Neodym

Neodym ⓘ
Gefahren
	GHS-Kennzeichnung:
Piktogramme
Signalwort	Warnhinweis
Gefahrenhinweise	H315, H319, H335
Sicherheitshinweise	P261, P305+P351+P338
NFPA 704 (Feuerdiamant)	2 0 0

Hauptisotope von Neodym (₆₀Nd) ⓘ
Standard-Atomgewicht Ar°(Nd)	144.242±0.003; 144,24±0,01 (verkürzt);
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Neodym, ₆₀Nd ⓘ
Neodym
Aussprache	/ˌniːoʊˈdɪmiəm/ (NEE-oh-DIM-ee-əm)
Erscheinungsbild	silbrig-weiß
Standard-Atomgewicht Ar°(Nd)	144.242±0.003; 144,24±0,01 (verkürzt);
Neodym im Periodensystem
	Praseodym ← Neodym → Promethium
Ordnungszahl (Z)	60
Gruppe	Gruppe k.A.
Periode	Periode 6
Block	f-Block
Elektronen-Konfiguration	[[[Xenon\|Xe]]] 4f4 6s2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 22, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	fest
Schmelzpunkt	1297 K (1024 °C, 1875 °F)
Siedepunkt	3347 K (3074 °C, 5565 °F)
Dichte (nahe r.t.)	7,01 g/cm3
in flüssigem Zustand (bei mittlerem Druck)	6,89 g/cm3
Schmelzwärme	7,14 kJ/mol
Verdampfungswärme	289 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	27,45 J/(mol-K)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	0, +2, +3, +4 (ein schwach basisches Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1.14
Ionisierungsenergien	1: 533,1 kJ/mol ; 2.: 1040 kJ/mol ; 3.: 2130 kJ/mol ; ;
Atomradius	empirisch: 181 pm
Kovalenter Radius	201±6 pm
	Spektrallinien von Neodym
Sonstige Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	primordial
Kristallstruktur	doppelt hexagonal dicht gepackt (dhcp)
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	2330 m/s (bei 20 °C)
Thermische Ausdehnung	α, poly: 9,6 µm/(m⋅K) (bei r.t.)
Wärmeleitfähigkeit	16,5 W/(m⋅K)
Elektrischer Widerstand	α, poly: 643 nΩ⋅m
Magnetische Ordnung	paramagnetisch, antiferromagnetisch unter 20 K
Molare magnetische Suszeptibilität	+5628,0×10-6 cm3/mol (287,7 K)
Elastizitätsmodul	α-Form: 41,4 GPa
Schermodul	α-Form: 16,3 GPa
Elastizitätsmodul	α-Form: 31,8 GPa
Poissonzahl	α-Form: 0.281
Vickers-Härte	345-745 MPa
Brinell-Härte	265-700 MPa
CAS-Nummer	7440-00-8
Geschichte
Entdeckung	Carl Auer von Welsbach (1885)
Hauptisotope von Neodym
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Neodym ist ein chemisches Element mit dem Symbol Nd und der Ordnungszahl 60. Es ist das vierte Mitglied der Lanthanidenreihe und wird zu den Seltenerdmetallen gezählt. Es ist ein hartes, leicht verformbares, silbriges Metall, das an der Luft und bei Feuchtigkeit schnell anläuft. Bei der Oxidation reagiert Neodym schnell und erzeugt rosa, violett/blaue und gelbe Verbindungen in den Oxidationsstufen +2, +3 und +4. Es wird allgemein als eines der komplexesten Spektren der Elemente angesehen. Neodym wurde 1885 von dem österreichischen Chemiker Carl Auer von Welsbach entdeckt, der auch Praseodym entdeckte. Es ist in bedeutenden Mengen in den Mineralien Monazit und Bastnäsit enthalten. Neodym kommt in der Natur nicht in metallischer Form oder unvermischt mit anderen Lanthaniden vor und wird in der Regel für den allgemeinen Gebrauch raffiniert. Neodym ist relativ häufig - etwa so häufig wie Kobalt, Nickel oder Kupfer - und in der Erdkruste weit verbreitet. Der größte Teil des weltweit kommerziell genutzten Neodyms wird in China abgebaut, wie auch viele andere Seltenerdmetalle. ⓘ

Neodymverbindungen wurden erstmals 1927 kommerziell als Glasfarbstoffe verwendet und sind nach wie vor ein beliebter Zusatzstoff. Die Farbe von Neodymverbindungen stammt vom Nd³⁺-Ion und ist oft rötlich-violett, ändert sich aber je nach Art der Beleuchtung, da die scharfen Lichtabsorptionsbanden von Neodym mit dem Umgebungslicht interagieren, das mit den scharfen sichtbaren Emissionsbanden von Quecksilber, dreiwertigem Europium oder Terbium angereichert ist. Mit Neodym dotierte Gläser werden in Lasern verwendet, die Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen 1047 und 1062 Nanometern emittieren. Diese Laser werden für Anwendungen mit extrem hoher Leistung verwendet, wie z. B. für Experimente zur Trägheitsfusion. Neodym wird auch mit verschiedenen anderen Substratkristallen verwendet, wie z. B. Yttrium-Aluminium-Granat im Nd:YAG-Laser. ⓘ

