Neodimyum sembolü Nd ve atom numarası 60 olan kimyasal bir elementtir. Havada kararan yumuşak ve gümüşi bir metaldir. 1885 yılında Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach tarafından keşfedilmiştir. Bu madde, monazit kumu birikintilerinde ve bastnäsite gibi minerallerde önemli miktarlarda bulunmaktadır.
Neodimyum genellikle lantanit grubunun diğer elementleriyle aynı özellikleri göstermektedir. Neodimiyum için tipik uygulamalar arasında lazer üretimi, cam boyama veya renklendirme (mor) ve dielektrik uygulamaları bulunmaktadır. Ancak metalik neodimyumun en ilginç uygulaması, kalıcı neodimiyum-demir-bor (Nd2Fe14B) mıknatısların üretimidir.
İlk kez, 1982 yılında iki tanınmış şirketin (Japon ve Amerikan) ortak çabalarıyla metalik neodimyum kullanımına dayalı mıknatıslar üretilmiştir. Ayrıca 1986’dan beri ticari olarak üretilmektedir. Bu mıknatıslar, otomotiv endüstrisinde çeşitli uygulamalarla yaygın olarak kullanılmaktadır. Marş motorları, fren sistemleri, koltuk ayarlamaları ve araba stereo hoparlörleri içeriğinde bulunmaktadır.
Neodimyum mıknatıslar güçlü bir kalıcı manyetik alan oluşturmaktadır. Bu tür mıknatısların manyetik özellikleri 100 yıl sonra kaybolmaya başlamaktadır. Ayrıca Elektro Işın Tüplerinde kırmızı ve yeşil arasındaki kontrastı artırmak için kullanılmaktadır. Metalik neodimyum, alaşımların mukavemet özelliklerini büyük ölçüde artıran magnezyum ilavesiyle çeliği alaşımlamak için de kullanılmaktadır.
Tanım
Kimyasal element doğal olarak metalik bir biçimde oluşmamaktadır. Ayrıca diğer lantanitlerle (özellikle praseodimyum ile) karıştırıldığı didimyum maddesinden ayrılmaktadır. Neodimiyum, nadir toprak metali olarak sınıflandırılmasına rağmen, oldukça yaygın bir elementtir. En az kobalt, nikel veya bakır kadar sıklıkla bulunmaktadır. Ayrıca yer kabuğunda yaygın olarak da bulunmaktadır. Bununla birlikte maddenin çoğu Çin’de çıkarılmaktadır.
Neodimyum bileşikleri ilk olarak 1927’de cam renklendiricileri olarak ticari olarak kullanılmıştır. Bu da gözlük camlarında popüler bir katkı maddesi olmaya devam etmesini sağlamıştır. Nd3+ iyonlarının varlığından dolayı neodim bileşiklerinin rengi genellikle kırmızımsı-mor bir renk tonuna sahiptir. Ancak bu durum, aydınlatma türüne bağlı olarak değişmektedir.
Elementin tarihi
Neodimyum, 1885 yılında Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach tarafından, yeni bir elementle karıştırılan REE’lerin bir karışımı olan “didim” in bir parçası olarak keşfedilmiştir. Bundan önce, 1879’da Lecoq de Boisbaudran, didyme’den samaryumu izole etmiştir. Ayrıca 1882’de Bohuslav Brauner, didymium’un tek bir element olmadığına dair kanıt sağladığı bir çalışma yayınlamıştır. Carl von Welsbach didymiyumun neodimyum ve praseodimyum adını verdiği iki elementten oluştuğunu da iddia etmiştir.
Nitratın uzun süre çift kristalizasyonu (1950’lere kadar) az çok saf neodimyum elde etmenin tek yoluydu. Lindsay Corporation of America, 2 ila 20 $ arasında değişen fiyatlarla %65, %85 ve %95 saf neodimyum üretmiştir. Lindsay şirketi aynı zamanda (Frank Spedding tarafından geliştirilen) iyon değişim reaksiyonunu ticari amaçlar için kullanan ilk şirket olarak dikkat çemiştir. Sonuçta ortaya çıkan neodimyum daha saf bir hale gelmiştir. 1960 yılında %99 saf neodimyumun kilogramı 35 dolara ve %99,9’u 40 dolara satılmıştır. Böylece, 1950’lerden itibaren, monazitlerden bir iyon değişim reaksiyonu kullanılarak yüksek frekanslı neodimyum elde edilmeye başlanmıştır. Yüksek saflıkta neodimyum metal, halojenür tuzlarından elektroliz yoluyla üretilmektedir.
