Neodímio: estrutura, propriedades, obtenção, usos - Ciência - 2023

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o neodímio É um metal pertencente à série dos lantanídeos, das terras raras, cujo símbolo químico é Nd (não deve ser confundido com Nb, nióbio). É um dos metais mais reativos e abundantes dos lantanídeos, encontrado na crosta terrestre com abundância próxima à do chumbo.

O neodímio está dentro do grupo dos lantanídeos mais interessantes e práticos. Como outros de seus congêneres, forma compostos que exibem colorações rosadas ou roxas, que podem colorir vidros e cerâmicas sensíveis à fonte de luz incidente; isto é, eles mudam de cor dependendo da luz que os ilumina.

Acima temos uma amostra de neodímio metálico. Deve permanecer armazenado em uma atmosfera inerte, caso contrário, será rapidamente corroído pela ação do oxigênio. Por si só, o neodímio não é um metal de destaque, como cobre ou ouro; no entanto, suas ligas e cristais mistos têm um enorme impacto tecnológico.

Nesse sentido, o neodímio é sinônimo de imã, devido aos famosos imãs de neodímio, que são os mais potentes já criados. São constituídos por uma liga Nd-Fe-B, cujas propriedades físicas são bastante semelhantes às da cerâmica, e que ocupam um lugar importante em inúmeros equipamentos eletrônicos.

Por outro lado, não só os ímãs de neodímio são bem conhecidos, mas também seus lasers, caracterizados por seus brilhantes feixes esverdeados. Os lasers de cristal misto dopados com átomos de neodímio têm diversas aplicações: desde a cura de feridas superficiais até o acionamento de reações de fusão.

Descoberta

A descoberta do neodímio começou com didímio, uma mistura de óxidos ou sais de lantanídeos que foi erroneamente considerada um elemento no século XIX.

Em 1885, o químico austríaco Carl Auer von Welsbach, buscou e idealizou um método para fracionar didímio, que então, e graças à análise espectroscópica, sua natureza composta já era conhecida.

Carl Welsbach concluiu sua tarefa após árduas cristalizações fracionárias dos sais duplos de nitrato e amônio, obtidos a partir dos metais presentes no didímio: neodímio e praseodímio.

O sal de neodímio era de cor rosa, enquanto o sal de praseodímio era esverdeado. Seu nome, 'neodímio', que significa 'novo gêmeo', foi derivado de 'didymium', pois era a fração mais abundante do didymium com que ele trabalhava.

Estrutura química do neodímio

Os átomos de neodímio, Nd, interagem fortemente uns com os outros por meio de ligações metálicas. Essa força, juntamente com o raio atômico de Nd, e a forma como está empacotada em três dimensões, acaba por sedimentar um cristal de estrutura hexagonal dupla compacta (dhcp); sua forma alotrópica mais estável e densa.

No entanto, quando os cristais metálicos de dhcp são aquecidos a uma temperatura próxima a 863 ºC, o neodímio sofre uma transição de fase: sua estrutura se transforma em um cúbico de corpo centrado (bcc), menos denso. Portanto, o neodímio pode existir como duas formas alotrópicas: dhcp e bcc.

Configuração eletronica

A configuração de elétrons abreviada para neodímio é a seguinte:

[Xe] 6s² 4f⁴

Sendo precisamente o quarto elemento da série dos lantanídeos, o preenchimento eletrônico de seus orbitais 4f não contraria a ordem esperada e estabelecida pelo princípio de Aufbau.

Propriedades de neodímio

Aparência física

Prata e metal brilhante, relativamente maleável e de dureza considerável, comparável à do ferro. Quando atingido, ele emite um tilintar que lembra o bronze.

Número atômico

Massa molar

144,242 g / mol

Ponto de fusão

1024 ºC

Ponto de ebulição

3074 ºC

Densidade

À temperatura ambiente: 7,01 g / cm³

Bem no ponto de fusão: 6,89 g / cm³

Estados de oxidação

O neodímio pode participar de seus compostos com estados de oxidação de 0 (Nd⁰, em ligas), +1 (Nd⁺), +2 (Nd²⁺), +3 (Nd³⁺) e +4 (Nd⁴⁺), com +3 sendo o mais estável e comum de todos, como é o caso com os outros lantanídeos.

Eletro-negatividade

1,14 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 533,1 kJ / mol (Nd⁺ gasoso)

Segundo: 1040 kJ / mol (Nd²⁺ gasoso)

Terceiro: 2130 kJ / mol (Nd³⁺ gasoso)

Ordem magnética

Paramagnético. É fracamente atraído por ímãs. Porém, quando dopado com átomos de ferro e boro, adquire saturação magnética; isto é, ele atinge um estado máximo de magnetização, então será um poderoso ímã.

Em temperaturas abaixo de 20 K, o neodímio se torna um material antiferromagnético.

Reatividade e compostos

O neodímio é um dos metais mais reativos da série dos lantanídeos. Deve ser armazenado fora do alcance do oxigênio, pois corrói sua superfície rapidamente, pois o óxido resultante trinca sem conseguir proteger o interior do metal da oxidação subsequente:

4 Nd + 3 O₂ → 2 Nd₂OU₃

Essa oxidação acelera até 150 ° C, o neodímio queima com intensidade.