Neodym wird in den Legierungen verwendet, die zur Herstellung von hochfesten Neodym-Magneten - einer Art leistungsstarker Dauermagneten - eingesetzt werden. Diese Magnete werden häufig in Produkten wie Mikrofonen, professionellen Lautsprechern, In-Ear-Kopfhörern, leistungsstarken Hobby-Gleichstrommotoren und Computerfestplatten verwendet, wo eine geringe Magnetmasse (oder ein geringes Volumen) oder starke Magnetfelder erforderlich sind. Größere Neodym-Magnete werden in Elektromotoren mit einem hohen Leistungsgewicht (z. B. in Hybridautos) und in Generatoren (z. B. in Flugzeugen und Windkraftanlagen) verwendet. ⓘ

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 νέος neos ‚neu‘ und δίδυμος didymos ‚Zwilling‘ (als Zwilling von Lanthan) ab. Das Metall wird in Form der Legierung Neodym-Eisen-Bor für starke Permanentmagnete verwendet. ⓘ

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Neodym ist das vierte Mitglied der Lanthanidenreihe. Im Periodensystem steht es zwischen den Lanthaniden Praseodym zu seiner Linken und dem radioaktiven Element Promethium zu seiner Rechten und oberhalb des Aktinids Uran. Seine 60 Elektronen sind in der Konfiguration [Xe]4f⁴6s² angeordnet. Wie die meisten anderen Metalle der Lanthanidenreihe nutzt Neodym in der Regel nur drei Elektronen als Valenzelektronen, da die übrigen 4f-Elektronen danach stark gebunden sind: Dies liegt daran, dass die 4f-Orbitale am stärksten durch den trägen Xenon-Elektronenkern zum Kern vordringen, gefolgt von 5d und 6s, und dies nimmt mit höherer Ionenladung zu. Neodym kann immer noch ein viertes Elektron verlieren, da es in der Gruppe der Lanthanoide am Anfang steht, wo die Kernladung noch niedrig genug und die Energie der 4f-Unterschale hoch genug ist, um die Entfernung weiterer Valenzelektronen zu ermöglichen. Metallisches Neodym hat einen hellen, silbrigen Metallglanz. ⓘ

Neodym kommt üblicherweise in zwei allotropen Formen vor, wobei bei etwa 863 °C eine Umwandlung von einer doppelhexagonalen in eine kubisch-raumzentrierte Struktur stattfindet. Neodym ist, wie die meisten Lanthanoide, bei Raumtemperatur paramagnetisch und wird bei Abkühlung auf 20 K (-253,2 °C) zum Antiferromagneten. Es ist ein Seltenerdmetall, das im klassischen Mischmetall in einer Konzentration von etwa 18 % enthalten war. Zur Herstellung von Neodym-Magneten wird es mit Eisen legiert, das ein Ferromagnet ist. ⓘ

Chemische Eigenschaften

Neodym hat wie die anderen Lanthanoide in der Regel die Oxidationsstufe +3, kann aber auch in den Oxidationsstufen +2 und +4 und in sehr seltenen Fällen sogar in der Oxidationsstufe +0 vorkommen. Neodym-Metall oxidiert unter Umgebungsbedingungen schnell und bildet eine Oxidschicht wie Eisenrost, die abplatzt und das Metall einer weiteren Oxidation aussetzt; eine zentimetergroße Probe Neodym korrodiert in etwa einem Jahr vollständig. Wie sein Nachbar Praseodym verbrennt es leicht bei etwa 150 °C unter Bildung von Neodym(III)-oxid; das Oxid blättert ab und setzt das Hauptmetall der weiteren Oxidation aus:

4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O_{3 ⓘ}

Neodym ist ein recht elektropositives Element und reagiert langsam mit kaltem Wasser oder schnell mit heißem Wasser unter Bildung von Neodym(III)-hydroxid:

2Nd (s) + 6H₂O (l) → 2Nd(OH)₃ (aq) + 3H₂ (g) ⓘ

Neodym-Metall reagiert heftig mit allen stabilen Halogenen:

2Nd (s) + 3F₂ (g) → 2NdF₃ (s) [ein violetter Stoff]

2Nd (s) + 3Cl₂ (g) → 2NdCl₃ (s) [eine violette Substanz]

2Nd (s) + 3Br₂ (g) → 2NdBr₃ (s) [eine violette Substanz]

2Nd (s) + 3I₂ (g) → 2NdI₃ (s) [ein grüner Stoff] ⓘ

Neodym löst sich leicht in verdünnter Schwefelsäure und bildet Lösungen, die das lilafarbene Nd(III)-Ion enthalten. Diese liegen in Form von [Nd(OH₂)₉]³⁺-Komplexen vor:

2Nd (s) + 3H₂SO₄ (aq) → 2Nd³⁺ (aq) + 3SO2-4 (aq) + 3H₂ (g) ⓘ

Kristallstruktur des Neodyms ⓘ

Physikalische Eigenschaften

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. ⓘ

Verbindungen

Neodym(III)-sulfat

Neodym-Acetat-Pulver

Neodym(III)-hydroxid-Pulver

Zu den wichtigsten Neodymverbindungen gehören:

Halogenide: Neodym(III)-fluorid; (NdF₃); Neodym(II)-chlorid (NdCl₂); Neodym(III)-chlorid (NdCl₃); Neodym(III)-bromid (NdBr₃); Neodym(II)-iodid (NDI₂); Neodym(III)-iodid (NdI₃)
Oxide: Neodym(III)-oxid (Nd₂O₃)
Hydroxid: Neodym(III)-hydroxid (Nd(OH)₃)
Karbonat: Neodym(III)-karbonat (Nd₂(CO₃)₃)
Sulfat: Neodym(III)-sulfat (Nd₂(SO₄)₃)
Acetat: Neodym-Acetat (Nd(CH₃COO)₃)
Neodym-Magnete (Nd₂Fe₁₄B) ⓘ

Einige Neodymverbindungen haben Farben, die je nach Art der Beleuchtung variieren. ⓘ

Neodymverbindungen im Licht von Leuchtstoffröhren - von links nach rechts: Sulfat, Nitrat und Chlorid
Neodymverbindungen im Licht von Kompaktleuchtstofflampen
Neodym-Verbindungen bei normalem Tageslicht ⓘ

Organoneodym-Verbindungen

Organoneodym-Verbindungen sind Verbindungen, die eine Neodym-Kohlenstoff-Bindung aufweisen. Diese Verbindungen ähneln denen der anderen Lanthanide und zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht in der Lage sind, eine π-Backbond-Bindung einzugehen. Sie beschränken sich daher im Wesentlichen auf die meist ionischen Cyclopentadienide (isostrukturell mit denen von Lanthan) und die σ-gebundenen einfachen Alkyle und Aryle, von denen einige polymer sein können. ⓘ

Isotope

Natürlich vorkommendes Neodym (₆₀Nd) besteht aus fünf stabilen Isotopen - ¹⁴²Nd, ¹⁴³Nd, ¹⁴⁵Nd, ¹⁴⁶Nd und ¹⁴⁸Nd, wobei ¹⁴²Nd am häufigsten vorkommt (27,2 % der natürlichen Häufigkeit) - und zwei Radioisotopen mit extrem langen Halbwertszeiten, ¹⁴⁴Nd (Alpha-Zerfall mit einer Halbwertszeit (t_1/2) von 2,29×10¹⁵ Jahren) und ¹⁵⁰Nd (doppelter Beta-Zerfall, t_1/2 ≈ 7×10¹⁸ Jahre). Insgesamt wurden bis zum Jahr 2022 33 Radioisotope des Neodyms nachgewiesen, wobei die stabilsten Radioisotope die natürlich vorkommenden sind: ¹⁴⁴Nd und ¹⁵⁰Nd. Alle übrigen radioaktiven Isotope haben eine Halbwertszeit von weniger als zwölf Tagen, und die meisten von ihnen haben eine Halbwertszeit von weniger als 70 Sekunden; das stabilste künstliche Isotop ist ¹⁴⁷Nd mit einer Halbwertszeit von 10,98 Tagen. Neodym hat auch 13 bekannte metastabile Isotope, wobei die stabilsten ^139mNd (t_1/2 = 5,5 Stunden), ^135mNd (t_1/2 = 5,5 Minuten) und ^133m1Nd (t_1/2 ~70 Sekunden) sind. Die primären Zerfallsarten vor dem am häufigsten vorkommenden stabilen Isotop, ¹⁴²Nd, sind Elektroneneinfang und Positronenzerfall, und die primäre Art danach ist der Beta-Minus-Zerfall. Die primären Zerfallsprodukte vor ¹⁴²Nd sind die Isotope des Elements Pr (Praseodym) und die primären Produkte danach die Isotope des Elements Pm (Promethium). ⓘ

Neodym-Isotope werden in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt. ¹⁴²Nd wurde für die Herstellung von kurzlebigen Tm- und Yb-Isotopen verwendet. ¹⁴⁶Nd wurde für die Herstellung von ¹⁴⁷Pm vorgeschlagen, das eine Quelle für radioaktive Energie ist. Mehrere Neodym-Isotope wurden für die Herstellung anderer Promethium-Isotope verwendet. Der Zerfall von ¹⁴⁷Sm (t_1/2 = 1,06 × 10¹¹) in das stabile ¹⁴³Nd ermöglicht die Samarium-Neodym-Datierung. ¹⁵⁰Nd wurde auch zur Untersuchung des doppelten Betazerfalls verwendet. ⓘ

Geschichte

Carl Auer von Welsbach (1858-1929), der Entdecker des Neodyms im Jahr 1885. ⓘ

Im Jahr 1751 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrik Cronstedt in der Mine von Bastnäs ein Schwermineral, das später Cerit genannt wurde. Dreißig Jahre später schickte der fünfzehnjährige Wilhelm Hisinger, ein Mitglied der Familie, der das Bergwerk gehörte, eine Probe an Carl Scheele, der darin keine neuen Elemente fand. Im Jahr 1803, nachdem Hisinger Eisenmeister geworden war, kehrte er mit Jöns Jacob Berzelius zu dem Mineral zurück und isolierte ein neues Oxid, das sie nach dem zwei Jahre zuvor entdeckten Zwergplaneten Ceres Ceria nannten. Gleichzeitig und unabhängig davon wurde Ceroxid in Deutschland von Martin Heinrich Klaproth isoliert. Zwischen 1839 und 1843 stellte der schwedische Chirurg und Chemiker Carl Gustaf Mosander, der im selben Haus wie Berzelius wohnte, fest, dass Ceroxid ein Gemisch von Oxiden ist; er trennte zwei weitere Oxide ab, die er Lanthana und Didymia nannte. Er zersetzte eine Probe Ceriumnitrat teilweise, indem er es an der Luft röstete und dann das entstandene Oxid mit verdünnter Salpetersäure behandelte. Die Metalle, die diese Oxide bildeten, erhielten so die Namen Lanthan und Didymium, die 1885 von Carl Gustaf Mosander in Wien offiziell entdeckt wurden. Von Welsbach bestätigte die Trennung durch spektroskopische Analyse, aber die Produkte waren von relativ geringer Reinheit. Didymium wurde 1841 von Carl Gustaf Mosander entdeckt, und reines Neodym wurde 1925 daraus isoliert. Der Name Neodym leitet sich von den griechischen Wörtern neos (νέος), neu, und didymos (διδύμος), Zwilling, ab. ⓘ