Bugüne kadar neodim, çoğunlukla bastnasitten çıkarılmakta ve solventlerle rafine edilmektedir. Saf neodimyum elde etmek için teknolojilerin geliştirilmesi, neodim camın ortaya çıkmasına neden olmuştur. 1930’larda üretilen bu tür camların örnekleri belirgin bir turuncu veya kırmızımsı renk tonuna sahipken, modern neodim cam örnekleri saf mor bir renge sahiptir. Bunun nedeni, daha önce bileşimden praseodim kalıntılarının çıkarılmasının imkansız olmasıdır.
Tarihi kullanım şekilleri
Neodimyum cam, neodimyum oksitin bir cam eriyiğine eklenmesiyle üretilmektedir. Gün ışığında veya akkor ışığında, neodim cam mor olmakta ve flüoresan lambaların ışığında soluk mavi olarak görünmektedir. Neodimiyum cam, çok yüksek güçte (terawatt gücünde), yüksek enerji maliyetlerinde (MegaJoule) kullanılan yarı iletken lazerlerde ve atalet termonükleer füzyon için çok ışınlı sistemlerde kullanılmaktadır. Neodimiyum cam, daha doğal aydınlatma sağlamak için akkor lambalarda ve geceleri parlamayı ortadan kaldırmak için dikiz aynalarında kullanılmaktadır.
Neodimyum, ilk olarak 1927’de Leo Moser tarafından öncülük edilen camı renklendirmek için ticari olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak Alexandrite camlar bu güne kadar Moser renklerinin isimlerini taşımaktadır. Neodimiyum cam, 1930’larda çeşitli Amerikan firmaları, o zamanın ünlü ve popüler markaları (renge göre) tarafından yaygın olarak taklit edilmiştir. Bununla birlikte Heisei, Fostoria (Wisteria), Cambridge ve Steuben, vb. Tiffin’in Alacakaranlığı 1950’lerden 1980’lere kadar üretimde kalmıştır. Modern üreticiler Çek Cumhuriyeti, ABD ve Çin’dedir.
Özelliklerinin keşfi
Neodimiyum camın geniş emici aralığı, ışığa bağlı olarak rengini değiştirebileceği anlamına gelmektedir. Gün ışığında kırmızı-mor, akkor ışık altında sarı, floresan ışık altında mavi ve trikromatik ışık altında yeşilimsi olabilmektedir. Praseodim ile birlikte Moser camı “Heliolight” elde edilmektedir. Altın ve selenyum ile birlikte güzel bir kırmızı renk elde edilmektedir.
Neodimiyumun renk etkileri atom içi f-f geçişleri ile ilişkili olduğundan, kimyasal ortamın camın rengi üzerinde çok az etkisi vardır. Ayrıca ısıl işlemine karşı bağışıktır. Öyle ya da böyle, ancak en iyi renk için ve cam yapmak için kullanılan silikada demir içeren safsızlıklar en aza indirilmelidir. Genel olarak f-f geçişli elementler, d-geçişli elementlerden daha az yoğun bir renklenme üretmektelerdir. Ayrıca bu durum, istenen renk yoğunluğunu elde etmek için camda da kullanılmalıdır.
Birçok fabrika ve işletme hala metalik neodimyumun Sovyet sınıflandırmasını kullanmaktadır. TU 48-4-205-72’ye göre (değiştirildiği gibi), aşağıdaki markalar ayırt edilebilmektedir. Bunlar; NM-1, NM-2, NM-3.
- HM-1 = ağırlıkça %99,85,
- HM-2= ağırlıkça %99,21,
- HM-3 = ağırlıkça %97.7.
Günümüzde kullanım alanları
Neodimiyum katkılı lensler, dalga boyu 1047 ila 1062 nanometre olan kızılötesi radyasyon yayan lazerlerde kullanılmaktadır. Atalet tutma deneyleri gibi son derece yüksek güce sahip sistemlerde bu elementi kullanmaktadır.
Neodimiyum metal, Nd:YAG lazer serisindeki diğer kristallerle (itriyum alüminyum granat gibi) de kullanılmaktadır. Bu kurulum tipik olarak dalga boyu ve yaklaşık 1064 nm olan kızılötesi ışınlar yaymaktadır. En yaygın kullanılan katı hal lazerlerinden bir tanesidir.
