubrió el neodimio en 1885 [ 28 ]

En 1751, el mineralogista sueco Axel Fredrik Cronstedt descubrió un mineral pesado de la mina de Bastnäs , más tarde llamado cerita . Treinta años después, Wilhelm Hisinger , de quince años , miembro de la familia propietaria de la mina, envió una muestra a Carl Scheele , quien no encontró ningún elemento nuevo en ella. En 1803, después de que Hisinger se convirtiera en un maestro del hierro, regresó al mineral con Jöns Jacob Berzelius y aisló un nuevo óxido, al que llamaron ceria en honor al planeta enano Ceres , que había sido descubierto dos años antes. [ 29 ] La ceria fue aislada simultáneamente e independientemente en Alemania por Martin Heinrich Klaproth . [ 30 ] Entre 1839 y 1843, el cirujano y químico sueco Carl Gustaf Mosander , que vivía en la misma casa que Berzelius, demostró que la ceria era una mezcla de óxidos ; Separó otros dos óxidos, a los que llamó lantano y didimio . [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Descompuso parcialmente una muestra de nitrato de cerio tostándola en aire y luego tratando el óxido resultante con ácido nítrico diluido . Los metales que formaron estos óxidos fueron llamados lantano y didimio . [ 34 ] Posteriormente se demostró que el didimio no era un solo elemento cuando Carl Auer von Welsbach lo dividió en dos elementos, praseodimio y neodimio, en Viena en 1885. [ 35 ] [ 36 ] Von Welsbach confirmó la separación mediante análisis espectroscópico , pero los productos eran de pureza relativamente baja. El neodimio puro se aisló por primera vez en 1925. El nombre neodimio deriva de las palabras griegas neos (νέος), nuevo, y didymos (διδύμος), gemelo. [ 13 ] [ 37 ] [ 38 ]

La cristalización doble de nitrato fue el método de purificación comercial del neodimio hasta la década de 1950. Lindsay Chemical Division fue la primera en comercializar la purificación de neodimio a gran escala mediante intercambio iónico. A partir de la década de 1950, el neodimio de alta pureza (>99%) se obtenía principalmente mediante un proceso de intercambio iónico a partir de monacita , un mineral rico en elementos de tierras raras. [ 13 ] El metal se obtiene mediante la electrólisis de sus sales de haluro . Actualmente, la mayor parte del neodimio se extrae de la bastnäsita y se purifica mediante extracción con solventes. La purificación por intercambio iónico se utiliza para las purezas más altas (típicamente >99,99%). Desde entonces, la tecnología del vidrio ha mejorado debido a la mayor pureza del óxido de neodimio disponible comercialmente y al avance de la tecnología del vidrio en general. Los primeros métodos de separación de los lantánidos dependían de la cristalización fraccionada, que no permitía el aislamiento de neodimio de alta pureza hasta que se desarrollaron los métodos de intercambio iónico mencionados anteriormente después de la Segunda Guerra Mundial. [ 39 ]

Ocurrencia y producción

Aparición

Bastnäsite

El neodimio rara vez se encuentra en la naturaleza como elemento libre, sino que aparece en menas como la monacita y la bastnäsita (que son grupos de minerales , no minerales individuales) que contienen pequeñas cantidades de todos los elementos de tierras raras. El neodimio rara vez es el elemento dominante en estos minerales, con excepciones como la monacita-(Nd) y la kozoíta-(Nd). [ 40 ] Las principales zonas mineras se encuentran en China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia.

El ion Nd 3+ es similar en tamaño a los iones de los primeros lantánidos del grupo del cerio (los del lantano al samario y europio ). Como resultado, tiende a aparecer junto con ellos en minerales de fosfato , silicato y carbonato , como la monacita (M III PO 4 ) y la bastnäsita (M III CO 3 F), donde M se refiere a todos los metales de tierras raras excepto el escandio y el prometio radiactivo (principalmente Ce, La e Y, con algo menos de Pr y Nd). [ 41 ] La bastnäsita generalmente carece de torio y lantánidos pesados, y la purificación de los lantánidos ligeros a partir de ella es menos compleja que a partir de la monacita. El mineral, después de ser triturado y molido, se trata primero con ácido sulfúrico concentrado caliente, que libera dióxido de carbono, fluoruro de hidrógeno y tetrafluoruro de silicio . Luego, el producto se seca y se lixivia con agua, dejando los iones lantánidos iniciales, incluido el lantano, en solución. [ 41 ]