Die Doppelnitrat-Kristallisation war bis in die 1950er Jahre das Mittel der kommerziellen Neodym-Reinigung. Die Lindsay Chemical Division war die erste, die die Ionenaustausch-Reinigung von Neodym in großem Maßstab kommerziell durchführte. Ab den 1950er Jahren wurde hochreines (>99 %) Neodym vor allem durch ein Ionenaustauschverfahren aus Monazit, einem Mineral, das reich an Seltenerdmetallen ist, gewonnen. Das Metall wird durch Elektrolyse seiner Halogenidsalze gewonnen. Heute wird der größte Teil des Neodyms aus Bastnäsit gewonnen und durch Lösungsmittelextraktion gereinigt. Für die höchsten Reinheiten (in der Regel >99,99 %) wird die Ionenaustauschreinigung eingesetzt. Die sich entwickelnde Technologie und die verbesserte Reinheit des handelsüblichen Neodymoxids spiegeln sich im Aussehen der Neodymgläser in den heutigen Sammlungen wider. Frühe Neodymgläser, die in den 1930er Jahren hergestellt wurden, haben eine rötlichere oder orangefarbene Tönung als die modernen Versionen, die eher purpurfarben sind, da es mit der frühen Technologie, nämlich der fraktionierten Kristallisation, schwierig war, Spuren von Praseodym zu entfernen. ⓘ

Aufgrund seiner Rolle in Dauermagneten für direkt angetriebene Windturbinen wurde behauptet, dass Neodym in einer Welt, die auf erneuerbare Energien setzt, eines der wichtigsten Objekte des geopolitischen Wettbewerbs sein wird. Diese Sichtweise wurde kritisiert, weil sie verkennt, dass die meisten Windturbinen keine Dauermagnete verwenden, und weil sie die Macht wirtschaftlicher Anreize für eine Ausweitung der Produktion unterschätzt. ⓘ

Vorkommen und Produktion

Vorkommen

Bastnäsit ⓘ

Neodym kommt in der Natur nur selten als freies Element vor, sondern in Form von Erzen wie Monazit und Bastnäsit (dies sind Namen von Mineralgruppen und nicht von einzelnen Mineralen), die geringe Mengen aller Seltenerdmetalle enthalten. In diesen Mineralen ist Neodym selten dominant; einige Ausnahmen sind Monazit-(Nd) und Kozoit-(Nd). Die wichtigsten Abbaugebiete befinden sich in China, den Vereinigten Staaten, Brasilien, Indien, Sri Lanka und Australien. Die Weltreserven an Neodym werden auf acht Millionen Tonnen geschätzt. ⓘ

Das Nd³⁺-Ion hat eine ähnliche Größe wie die frühen Lanthanoide der Cer-Gruppe (von Lanthan bis Samarium und Europium), die im Periodensystem unmittelbar darauf folgen, und kommt daher in der Regel zusammen mit ihnen in Phosphaten vor, Silikat- und Karbonatmineralien wie Monazit (M^IIIPO₄) und Bastnäsit (M^IIICO₃F), wobei sich M auf alle Seltenerdmetalle mit Ausnahme von Scandium und dem radioaktiven Promethium (hauptsächlich Ce, La und Y, etwas weniger Pr und Nd) bezieht. Bastnäsit enthält in der Regel kein Thorium und keine schweren Lanthanoide, und die Reinigung der leichten Lanthanoide aus Bastnäsit ist weniger aufwendig. Das zerkleinerte und gemahlene Erz wird zunächst mit heißer konzentrierter Schwefelsäure behandelt, wobei Kohlendioxid, Fluorwasserstoff und Siliciumtetrafluorid entstehen. Das Produkt wird dann getrocknet und mit Wasser ausgelaugt, wobei die frühen Lanthanidionen, einschließlich Lanthan, in Lösung bleiben. ⓘ

Häufigkeiten im Sonnensystem
Atomare Nummer	Element	Relativ Menge ⓘ
42	Molybdän	2.771
47	Silber	0.590
50	Zinn	4.699
58	Cer	1.205
59	Praseodym	0.205
60	Neodym	1
74	Wolfram	0.054
90	Thorium	0.054
92	Uran	0.022

Der wichtigste Lieferant mit 91 % der Weltproduktion ist China. 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“. Weitere wirtschaftlich verwertbare Vorkommen finden sich in Australien, hier vor allem im Northern Territory das von Arafura Resources ausgebeutet wird. ⓘ