Neodimiyum metalin bir diğer önemli kullanımı, güçlü ve yüksek mukavemetli kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılan alaşımlarda bir takviye bileşeni olarak kullanılmasıdır. Mikrofonlar, profesyonel hoparlörler, kulak içi kulaklıklar, yüksek performanslı DC motorlar, bilgisayar sabit diskleri gibi düşük manyetik kütle (hacim) veya güçlü manyetik alanların gerekli olduğu ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Büyük neodimyum mıknatıslar, yüksek güç ve ağırlıktaki elektrik motorlarında (örneğin hibrit arabalar) ve jeneratörlerde (örneğin uçak ve rüzgar santrali elektrik jeneratörleri) kullanılmaktadır. Ayrıca element bazı alaşımları sertleştirmek için de kullanılmaktadır. Örneğin titanyum, bu maddenin sadece %1,5’i eklendikten sonra bir buçuk kat daha güçlü hale gelmektedir.
Fiziksel özellikler
Neodimyum metal, konsantrasyonunun genellikle %18 civarında olduğu klasik mischmetalde (nadir toprak elementlerinin bir alaşımı) bulunmaktadır. Saf haliyle, element parlak gümüş-altın metalik bir parlaklığa sahiptir. Ancak sıradan havada hızla oksitlenmektedir. Bir oksit tabakası oluşmakta ve pul pul dökülmektedir. Bu da metali daha fazla oksidasyona maruz bırakmaktadır. Böylece, bir maddenin bir santimetrelik numunesi bir yıl içinde tamamen oksitlenmektedir.
Neodimyum genellikle çift altıgen kübik yapıdan ve merkezden merkeze dönüşümle birlikte iki allotropik formda bulunmaktadır. Ayrıca 1024°C’de erimeye ve 3074°C’de kaynamaya başlamaktadır. Maddenin katı fazdaki yoğunluğu 7.01 g/cm3, sıvı haldeki yoğunluğu 6.89 g/cm3’tür. Atomik özellikleri;
- Oksidasyon durumu: +4, +3, +2 (bazik oksit).
- Elektronegativite: 1.14 (Yoklama ölçeği).
- Termal iletkenlik: 16,5 W/(m K).
- İyonlaşma enerjisi: 1: 533.1 kJ/mol, 2: 1040 kJ/mol, 3: 2130 kJ/mol.
- Bir atomun yarıçapı: 181 pikometre.
Kimyasal özellikleri
Neodimyum metal havada yavaşça kararmaktadır. Ayrıca neodimyum(III) oksit oluşturmak için yaklaşık 150°C’de kolayca yanmaktadır.
- 4Nd + 3O2 → 2Nd2O3
Elektropozitif bir elementtir. Soğuk suyla yavaş reaksiyona girmektedir. Ancak sıcak suyla oldukça hızlı reaksiyona girerek neodim (III) hidroksit oluşturmaktadır. Bu formül ise şu şekildedir;
- 2Nd(s) + 6H2O(l) → 2Nd(OH)3 (sulu) + 3H2(g)
Metal, tüm halojenlerle kuvvetli bir şekilde reaksiyona girmektedir. Bununla birlikte seyreltik sülfürik asitte kolayca çözünmektedir. Ayrıca mor Nd(III) iyonu içeren çözeltiler oluşturmaktadır.
Neodimyum üretimi
Neodimyum metal doğada hiçbir zaman serbest bir element olarak bulunmamaktadır. Diğer lantanitler ve diğer elementlerle ilişkili olduğu bastnäsite ve monazit gibi cevherlerden çıkarılmaktadır. Bu mineraller için ana madencilik alanları Çin, ABD, Brezilya, Hindistan, Sri Lanka ve Avustralya’da bulunmaktadır.
Neodimyum rezervlerinin yaklaşık 8 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir. Yerkabuğundaki konsantrasyonu yaklaşık 38 mg/kg olup, nadir toprak elementleri arasında seryumdan sonra ikinci sıradadır. Dünya metal üretimi yaklaşık 7000 tondur. Üretimin ana kısmı Çin’e aittir. ÇHC hükümeti son zamanlarda unsuru stratejik olarak önemli olarak kabul etmiştir. Ayrıca ihracatına kısıtlamalar getirerek tüketici ülkelerde bazı endişelere neden olmuştur. Ya da neodimyum fiyatında keskin bir artışla 500 dolara yükselmiştir. Bugün, saf metalin kilogramı başına ortalama fiyat 300-350 dolar arasında değişmektedir.
Çin hükümetinin kısıtlamalarını atlayarak, yasadışı ticaret nedeniyle metalin değerinin 40 dolara düştüğü durumlar da vardır. Fiyatlandırma ve bulunabilirlik belirsizlikleri, Japon şirketlerini daha az veya hiç nadir toprak içeren kalıcı mıknatıslar ve ilgili elektrik motorları geliştirmeye yönlendirmiştir.