En el espacio

La abundancia de neodimio por partícula en el Sistema Solar es de 0,083 ppb (partes por mil millones). [ 42 ] [ b ] Esta cifra es aproximadamente dos tercios de la del platino , pero dos veces y media mayor que la del mercurio y casi cinco veces mayor que la del oro. [ 42 ] Los lantánidos no suelen encontrarse en el espacio y son mucho más abundantes en la corteza terrestre . [ 42 ] [ 43 ]

En la corteza terrestre

Un gráfico de líneas que generalmente desciende hacia su derecha.
El neodimio es un elemento bastante común en la corteza terrestre, a pesar de ser un metal de tierras raras. La mayoría de los metales de tierras raras son menos abundantes.

El neodimio se clasifica como litófilo según la clasificación de Goldschmidt , lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Aunque pertenece a los metales de tierras raras, el neodimio no es para nada raro. Su abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 41  mg/kg. [ 43 ] Su abundancia es similar a la del lantano .

Producción

La producción mundial de neodimio fue de aproximadamente 7000 toneladas en 2004. [ 37 ] En 2015, la mayor parte de la producción y las reservas de tierras raras se encontraban en China. [ 44 ] La incertidumbre sobre los precios y la disponibilidad ha llevado a las empresas (en particular las japonesas) a crear imanes permanentes y motores eléctricos asociados con menos metales de tierras raras. [ 45 ] [ 46 ]

El neodimio suele representar entre el 10 y el 18 % del contenido de tierras raras en los depósitos comerciales de los minerales de elementos de tierras raras ligeras bastnäsita y monacita. [ 13 ] Dado que los compuestos de neodimio son los lantánidos trivalentes con el color más intenso, ocasionalmente puede dominar la coloración de los minerales de tierras raras cuando no hay cromóforos que compitan con él. Generalmente produce una coloración rosa. Ejemplos destacados de esto incluyen cristales de monacita de los depósitos de estaño en Llallagua , Bolivia; ancylita de Mont Saint-Hilaire , Quebec , Canadá; o lantanita de Lower Saucon Township, Pensilvania . Al igual que con los vidrios de neodimio, estos minerales cambian de color bajo diferentes condiciones de iluminación. Las bandas de absorción del neodimio interactúan con el espectro de emisión visible del vapor de mercurio , y la luz UV de onda corta sin filtrar hace que los minerales que contienen neodimio reflejen un color verde característico. Esto se puede observar con arenas que contienen monacita o mineral que contiene bastnäsita. [ 47 ]

La demanda de recursos minerales, como elementos de tierras raras (incluido el neodimio) y otros materiales críticos, ha aumentado rápidamente debido al crecimiento de la población humana y el desarrollo industrial. Recientemente, la necesidad de una sociedad baja en carbono ha generado una demanda significativa de tecnologías de ahorro de energía, como baterías, motores de alta eficiencia, fuentes de energía renovables y pilas de combustible. Entre estas tecnologías, los imanes permanentes se utilizan a menudo para fabricar motores de alta eficiencia, siendo los imanes de neodimio-hierro-boro ( imanes sinterizados y unidos de Nd₂Fe₁₄B; en adelante, imanes de NdFeB ) el principal tipo de imán permanente en el mercado desde su invención. [ 48 ] Los imanes de NdFeB se utilizan en vehículos eléctricos híbridos , vehículos eléctricos híbridos enchufables , vehículos eléctricos , vehículos con pilas de combustible , turbinas eólicas , electrodomésticos , ordenadores y muchos pequeños dispositivos electrónicos de consumo. [ 49 ] Además, son indispensables para el ahorro de energía. Para lograr los objetivos del Acuerdo de París , se espera que la demanda de imanes de NdFeB aumente significativamente en el futuro. [ 49 ]

Aplicaciones

imanes

Imanes de neodimio en soportes de mu-metal de discos duros.