Im Weltraum

Die Pro-Teilchen-Häufigkeit von Neodym im Sonnensystem beträgt 0,083 ppb (parts per billion). Das sind etwa zwei Drittel der Menge von Platin, aber zweieinhalbmal so viel wie Quecksilber und fast fünfmal so viel wie Gold. Die Lanthanoide kommen normalerweise nicht im Weltraum vor, sondern sind viel häufiger in der Erdkruste anzutreffen. ⓘ

In der Erdkruste

Neodym ist ein relativ häufiges Element in der Erdkruste, da es ein Seltenerdmetall ist. Die meisten Seltenerdmetalle kommen weniger häufig vor. ⓘ

Neodym wird nach der Goldschmidt-Klassifikation als lithophil eingestuft, was bedeutet, dass es im Allgemeinen in Verbindung mit Sauerstoff vorkommt. Obwohl es zu den Seltenerdmetallen gehört, ist Neodym keineswegs selten. Seine Häufigkeit in der Erdkruste beträgt etwa 38 mg/kg, womit es das 27. häufigste Element ist. Es kommt in ähnlicher Menge vor wie Lanthan. Cer ist das am häufigsten vorkommende Seltene-Erd-Metall, gefolgt von Neodym und Lanthan. ⓘ

Produktion

Die Weltproduktion von Neodym belief sich 2004 auf etwa 7.000 Tonnen. Der Großteil der derzeitigen Produktion stammt aus China. In der Vergangenheit hat die chinesische Regierung strategische Materialkontrollen für das Element eingeführt, was zu starken Preisschwankungen führte. Die Ungewissheit der Preise und der Verfügbarkeit hat die Unternehmen (insbesondere die japanischen) dazu veranlasst, Dauermagnete und die dazugehörigen Elektromotoren mit weniger Seltenerdmetallen herzustellen; bisher ist es ihnen jedoch nicht gelungen, den Bedarf an Neodym zu decken. Nach Angaben des US Geological Survey verfügt Grönland über die größten unerschlossenen Vorkommen an Seltenen Erden, insbesondere Neodym. Aufgrund der Freisetzung radioaktiver Stoffe während des Abbaus kommt es an diesen Standorten zu Konflikten zwischen Bergbauinteressen und der einheimischen Bevölkerung. ⓘ

Neodym macht in der Regel 10-18 % des Seltene-Erden-Gehalts kommerzieller Lagerstätten der leichten Seltene-Erden-Minerale Bastnäsit und Monazit aus. Da Neodymverbindungen unter den dreiwertigen Lanthaniden am stärksten gefärbt sind, kann es gelegentlich die Färbung von Seltenerdmineralen dominieren, wenn konkurrierende Chromophore fehlen. In der Regel hat es eine rosa Färbung. Herausragende Beispiele hierfür sind Monazitkristalle aus den Zinnlagerstätten in Llallagua, Bolivien, Ancylit aus Mont Saint-Hilaire, Quebec, Kanada, oder Lanthanit aus dem Saucon Valley, Pennsylvania, USA. Wie bei den Neodymgläsern ändern diese Minerale ihre Farbe unter den verschiedenen Lichtverhältnissen. Die Absorptionsbanden von Neodym interagieren mit dem sichtbaren Emissionsspektrum von Quecksilberdampf, wobei das ungefilterte kurzwellige UV-Licht neodymhaltige Minerale in einer unverwechselbaren grünen Farbe erscheinen lässt. Dies kann bei monazithaltigen Sanden oder bastnäsithaltigen Erzen beobachtet werden. ⓘ

Die Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen wie Seltenen Erden (einschließlich Neodym) und anderen kritischen Materialien ist aufgrund des Bevölkerungswachstums und der industriellen Entwicklung rasch gestiegen. In letzter Zeit hat die Forderung nach einer kohlenstoffarmen Gesellschaft zu einer erheblichen Nachfrage nach energiesparenden Technologien wie Batterien, hocheffizienten Motoren, erneuerbaren Energiequellen und Brennstoffzellen geführt. Unter diesen Technologien werden häufig Permanentmagnete zur Herstellung von Hocheffizienzmotoren verwendet, wobei Neodym-Eisen-Bor-Magnete (gesinterte und gebundene Nd₂Fe₁₄B-Magnete; im Folgenden als NdFeB-Magnete bezeichnet) seit ihrer Erfindung der Haupttyp von Permanentmagneten auf dem Markt sind. NdFeB-Magnete werden in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs), Elektrofahrzeugen (EVs) und Brennstoffzellenfahrzeugen (FCVs) (im Folgenden als xEVs bezeichnet), Windturbinen, Haushaltsgeräten, Computern und vielen kleinen elektronischen Geräten verwendet. Außerdem sind sie für Energieeinsparungen unverzichtbar. Um die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen, wird erwartet, dass die Nachfrage nach NdFeB-Magneten in Zukunft erheblich steigen wird. ⓘ

