60 Nd 144.242
镧系元素 f-block Period 6

Nd · Element 60

The magnet element: neodymium-iron-boron magnets are the strongest permanent magnets ever made.

20°C时的状态 固态
原子量 144.242 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f⁴ 6s²

结构

钕 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。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。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示钕在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 7.01 g/cm³ 42%
熔点 1294 K 56%
沸点 3347 K 69%
比热容 0.19 J/g·K
热导率 16.5 W/m·K 42%

原子

原子半径 181 pm 69%
共价半径 201 pm
范德华半径 229 pm

电子

电负性 1.14 17%
电离能 532.6 kJ/mol 11%
电子亲和能 9.4 kJ/mol 9%

存在

地壳中的丰度 41.5 mg/kg 78%

身份

符号Nd
原子序数60
原子量144.242 u
类别镧系元素
f
晶体结构六方晶系
氧化态+3
发现时间1885
发现者Carl Auer von Welsbach

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钕 atom?

Radius 181 pm — that is 0.181 nm, so about 2762 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钕 is liquid over a 2053 K window, from 1294 K to 3347 K.

所在位置

在表中的位置

sits in the lanthanide series, printed below the main grid.

OTHER 镧系元素

All 镧系元素

故事

钕 是什么,以及我们如何发现它

The magnet element: neodymium-iron-boron magnets are the strongest permanent magnets ever made.

The discovery of 钕

发现纪事

1885年——奥地利的突破

Carl Auer von Welsbach这位杰出的奥地利化学家,取得了稀土化学领域最重要的发现之一。在研究神秘的“didymium”时,他怀疑这个所谓的元素实际上是两种不同的物质。

光谱学革命

Welsbach使用前沿的光谱学技术,分析受热didymium样品发出的光。光谱线明确揭示了两个截然不同的元素隐藏其中。

“新双胞胎”出现

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”,指的是它与镨的伙伴关系。

Didymium之谜

40多年来,科学家一直研究“didymium”,相信它是一种单独的元素。1841年,Carl Gustav Mosander首次将其从铈中分离出来,由此开始了这场混淆。多位化学家注意到didymium性质上的不一致,但Welsbach首次证明了其中的原因。

“通过光谱仪,didymium展现了它的双重本质——看似一个元素的东西,实际上是两个和谐共存的元素。”

— Carl Auer von Welsbach,1885年

Welsbach:发明家与科学家

Baron Carl Auer von Welsbach不仅是一位发现者,还是一位让世界更加明亮的实用发明家:

煤气灯纱罩

用稀土氧化物制作纱罩,使亮度提高6倍,革新了煤气照明

打火石

发明铈铁合金“打火石”,至今仍用于香烟打火机

钨灯丝

用纯钨灯丝改进电灯泡

科学方法创新

Welsbach将系统光谱学与分步结晶相结合,开创了钕的分离方法。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。

现代认可

20世纪50-60年代:

发现钕的磁性,推动永磁体的发展

1982年:

Sumitomo的科学家制造出第一批钕铁硼磁体

21世纪00年代至今:

钕成为绿色能源革命的关键材料

持久影响

Welsbach不可能想象,他的“新双胞胎”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,都源于一位奥地利男爵对光谱线的好奇。

应用

钕的用途

先进工业应用

钕是元素周期表中的“磁铁之王”,能够制造科学界已知最强的永磁体。这些超级磁体正在推动从智能手机到风力涡轮机等领域的技术革新。

钕超级磁体

钕铁硼(NdFeB)磁体的强度是传统铁氧体磁体的10-18倍!一块硬币大小的钕磁体就能支撑超过20磅。这些革命性的磁体使以下应用成为可能:

  • 微型化革命——让设备更小、更强大
  • 能源效率提升——耗电量减少40%的电动机
  • 可再生能源——推动实用化风能和太阳能
  • 交通运输革新——电动汽车和高速列车

电动汽车革命

每一辆电动汽车和混合动力汽车都依赖钕磁体:

  • Tesla Model S:电动机磁体中含有约3 kg钕
  • Toyota Prius:电动机和发电机使用1-2 kg钕
  • Nissan Leaf:驱动电动机和附件中含有钕磁体
  • 电动公交车和卡车:每辆车最多使用50 kg钕

可再生能源基础设施

没有钕,现代风力涡轮机将无法实现:

  • 海上风力涡轮机:每台使用600-1000 kg钕
  • 直驱发电机:无需齿轮箱,提高效率
  • 减少维护:磁轴承无需润滑
  • 电网稳定性:利用磁悬浮进行电力传输

消费电子产品

  • 智能手机扬声器:使用微型钕磁体获得清晰声音
  • 硬盘驱动器:执行器臂使用钕实现精确定位
  • 耳机:强力磁驱动器带来高品质音效
  • 电动牙刷:通过磁耦合实现防水运行

医疗技术

  • MRI设备:使用钕磁体产生磁场梯度
  • 磁疗设备:用于靶向治疗
  • 药物递送系统:利用磁性纳米颗粒实现精准医疗
  • 牙科设备:利用磁性附件固定修复体