Los imanes de neodimio (una aleación, Nd₂Fe₁₄B ) son los imanes permanentes más potentes que se conocen. Un imán de neodimio de unas pocas decenas de gramos puede levantar mil veces su propio peso y contraerse con la fuerza suficiente para romper huesos. Estos imanes son más baratos, ligeros y potentes que los imanes de samario-cobalto . Sin embargo, no son superiores en todos los aspectos, ya que los imanes de neodimio pierden su magnetismo a bajas temperaturas [ 50 ] y tienden a corroerse [ 51 ] , mientras que los imanes de samario-cobalto no [ 52 ] .

Los imanes de neodimio aparecen en productos como micrófonos , altavoces profesionales , auriculares , pastillas para guitarra y bajo , y discos duros de ordenador donde se requieren baja masa, pequeño volumen o campos magnéticos fuertes. El neodimio se utiliza en los motores eléctricos de automóviles híbridos y eléctricos [ 49 ] y en los generadores de electricidad de algunos diseños de turbinas eólicas comerciales (solo las turbinas eólicas con generadores de "imán permanente" utilizan neodimio). [ 53 ] Por ejemplo, los motores eléctricos de tracción de cada Toyota Prius requieren un kilogramo (2,2 libras) de neodimio por vehículo. [ 11 ] Los imanes permanentes de boruro de hierro y neodimio ( Nd₂Fe₁₄B ) a menudo se fabrican con elementos de tierras raras pesadas como el disprosio y el terbio como sustituyentes para mejorar su rendimiento en condiciones de calor, ya que los imanes pierden rendimiento rápidamente por encima de la temperatura ambiente. [ 54 ] Los imanes de neodimio se utilizan en dispositivos médicos como la resonancia magnética y en tratamientos para el dolor crónico y la cicatrización de heridas. [ 55 ]

Vaso

Una bombilla de cristal de neodimio , con la base y el revestimiento interior retirados, bajo dos tipos diferentes de luz: fluorescente a la izquierda e incandescente a la derecha.
Cristales de didimio

El vidrio de neodimio (vidrio Nd:) se produce mediante la inclusión de óxido de neodimio (Nd₂O₃ ) en la masa fundida del vidrio. A la luz del día o con luz incandescente , el vidrio de neodimio presenta un color lavanda, pero bajo iluminación fluorescente se ve azul pálido . El neodimio puede utilizarse para colorear el vidrio en tonalidades que van desde el violeta puro hasta el rojo vino y el gris cálido. [ 56 ]

El primer uso comercial del neodimio purificado fue en la coloración del vidrio, comenzando con los experimentos de Leo Moser en noviembre de 1927. El vidrio "Alexandrita" resultante sigue siendo un color característico de la fábrica de vidrio Moser hasta el día de hoy. El vidrio de neodimio fue ampliamente imitado a principios de la década de 1930 por fábricas de vidrio estadounidenses, sobre todo Heisey, Fostoria ("glicina"), Cambridge ("flor de brezo") y Steuben ("glicina"), y en otros lugares (por ejemplo, Lalique, en Francia, o Murano). El "crepúsculo" de Tiffin se mantuvo en producción desde aproximadamente 1950 hasta 1980. [ 57 ] Las fuentes actuales incluyen fabricantes de vidrio en la República Checa, Estados Unidos y China. [ 58 ]

Las marcadas bandas de absorción del neodimio provocan que el color del vidrio cambie bajo diferentes condiciones de iluminación: adquiere un tono rojo púrpura bajo la luz natural o la luz incandescente amarilla , azul bajo la luz fluorescente blanca y verdoso bajo la luz tricromática . En combinación con oro o selenio , se producen colores rojos. Dado que la coloración del neodimio depende de transiciones ff " prohibidas " en el interior del átomo, la influencia del entorno químico sobre el color es relativamente pequeña, por lo que este es inmune a la historia térmica del vidrio. Sin embargo, para obtener el mejor color, es necesario minimizar las impurezas que contienen hierro en la sílice utilizada para fabricar el vidrio. La misma naturaleza prohibida de las transiciones ff hace que los colorantes de tierras raras sean menos intensos que los proporcionados por la mayoría de los elementos de transición d, por lo que se debe utilizar una mayor cantidad en el vidrio para lograr la intensidad de color deseada. La receta original de Moser utilizaba aproximadamente un 5 % de óxido de neodimio en la masa fundida del vidrio, una cantidad suficiente como para que Moser se refiriera a estos vidrios como vidrios "dopados con tierras raras". Al ser una base fuerte, ese nivel de neodimio habría afectado las propiedades de fusión del vidrio, y el contenido de cal del vidrio podría haber necesitado ajustes. [ 59 ]