Anwendungen

Neodym hat eine ungewöhnlich hohe spezifische Wärmekapazität bei Flüssig-Helium-Temperaturen und ist daher in Kryokühlern nützlich.
Neodymacetat kann als Ersatz für das radioaktive und giftige Uranylacetat (das als Standardkontrastmittel in der Elektronenmikroskopie verwendet wird) dienen.
Wahrscheinlich wegen der Ähnlichkeit mit Ca²⁺ wurde berichtet, dass Nd³⁺ das Pflanzenwachstum fördert. Verbindungen der Seltenen Erden werden in China häufig als Düngemittel verwendet.
Die Samarium-Neodym-Datierung ist nützlich für die Bestimmung der Altersverhältnisse von Gesteinen und Meteoriten.
Anhand von Neodym-Isotopen in Meeressedimenten lassen sich Veränderungen in der Ozeanzirkulation der Vergangenheit rekonstruieren. ⓘ

Magnete

Neodym-Magnet auf einer Mu-Metall-Halterung einer Festplatte ⓘ

Neodym-Magnete (eigentlich eine Legierung, Nd2Fe₁₄B) sind die stärksten bekannten Permanentmagnete. Ein Neodym-Magnet von einigen zehn Gramm Gewicht kann das Tausendfache seines Eigengewichts anheben und mit einer Kraft zusammentreffen, die ausreicht, um Knochen zu brechen. Diese Magnete sind billiger, leichter und stärker als Samarium-Kobalt-Magnete. Sie sind jedoch nicht in jeder Hinsicht überlegen, denn Magnete auf Neodym-Basis verlieren ihren Magnetismus bei niedrigeren Temperaturen und neigen zum Korrodieren, während dies bei Samarium-Kobalt-Magneten nicht der Fall ist. ⓘ

Neodym-Magnete kommen in Produkten wie Mikrofonen, professionellen Lautsprechern, In-Ear-Kopfhörern, Gitarren- und Bass-Tonabnehmern und Computerfestplatten zum Einsatz, wenn eine geringe Masse, ein kleines Volumen oder starke Magnetfelder erforderlich sind. Neodym wird in den Elektromotoren von Hybrid- und Elektroautos und in den Stromgeneratoren einiger kommerzieller Windturbinen verwendet (nur Windturbinen mit "Permanentmagnet"-Generatoren verwenden Neodym). Die Elektromotoren eines Toyota Prius beispielsweise benötigen ein Kilogramm Neodym pro Fahrzeug. ⓘ

Im Jahr 2020 gaben Physikforscher der Universität Radboud und der Universität Uppsala bekannt, dass sie in der atomaren Struktur von Neodym ein Verhalten beobachtet haben, das als "selbstinduziertes Spin-Glas" bekannt ist. Einer der Forscher erklärte: "...wir sind Spezialisten für die Rastertunnelmikroskopie. Damit können wir die Struktur einzelner Atome sehen, und wir können die Nord- und Südpole der Atome auflösen. Mit diesem Fortschritt in der hochpräzisen Bildgebung waren wir in der Lage, das Verhalten von Neodym zu entdecken, weil wir die unglaublich kleinen Veränderungen in der magnetischen Struktur auflösen konnten." Neodym weist ein komplexes magnetisches Verhalten auf, das bisher bei keinem Element des Periodensystems beobachtet wurde. ⓘ

Glas

Eine Neodym-Glühbirne ohne Sockel und Innenbeschichtung unter zwei verschiedenen Lichtarten: links Leuchtstoffröhre, rechts Glühbirne. ⓘ

Didymium-Gläser ⓘ

Neodymglas (Nd:Glas) wird durch den Zusatz von Neodymoxid (Nd₂O₃) in der Glasschmelze hergestellt. Bei Tages- oder Glühlampenlicht erscheint Neodymglas in der Regel lavendelfarben, bei Fluoreszenzlicht erscheint es jedoch blassblau. Neodym kann zur Einfärbung von Glas in zarten Farbtönen verwendet werden, die von reinem Violett über Weinrot bis zu warmem Grau reichen. ⓘ

Die erste kommerzielle Verwendung von gereinigtem Neodym für die Glasfärbung begann mit den Versuchen von Leo Moser im November 1927. Das daraus resultierende "Alexandrit"-Glas ist bis heute eine charakteristische Farbe der Glashütte Moser. Neodym-Glas wurde in den frühen 1930er Jahren von vielen amerikanischen Glashütten nachgeahmt, vor allem von Heisey, Fostoria ("wisteria"), Cambridge ("heatherbloom") und Steuben ("wisteria"), aber auch in anderen Ländern (z. B. Lalique in Frankreich oder Murano). Das "Zwielicht" von Tiffin wurde von etwa 1950 bis 1980 hergestellt. Zu den aktuellen Quellen gehören Glashersteller in der Tschechischen Republik, den Vereinigten Staaten und China. ⓘ