Ele não apenas reage rapidamente com o oxigênio, mas também com substâncias ácidas, como o ácido clorídrico, para liberar hidrogênio e produzir sais de neodímio:

2 Nd + 6 HCl → 2 NdCl₃ + 3 H₂

As soluções de compostos de neodímio apresentam colorações rosadas, característica também observada no érbio, outro lantanídeo. No entanto, quando iluminados com uma lâmpada fluorescente, eles ficam amarelos. Observe, por exemplo, a imagem abaixo:

Soluções aquosas dos sais de Nd₂(SW₄)₃, Nd (NÃO₃)₃ e NdCl₃ eles são rosa ou roxos se absorvem a luz solar; mas eles ficam amarelados ou até mesmo incolores (veja a solução de nitrato) quando iluminados com outra fonte de luz, como uma lâmpada fluorescente compacta.

Esse fenômeno se deve às transições eletrônicas f-f, cujas bandas de absorção interagem com as da luz irradiada.

Obtendo

O neodímio é encontrado em rochas ígneas na crosta terrestre, integrando muitos minerais onde predominam os lantanídeos. Dentre esses minerais, destacam-se bastnasita e monazita, que, incluindo todas as suas famílias ou variantes, contêm cerca de 10-18% do neodímio explorável. Portanto, bastnasita e monazita são suas principais fontes mineralógicas.

Íons Nd³⁺ eles devem ser separados de uma matriz composta de outros óxidos de lantanídeos e outras impurezas. Para isso, são utilizadas técnicas de cromatografia de troca iônica e extrações líquido-líquido.

Feito isso, e dependendo do processo selecionado, os íons de neodímio são obtidos como seu óxido ou qualquer um de seus haletos (NdX₃).

Rust, Nd₂OU₃, pode ser reduzido com sódio metálico na presença de cloreto de cálcio, conforme indicado na seguinte equação química:

Nd₂OU₃ + 3 CaCl₂+ 6 Na → 2 Nd + 3 CaO + 6 NaCl

Por outro lado, NdCl₃ pode ser reduzido a neodímio metálico por eletrólise ou por redução metalotérmica usando cálcio como agente redutor.

Usos / aplicações

Fotografia

O vidro dopado com neodímio é usado como filtro de cor amarela nas câmeras.

Cerâmica

Sais de neodímio ou óxido são usados como aditivos para dar ao vidro tons de rosa ou roxo. Por outro lado, os vidros de neodímio também têm a particularidade, como já mencionado, de apresentarem cores diferentes dependendo da luz incidente, como pode ser visto na imagem abaixo:

À esquerda, a lâmpada mostra uma tonalidade azulada sob luz fluorescente; enquanto à direita, fica rosa sob luz incandescente.

Por outro lado, as lâmpadas dopadas com neodímio também têm a característica de emitir luzes mais brancas, pois absorvem emissões amareladas.

Óculos de soldagem

Os óculos para soldadores contêm neodímio, que absorve fortes emissões de sódio, eliminando assim os flashes amarelos incandescentes.

Lasers

O óxido de neodímio é usado para dopar os vidros usados na construção de lasers de alta potência, capazes de iniciar reações de fusão.

Feixes de outros lasers de neodímio, como Nd: YAG (granada de neodímio-ítrio de alumínio) têm sido usados para tratar câncer de pele, remover pelos do corpo e cortar ou perfurar aço.

Ímanes

A liga Nd-Fe-B (Nd₂Fé₁₄B) e sua alta magnetização, é usado para criar poderosos ímãs. Esses são os ímãs por excelência, pois são os mais poderosos já construídos. No entanto, eles têm algumas desvantagens: em seu estado puro, perdem suas propriedades magnéticas em altas temperaturas, corroem e fraturam facilmente.

Para resolver essas desvantagens, eles são dopados com outras impurezas e revestidos com camadas de ligas para proteger seu interior e dar-lhes uma aparência metálica. Assim, os ímãs de neodímio são utilizados em geradores elétricos para veículos e turbinas eólicas, equipamentos médicos, brinquedos, telefones celulares, microfones, guitarras elétricas, etc.

Os ímãs de neodímio consistem na liga Nd-Fe-B, que também contém outros aditivos, alguns dos quais são outros metais de terras raras. A força com que atraem é tal que é possível juntá-los para criar diferentes figuras, como o cilindro da imagem acima.

Esses ímãs também servem como passatempo para quem deseja testar sua atratividade entre dois objetos, vendo-os esmagá-los no processo. Veja por exemplo o seguinte vídeo:

Dependendo do tamanho, composição e temperatura, esses ímãs podem até ser perigosos, pois atraem objetos enormes que podem atingir alguém.

Referências

Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (quarta edição). Mc Graw Hill.
Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2020). Neodímio. Recuperado de: britannica.com
Wikipedia. (2020). Neodímio. Recuperado de: en.wikipedia.org
Mohammad Reza Ganjali et al. (2016). Determinação da série de lantanídeos por vários métodos analíticos. ScienceDirect.
Dr. Doug Stewart. (2020). Fatos sobre o elemento de neodímio. Recuperado de: chemicool.com
Sharma, R.A. (1987). Processos de produção de neodímio.JOM 39, 33–37. doi.org/10.1007/BF03259468