La luz transmitida a través de vidrios de neodimio muestra bandas de absorción inusualmente nítidas ; este vidrio se utiliza en astrofotografía para producir bandas definidas que permiten calibrar las líneas espectrales . [ 13 ] Otra aplicación es la creación de filtros astronómicos selectivos para reducir el efecto de la contaminación lumínica de la iluminación de sodio y fluorescente, permitiendo el paso de otros colores, especialmente la emisión de hidrógeno alfa de color rojo oscuro de las nebulosas. [ 60 ] El neodimio también se utiliza para eliminar el color verde causado por los contaminantes de hierro en el vidrio. [ 61 ]

Varilla láser Nd:YAG

El neodimio es un componente del didimio (que se refiere a la mezcla de sales de neodimio y praseodimio ) utilizado para colorear el vidrio en la fabricación de gafas para soldadores y sopladores de vidrio; las bandas de absorción nítidas obliteran la fuerte emisión de sodio a 589  nm. La absorción similar de la línea de emisión de mercurio amarillo a 578  nm es la causa principal del color azul observado en el vidrio de neodimio bajo iluminación fluorescente blanca tradicional. El vidrio de neodimio y didimio se utiliza en filtros de mejora del color en fotografía de interiores, particularmente para filtrar los tonos amarillos de la iluminación incandescente. De manera similar, el vidrio de neodimio se está utilizando cada vez más directamente en bombillas incandescentes . Estas lámparas contienen neodimio en el vidrio para filtrar la luz amarilla, lo que resulta en una luz más blanca que se asemeja más a la luz solar. [ 62 ] Durante la Primera Guerra Mundial , se informó que se utilizaron espejos de didimio para transmitir código Morse a través de los campos de batalla. [ 63 ] De forma similar a su uso en vidrios, las sales de neodimio se utilizan como colorante para esmaltes . [ 13 ]

Láseres

Ciertos materiales transparentes con una pequeña concentración de iones de neodimio pueden utilizarse en láseres como medios de ganancia para longitudes de onda infrarrojas (1054–1064  nm), por ejemplo, Nd:YAG (granate de itrio y aluminio), Nd:YAP ( perovskita de itrio y aluminio ), [ 64 ] Nd:YLF (fluoruro de itrio y litio), Nd :YVO 4 (ortovanadato de itrio) y Nd:vidrio. Los cristales dopados con neodimio (típicamente Nd:YVO 4 ) generan haces láser infrarrojos de alta potencia que se convierten en luz láser verde en láseres portátiles y punteros láser DPSS comerciales . [ 65 ]

Placas de vidrio dopadas con neodimio utilizadas en láseres extremadamente potentes para la fusión por confinamiento inercial.

El ion neodimio trivalente Nd³⁺ fue el primer lantánido de los elementos de tierras raras utilizado para la generación de radiación láser. El láser Nd:CaWO₄ se desarrolló en 1961. [ 66 ] Históricamente, fue el tercer láser que se puso en funcionamiento (el primero fue el rubí, el segundo el láser U³⁺ : CaF₂). Con el paso de los años, el láser de neodimio se convirtió en uno de los láseres más utilizados para aplicaciones. El éxito del ion Nd³⁺ reside en la estructura de sus niveles de energía y en las propiedades espectroscópicas adecuadas para la generación de radiación láser. En 1964, Geusic et al. [ 67 ] demostraron el funcionamiento del ion neodimio en una matriz de YAG Y₃Al₅O₁₂ . Se trata de un láser de cuatro niveles con un umbral más bajo y excelentes propiedades mecánicas y térmicas. Para el bombeo óptico de este material es posible utilizar radiación de lámpara de destellos no coherente o un haz de diodo coherente. [ 68 ]

Los iones de neodimio presentes en diversos tipos de cristales iónicos, así como en vidrios, actúan como medio de ganancia láser, emitiendo típicamente luz de 1064 nm a partir de una transición atómica particular en el ion de neodimio, después de ser "bombeados" para su excitación desde una fuente externa.

