钕是什么?
钕(符号Nd)是元素周期表中的第60号元素,属于6周期的镧系元素。 磁体元素:钕铁硼磁体是迄今制造出的最强永磁体。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图显示钕在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径181 pm——即0.181 nm,因此大约2.76百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
钕在2053 K的范围内呈液态,温度从1294 K到3347 K。
背后的故事
磁体元素:钕铁硼磁体是迄今制造出的最强永磁体。
Carl Auer von Welsbach这位杰出的奥地利化学家,完成了稀土化学领域最重要的发现之一。在研究神秘的“didymium”时,他怀疑这种被认为是单一元素的物质实际上由两种不同物质组成。
Welsbach利用尖端的光谱学技术,分析受热didymium样品发出的光。光谱线明确显示,两个不同的元素隐藏在表面看似单一的物质中。
经过数百次艰苦的结晶循环,Welsbach成功将didymium分离成两种元素。他以希腊语“neos didymos”为词源,将第二种元素命名为“neodymium”,意为“新双胞胎”——指它与镨的伙伴关系。
40多年来,科学家一直研究“didymium”,并相信它是一种单一元素。1841年,Carl Gustav Mosander首次将其从铈中分离出来,此后混淆便开始了。多位化学家注意到didymium性质存在不一致,但Welsbach是第一个证明原因的人。
“通过光谱仪,didymium展现了它的双重本性——看似一个的东西,实际上是两个和谐共存的元素。”
— Carl Auer von Welsbach,1885年
Carl Auer von Welsbach男爵不仅是发现者,还是一位让世界焕发光明的实用发明家:
用稀土氧化物制作纱罩,使亮度提高6倍,彻底改变了煤气照明
开发出至今仍用于香烟打火机的铈铁合金“火石”
使用纯钨灯丝改进电灯泡
Welsbach对钕的分离开创了将系统光谱学与分步结晶相结合的方法。他的方法成为稀土元素分离的黄金标准,并影响了几代分析化学家。
发现钕的磁性,推动永久磁体的开发
Sumitomo科学家制造出第一批钕铁硼磁体
钕成为绿色能源革命的关键材料
Welsbach不可能想象,他的“新双胞胎”最终会成为电动汽车和风力涡轮机不可或缺的材料;但他严谨的科学方法为今天的清洁能源革命奠定了基础。每一辆在公路上静默行驶的Tesla,其存在都源于一位奥地利男爵对光谱线的好奇。
用途
钕是元素周期表中的“磁王”,能够制造科学界已知的最强永久磁体。这些超级磁体正推动从智能手机到风力涡轮机等各领域的技术变革。
钕铁硼(NdFeB)磁体的强度是传统铁氧体磁体的10-18倍!一枚硬币大小的小型钕磁体就能支撑超过20磅的重量。这些革命性的磁体使以下应用成为可能:
每一辆电动汽车和混合动力汽车都依赖钕磁体:
没有钕,现代风力涡轮机将无法运行:
全球钕市场规模每年超过$2.5亿美元,年增长率为8-10%,主要受电动汽车普及和可再生能源扩张推动。中国控制着全球85%的供应,因此产生了重大的地缘政治影响。
来源
地壳中含量为41.5 mg/kg · 比78%的元素更丰富
钕是继铈之后丰度第二高的稀土元素,但其战略重要性远远超过其自然丰度。该元素对现代文明至关重要,但在地理上集中于少数几个关键矿床。
化学式:(Ce,La,Nd,Pr)CO₃F
钕含量:15-18%
世界主要来源:中国白云鄂博、美国芒廷帕斯
化学式:(Ce,La,Nd,Th)PO₄
钕含量:12-16%
发现于:重矿物海滩砂、冲积矿床
吸附有稀土离子的风化花岗岩
钕含量:不固定,通常占稀土总量的20-30%
特有于:中国南方(江西、广东省)
钕通过多种地质过程富集:
城市采矿:从报废产品中回收钕
挑战:由于技术和经济障碍,目前回收率低于1%。
由于供应链脆弱性以及其在清洁能源技术中的关键作用,多个政府将钕列为“关键材料”。生产集中于中国,为全球技术产业带来了地缘政治风险。
处理
由于强磁性危害、金属的易燃性质以及化合物可能造成的健康影响,钕需要谨慎处理。
极端磁性危险:钕磁体可能造成严重伤害!
钕金属:细分状态下高度易燃!
不要尝试分开正在挤压身体部位的磁体。立即寻求紧急医疗帮助。如有可能,使用非磁性垫片。
使用D类灭火器或干砂。立即疏散该区域。绝不能用水——会引起爆炸性反应!
立即转移到新鲜空气处。留意延迟出现的呼吸道症状。若影响持续,请就医。
用清水冲洗15分钟。检查是否有金属颗粒。立即就医。
关键:钕磁体可能对装有心脏起搏器、胰岛素泵、人工耳蜗或其他磁敏感医疗设备的人造成致命危险。保持至少6英尺的间隔距离。
极端危险:吞食小型钕磁体可能致命。多个磁体可能隔着肠壁相互吸引,导致穿孔、堵塞和死亡。让所有钕磁体远离14岁以下儿童。
快速解答
钕(符号Nd)是元素周期表中的第60号元素,属于6周期的镧系元素。 磁体元素:钕铁硼磁体是迄今制造出的最强永磁体。 在室温下为固态。
[Xe] 4f⁴ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 22, 8, 2。钕在1294 K(1020.9 °C)熔化,在3347 K(3073.9 °C)沸腾。
钕的标准原子量为144.242 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
钕的密度为7.01 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钕块约重7倍。
钕的鲍林电负性为1.14。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。
钕由Carl Auer von Welsbach于1885年发现。 它以希腊语 neos didymos,“新的孪生者”命名。
钕约占地壳的41.5 mg/kg——不常见,但并不稀有。