Die scharfen Absorptionsbanden des Neodyms bewirken, dass sich die Farbe des Glases unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen ändert: bei Tageslicht oder gelbem Glühlampenlicht ist es rötlich-violett, bei weißem Leuchtstofflicht hingegen blau und bei trichromatischer Beleuchtung grünlich. Dieses Phänomen des Farbwechsels wird von Sammlern sehr geschätzt. In Kombination mit Gold oder Selen werden rote Farben erzeugt. Da die Färbung von Neodym von "verbotenen" f-f-Übergängen tief im Inneren des Atoms abhängt, hat die chemische Umgebung relativ wenig Einfluss auf die Farbe, so dass die Farbe unabhängig von der Wärmeentwicklung des Glases ist. Um jedoch eine optimale Farbe zu erzielen, müssen eisenhaltige Verunreinigungen im Siliziumdioxid, das zur Herstellung des Glases verwendet wird, minimiert werden. Aufgrund des gleichen Verbots der f-f-Übergänge sind die Farbstoffe der Seltenen Erden weniger intensiv als die der meisten d-Übergangselemente, so dass in einem Glas mehr verwendet werden muss, um die gewünschte Farbintensität zu erreichen. In der ursprünglichen Moser-Rezeptur wurden etwa 5 % Neodymoxid in der Glasschmelze verwendet, eine ausreichende Menge, so dass Moser diese Gläser als "mit Seltenen Erden dotiert" bezeichnete. Da es sich um eine starke Basis handelt, hätte dieser Neodymgehalt die Schmelzeigenschaften des Glases beeinträchtigt, und der Kalkgehalt des Glases hätte entsprechend angepasst werden müssen. ⓘ

Das durch Neodymgläser durchgelassene Licht zeigt ungewöhnlich scharfe Absorptionsbanden; das Glas wird in der Astronomie verwendet, um scharfe Banden zu erzeugen, anhand derer die Spektrallinien kalibriert werden können. Eine weitere Anwendung ist die Herstellung selektiver astronomischer Filter, um die Auswirkungen der Lichtverschmutzung durch Natrium- und Leuchtstofflampen zu verringern und gleichzeitig andere Farben durchzulassen, insbesondere die dunkelrote Wasserstoff-Alpha-Emission von Nebeln. Neodym wird auch verwendet, um die grüne Farbe zu entfernen, die durch Eisenverunreinigungen in Glas verursacht wird. ⓘ

Nd:YAG-Laserstab ⓘ

Neodym ist ein Bestandteil von "Didymium" (einer Mischung aus Neodym- und Praseodym-Salzen), das zum Färben von Glas für Schweißer- und Glasbläserbrillen verwendet wird; die scharfen Absorptionsbanden verwischen die starke Natriumemission bei 589 nm. Die ähnliche Absorption der gelben Quecksilber-Emissionslinie bei 578 nm ist die Hauptursache für die blaue Farbe, die bei Neodymglas unter herkömmlicher weißer Leuchtstoffröhrenbeleuchtung beobachtet wird. Neodym- und Didymiumglas werden in farbverstärkenden Filtern in der Innenraumfotografie verwendet, insbesondere zum Herausfiltern der gelben Farbtöne der Glühlampenbeleuchtung. In ähnlicher Weise wird Neodym-Glas zunehmend direkt in Glühbirnen verwendet. Diese Lampen enthalten Neodym im Glas, um gelbes Licht herauszufiltern, was zu einem weißeren Licht führt, das dem Sonnenlicht ähnlicher ist. Während des Ersten Weltkriegs wurden Didymiumspiegel Berichten zufolge zur Übertragung von Morsezeichen auf dem Schlachtfeld verwendet. Ähnlich wie bei Gläsern werden Neodym-Salze auch als Farbstoff für Emails verwendet. ⓘ

Laser

Bestimmte transparente Materialien mit einer geringen Konzentration von Neodym-Ionen können in Lasern als Verstärkungsmedien für infrarote Wellenlängen (1054-1064 nm) verwendet werden, z. B. Nd:YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), Nd:YAP (Yttrium-Aluminium-Perowskit), Nd:YLF (Yttrium-Lithium-Fluorid), Nd:YVO₄ (Yttrium-Orthovanadat) und Nd:Glas. Neodym-dotierte Kristalle (in der Regel Nd:YVO₄) erzeugen leistungsstarke Infrarot-Laserstrahlen, die in handelsüblichen DPSS-Handlasern und Laserpointern in grünes Laserlicht umgewandelt werden. ⓘ

Mit Neodym dotierte Glasplatten werden in extrem leistungsstarken Lasern für die Trägheitsfusion verwendet. ⓘ

Das dreiwertige Neodym-Ion Nd³⁺ war das erste Lanthanid der Seltenen Erden, das zur Erzeugung von Laserstrahlung verwendet wurde. Der Nd:CaWO₄-Laser wurde 1961 entwickelt. Historisch gesehen war er der dritte Laser, der in Betrieb genommen wurde (der erste war der Rubinlaser, der zweite der U³⁺:CaF-Laser). Im Laufe der Jahre wurde der Neodymlaser zu einem der am häufigsten verwendeten Laser für Anwendungszwecke. Der Erfolg des Nd³⁺-Ions liegt in der Struktur seiner Energieniveaus und in den spektroskopischen Eigenschaften, die für die Erzeugung von Laserstrahlung geeignet sind. 1964 demonstrierten Geusic et al. den Betrieb von Neodym-Ionen in der YAG-Matrix Y₃Al₅O₁₂. Es handelt sich um einen Vier-Niveau-Laser mit niedrigerer Schwelle und mit hervorragenden mechanischen und Temperatureigenschaften. Zum optischen Pumpen dieses Materials kann nichtkohärente Blitzlampenstrahlung oder ein kohärenter Diodenstrahl verwendet werden. ⓘ

Neodym-Ionen in verschiedenen Arten von Ionenkristallen und auch in Gläsern dienen als Laser-Verstärkungsmedium und emittieren typischerweise 1064-nm-Licht aus einem bestimmten atomaren Übergang im Neodym-Ion, nachdem sie von einer externen Quelle zur Anregung "gepumpt" wurden. ⓘ