El láser actual del Centro de Armas Atómicas del Reino Unido (AWE), el HELEN (High Energy Laser Embodying Neodymium), un láser de neodimio-vidrio de 1 teravatio , puede acceder a los puntos medios de las regiones de presión y temperatura y se utiliza para adquirir datos para modelar cómo interactúan la densidad, la temperatura y la presión dentro de las ojivas. HELEN puede crear plasmas de alrededor de 10⁶ K , a partir de los cuales se miden la opacidad y la transmisión de la radiación. [ 69 ]

Los láseres de estado sólido de vidrio de neodimio se utilizan en sistemas de haces múltiples de potencia extremadamente alta ( escala de teravatios ) y alta energía ( megajulios ) para la fusión por confinamiento inercial . Los láseres de Nd:vidrio suelen triplicar su frecuencia hasta el tercer armónico a 351  nm en los dispositivos de fusión láser. [ 70 ]

Otro

Otras aplicaciones del neodimio incluyen:

Función biológica y precauciones

Se ha descubierto que los primeros lantánidos, incluido el neodimio, así como el lantano , el cerio y el praseodimio , son esenciales para algunas bacterias metanotróficas que viven en pozas de lodo volcánico , como Methylacidiphilum fumariolicum . [ 84 ] [ 85 ] No se conoce que el neodimio tenga otra función biológica en ningún otro organismo. [ 86 ]

El polvo de neodimio es combustible y, por lo tanto, presenta riesgo de explosión. Los compuestos de neodimio, al igual que todos los metales de tierras raras, tienen una toxicidad de baja a moderada; sin embargo, su toxicidad no se ha investigado exhaustivamente. Se considera que las sales de neodimio ingeridas son más tóxicas si son solubles que si son insolubles. [ 87 ] El polvo y las sales de neodimio son muy irritantes para los ojos y las membranas mucosas , y moderadamente irritantes para la piel. La inhalación del polvo puede causar embolias pulmonares , y la exposición acumulada daña el hígado. El neodimio también actúa como anticoagulante , especialmente cuando se administra por vía intravenosa. [ 37 ]

Se han probado imanes de neodimio para usos médicos como aparatos ortopédicos magnéticos y reparación ósea, pero los problemas de biocompatibilidad han impedido su aplicación generalizada. [ 88 ] Los imanes de neodimio disponibles comercialmente son excepcionalmente fuertes y pueden atraerse entre sí a grandes distancias. Si no se manipulan con cuidado, se juntan muy rápida y violentamente, causando lesiones. Existe al menos un caso documentado de una persona que perdió la punta de un dedo cuando dos imanes que estaba usando se juntaron a 50  cm de distancia. [ 89 ]

Otro riesgo de estos potentes imanes es que, si se ingiere más de uno, pueden pellizcar los tejidos blandos del tracto gastrointestinal . Esto ha provocado aproximadamente 1700 visitas a urgencias [ 90 ] y obligó a retirar del mercado la línea de juguetes Buckyballs , que consistía en kits de construcción con pequeños imanes de neodimio. [ 90 ] [ 91 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ La expansión térmica es anisotrópica : los parámetros (a 20 °C) para cada eje cristalino son α a  = 4,8 × 10 −6 /K, α c  = 10,5 × 10 −6 /K, y α promedio =  α V /3 = 6,7 × 10 −6 /K. [ 3 ]
  2. ↑ Las abundancias en la fuente se enumeran en relación con el silicio en lugar de en notación por partícula. La suma de todos los elementos por cada 10⁶ partes de silicio es 2,6682 × 10⁶10 partes; el plomo consta de 3,258 partes.

Referencias

  1. 1 2 "Pesos atómicos estándar: Neodimio" . CIAAW . 2005.
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  • WebElements.com—Neodimio
  • Es elemental: el elemento neodimio.
  • El neodimio en la tabla periódica de los vídeos (Universidad de Nottingham)
  • EnvironmentalChemistry.com – Neodimio
  • Imágenes y más detalles sobre el metal neodimio