عنصر الأرض النادرة السحري: "ملك المغناطيس الدائم" - النيوديميوم

الباستناسيت

النيوديميوم، عدده الذري 60، وزنه الذري 144.24، بنسبة تركيز 0.00239% في القشرة الأرضية، يوجد بشكل رئيسي في المونازيت والباستنازيت. للنيوديميوم سبعة نظائر في الطبيعة: النيوديميوم 142، 143، 144، 145، 146، 148، و150، ويُعد النيوديميوم 142 الأكثر تركيزًا. مع ظهور البراسيوديميوم، ظهر النيوديميوم. وقد ساهم ظهور النيوديميوم في تنشيط مجال العناصر الأرضية النادرة، ولعب دورًا هامًا فيه، كما أنه يؤثر على سوق العناصر الأرضية النادرة.

اكتشاف النيوديميوم

كارل أورفون ويلسباخ (1858-1929)، مكتشف النيوديميوم

في عام ١٨٨٥، اكتشف الكيميائي النمساوي كارل أورفون ويلسباخ النيوديميوم في فيينا. قام بفصل النيوديميوم والبراسيوديميوم من مواد نيوديميوم متماثلة عن طريق فصل وبلورة رباعي هيدرات نترات الأمونيوم من حمض النيتريك، وفي الوقت نفسه، فصله باستخدام التحليل الطيفي، ولكن لم يُفصل بشكل نقي نسبيًا حتى عام ١٩٢٥.

منذ خمسينيات القرن الماضي، كان يُستخرج النيوديميوم عالي النقاء (أكثر من 99%) بشكل رئيسي عن طريق عملية التبادل الأيوني للمونازيت. يُستخرج المعدن نفسه عن طريق التحليل الكهربائي لملح الهاليد. حاليًا، يُستخرج معظم النيوديميوم من (Ce,La,Nd,Pr)CO3F في ناثانيت بسيط، ويُنقى باستخدام الاستخلاص بالمذيبات. تُحفظ أعلى نسبة نقاء (عادةً > 99.99%) للتحضير في عملية التنقية بالتبادل الأيوني. نظرًا لصعوبة إزالة آخر أثر للبراسيوديميوم في عصر التصنيع الذي يعتمد على تقنية التبلور التدريجي، فإن زجاج النيوديميوم المبكر المُصنّع في ثلاثينيات القرن الماضي يتميز بلون أرجواني أنقى ودرجة لونية أقرب إلى الأحمر أو البرتقالي من النسخة الحديثة.

معدن النيوديميوم

يتميز النيوديميوم المعدني ببريق فضي لامع، ودرجة انصهاره 1024 درجة مئوية، وكثافته 7.004 غ/سم3، وخاصية مغناطيسية بارامغناطيسية. يُعد النيوديميوم من أكثر معادن الأرض النادرة نشاطًا، إذ يتأكسد بسرعة ويغمق لونه في الهواء، ثم يُشكل طبقة أكسيد تتقشر، مما يُعرّض المعدن لمزيد من الأكسدة. لذلك، تتأكسد عينة النيوديميوم التي يبلغ حجمها سنتيمترًا واحدًا تمامًا خلال عام واحد. يتفاعل النيوديميوم ببطء في الماء البارد وسرعة في الماء الساخن.

التكوين الإلكتروني للنيوديميوم

التكوين الإلكتروني:

1س2 2س2 2ب6 3س2 3ب6 4س2 3د10 4ب6 5س2 4د10 5ب6 6س2 4ف4

ينشأ أداء الليزر للنيوديميوم من انتقال إلكترونات مدارات 4f بين مستويات الطاقة المختلفة. تُستخدم هذه المادة الليزرية على نطاق واسع في الاتصالات، وتخزين المعلومات، والعلاج الطبي، والتشغيل الآلي، وغيرها. من بينها، يُستخدم على نطاق واسع جارنيت الألومنيوم والإتريوم Y3Al5O12:Nd(YAG:Nd) بأداء ممتاز، وجارنيت الغاليوم والسكانديوم المضاف إليه النوديوم بكفاءة أعلى.

استخدامات النيوديميوم

يُعدّ مغناطيس NdFeB الدائم المستخدم الأكبر للنيوديميوم. ويُطلق عليه لقب "ملك المغناطيسات الدائمة" نظرًا لطاقته المغناطيسية العالية. ويُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات والآلات وغيرها من الصناعات نظرًا لأدائه الممتاز. صرّح فرانسيس وول، أستاذ التعدين التطبيقي في كلية كمبرلاند للتعدين بجامعة إكستر بالمملكة المتحدة، قائلاً: "في مجال المغناطيس، لا يوجد ما يُضاهي النيوديميوم. ويشير التطوير الناجح لمطياف ألفا المغناطيسي إلى أن الخصائص المغناطيسية لمغناطيس NdFeB في الصين قد وصلت إلى مستوى عالمي".

مغناطيس نيوديميوم على القرص الصلب

يُستخدم النيوديميوم في صناعة السيراميك، والزجاج الأرجواني الزاهي، والياقوت الاصطناعي بالليزر، وزجاج خاص قادر على ترشيح الأشعة تحت الحمراء. كما يُستخدم مع البراسيوديميوم في صناعة نظارات واقية لمنفاخي الزجاج.

إن إضافة 1.5% إلى 2.5% من أكسيد النيوديميوم النانوي إلى سبائك المغنيسيوم أو الألومنيوم يمكن أن يحسن أداء درجات الحرارة العالية وإحكام الهواء ومقاومة التآكل للسبائك، ويُستخدم على نطاق واسع كمادة فضائية للطيران.

ينتج عقيق الألومنيوم النانوي الإيتريوم الممزوج بأكسيد النانو نيوديميوم شعاع ليزر قصير الموجة، والذي يستخدم على نطاق واسع في اللحام وقطع المواد الرقيقة التي يقل سمكها عن 10 مم في الصناعة.

قضيب ليزر Nd:YAG

في العلاج الطبي، يتم استخدام ليزر نانو إيتريوم ألومنيوم جارنيت المضاف إليه أكسيد النيوديميوم النانوي لإزالة الجروح الجراحية أو تطهير الجروح بدلاً من السكاكين الجراحية.

يُصنع زجاج النيوديميوم بإضافة أكسيد النيوديميوم إلى مصهور الزجاج. عادةً ما يظهر اللون الخزامي في زجاج النيوديميوم تحت ضوء الشمس أو المصباح المتوهج، بينما يظهر اللون الأزرق الفاتح تحت إضاءة مصباح الفلورسنت. يمكن استخدام النيوديميوم لتلوين درجات ألوان الزجاج الرقيقة، مثل البنفسجي الصافي، والأحمر النبيذي، والرمادي الدافئ.

زجاج النيوديميوم

مع تطور العلوم والتكنولوجيا وتوسع وتوسيع نطاق علوم وتكنولوجيا العناصر الأرضية النادرة، سيكون للنيوديميوم مساحة استخدام أوسع