Der derzeitige Laser des britischen Atomic Weapons Establishment (AWE), der 1-Terawatt-Neodym-Glaslaser HELEN (High Energy Laser Embodying Neodymium), ist in der Lage, in die Mitte von Druck- und Temperaturbereichen vorzudringen, und wird zur Gewinnung von Daten für die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Dichte, Temperatur und Druck im Inneren von Sprengköpfen eingesetzt. HELEN kann Plasmen von etwa 10⁶ K erzeugen, deren Opazität und Strahlungstransmission gemessen werden. ⓘ

Neodymglas-Festkörperlaser werden in Mehrfachstrahlsystemen mit extrem hoher Leistung (im Terawattbereich) und hoher Energie (Megajoule) für die Trägheitsfusion eingesetzt. Nd:Glas-Laser werden in Laserfusionsanlagen in der Regel auf die dritte Harmonische bei 351 nm frequenzverdreifacht. ⓘ

Ersatzstoff für Uranylacetat

Uranylacetat ist seit Jahrzehnten das Standardkontrastmittel in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Seine Verwendung wird jedoch aufgrund seiner radioaktiven Eigenschaften und seiner hohen Toxizität zunehmend durch staatliche Vorschriften erschwert. Daher wird nach Alternativen gesucht, darunter Lanthanidenacetate oder Platinblau sowie die Verwendung von weniger definierten Substanzen wie Oolong-Tee-Extrakt. Trotz dieser veröffentlichten Alternativen ist Uranylacetat (UAc) immer noch der Standard für die EM-Kontrastierung. ⓘ

Im Periodensystem basiert die vertikale Anordnung der Elemente in Gruppen auf der gleichen Anzahl von Elektronen in ihrer äußersten Schale, die ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften bestimmt. Da Neodym (Nd) direkt über Uran (U) steht, sind die chemischen Eigenschaften von UAc und NdAc bei der Bindung an Gewebe in ultradünnen Schnitten sehr ähnlich, was zu einer ähnlichen Kontraststärke führt. ⓘ

Biologische Rolle und Vorsichtsmaßnahmen

Man hat festgestellt, dass die frühen Lanthanoide für einige methanotrophe Bakterien, die in vulkanischen Schlammtöpfen leben, wie Methylacidiphilum fumariolicum, essenziell sind: Lanthan, Cer, Praseodym und Neodym sind etwa gleich wirksam. Ansonsten ist nicht bekannt, dass Neodym bei anderen Organismen eine biologische Rolle spielt. ⓘ

Neodym-Metallstaub ist brennbar und stellt daher eine Explosionsgefahr dar. Neodymverbindungen sind wie alle Seltenerdmetalle von geringer bis mäßiger Toxizität; ihre Toxizität ist jedoch nicht gründlich untersucht worden. Neodym-Salze gelten als giftiger, wenn sie löslich sind, als wenn sie unlöslich sind, wenn sie eingenommen werden. Neodymstaub und -salze sind sehr reizend für die Augen und Schleimhäute und mäßig reizend für die Haut. Das Einatmen des Staubs kann zu Lungenembolien führen, und kumulierte Exposition schädigt die Leber. Neodym wirkt auch als Gerinnungshemmer, insbesondere bei intravenöser Verabreichung. ⓘ

Neodym-Magnete wurden für medizinische Zwecke wie magnetische Zahnspangen und Knochenreparaturen getestet, aber Probleme mit der Biokompatibilität haben eine breite Anwendung verhindert. Im Handel erhältliche Magnete aus Neodym sind außergewöhnlich stark und können sich aus großer Entfernung gegenseitig anziehen. Bei unvorsichtiger Handhabung können sie sehr schnell und mit großer Kraft zusammenstoßen und Verletzungen verursachen. So gibt es mindestens einen dokumentierten Fall, in dem eine Person eine Fingerkuppe verlor, als zwei Magnete, die sie benutzte, aus 50 cm Entfernung zusammenschnappten. ⓘ

Ein weiteres Risiko dieser starken Magnete besteht darin, dass sie, wenn mehr als ein Magnet verschluckt wird, die Weichteile im Magen-Darm-Trakt einklemmen können. Dies hat zu schätzungsweise 1.700 Besuchen in der Notaufnahme geführt und den Rückruf der Spielzeugserie Buckyballs erforderlich gemacht, bei der es sich um Bausätze mit kleinen Neodym-Magneten handelt. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

\mathrm {2\ NdF_{3}\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Nd\ +\ 3\ CaF_{2}}

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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. 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. ⓘ

Preisentwicklung Neodymoxid (Quelle: Sachwerte Einkaufsgemeinschaft, Stand 10. März 2014) ⓘ

Die Jahresproduktion wurde 2012 auf 21.000 t geschätzt, davon kommen 91 % aus China. Laut USGS lag der Preis für 1 kg Neodym 2001 unter 10 USD. 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. ⓘ

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 H_cJ schwankt im Bereich von 870 bis 2750 kA/m. ⓘ

Gefahren
GHS-Kennzeichnung:
Piktogramme
Signalwort	Warnhinweis
Gefahrenhinweise	H315, H319, H335
Sicherheitshinweise	P261, P305+P351+P338
NFPA 704 (Feuerdiamant)	2 0 0