工业应用

  • 磁选机:用于采矿和回收作业
  • 磁耦合器:用于防泄漏泵和混合器
  • 磁悬浮:用于高速列车和非接触式轴承
  • 机器人技术:用于精密执行器和传感器

日常应用

家居用品

  • 冰箱门密封条和闭合装置
  • 厨房橱柜磁性扣
  • 微波炉磁控管
  • 吸尘器电动机
  • 洗衣机泵和阀门
  • 车库门开启器

音频设备

  • 高端立体声扬声器
  • 专业麦克风
  • 钢琴持续音踏板
  • 电吉他拾音器
  • 降噪耳机
  • 蓝牙扬声器

游戏和娱乐

  • 电子游戏控制器振动电动机
  • VR头显位置追踪
  • 游戏方向盘力反馈
  • 街机设备执行器
  • 智能手机触觉反馈

工具和设备

  • 无绳电钻电动机
  • 磁性工具架
  • 磁性拾取工具
  • 电动割草机电动机
  • 磁性测量设备

汽车(电动汽车之外)

  • 电动车窗电动机
  • 座椅调节电动机
  • 燃油喷射系统
  • ABS制动传感器
  • 动力转向泵

零售和商业

  • 磁性防盗标签
  • 收银机抽屉
  • 展示柜闩锁
  • 传送带系统
  • 销售点扫描仪

经济影响

全球钕市场年规模超过$2.5 billion,并以每年8-10%的速度增长,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,造成了重大的地缘政治影响。

新兴应用

  • 量子计算:磁性量子比特和控制系统
  • 空间技术:卫星定位和定向系统
  • 聚变能源:聚变反应堆的磁约束系统
  • 超级高铁:用于超高速运输的磁悬浮技术

来源

自然存在

41.5 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 78% of elements

自然分布

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,但地理分布集中在少数几个关键矿床中。

丰度统计

  • 地壳:41.5 ppm
  • 排名:丰度第27高的元素
  • 海水:2.8 × 10⁻⁶ ppm
  • 稀土含量:约占镧系元素总量的16%
  • 比较:比铜、铅或锌更丰富

主要矿石矿床

氟碳铈矿

化学式:(Ce,La,Nd,Pr)CO₃F
钕含量:15-18%
世界主要来源:白云鄂博(中国)、芒廷帕斯(美国)

独居石

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

离子吸附型黏土

吸附了稀土离子的风化花岗岩
钕含量:可变,通常占稀土总量的20-30%
独特分布于:中国南部(江西、广东省)

全球生产格局

中国(占全球供应量的85%):

  • 内蒙古白云鄂博:世界最大矿床(35亿吨矿石)
  • 中国南方离子吸附型黏土:品位高、易加工
  • 四川省:地质构造复杂的山地矿床

世界其他地区(占供应量的15%):

  • 美国:加利福尼亚州芒廷帕斯(2017年重新开放)
  • 澳大利亚:Mount Weld项目(Lynas Corporation)
  • 印度:喀拉拉邦和奥里萨邦海滩砂开采
  • 巴西:米纳斯吉拉斯州阿拉沙综合矿区
  • 俄罗斯:科拉半岛及多个小型矿床

地质形成

钕通过多种地质过程富集:

  • 碳酸岩杂岩:富含CO₂的深部地幔来源熔体
  • 碱性火成岩侵入体:晚期分异过程
  • 热液系统:富集稀土的高温流体
  • 风化过程:热带气候下的离子吸附型黏土形成

二次回收

城市采矿:从报废产品中回收钕

  • 硬盘驱动器:每台5-20克
  • 电动汽车:每辆1-3 kg
  • 风力涡轮机:每台200-600 kg
  • 音频设备:扬声器和耳机中含量不等

挑战:由于技术和经济障碍,目前回收率低于1%。

战略重要性

由于供应链脆弱性以及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”。生产集中在中国,为全球科技产业带来了地缘政治风险。

处理

安全

安全信息

中高危害等级

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。

磁性安全危害——关键警告

极度磁性危险:钕磁体可能造成严重伤害!

  • 夹伤和挤压伤:磁体可能以1000多磅的力量猛然吸合
  • 手指截断风险:绝不能让磁体吸附到手指上
  • 眼部伤害:磁体碰撞产生的金属碎片可能飞溅
  • 心脏起搏器危险:强磁场可能干扰医疗设备
  • 信用卡和手机损坏:磁场会擦除数据并损坏电子设备

火灾和化学危害

钕金属:细分状态下具有高度自燃性!

  • 在空气中可自燃——在150°C(302°F)下燃烧
  • 与水剧烈反应,产生氢气和热量
  • 储存在矿物油中或惰性气氛(氩/氮)下
  • 只能使用D类灭火器——绝不能使用水、CO₂或普通灭火器

呼吸系统健康问题

  • 钕粉尘:可能引起呼吸道刺激和尘肺病
  • 磁体加工:会产生危险的金属颗粒
  • 涂层颗粒:磁体上的镍镀层可能引起过敏反应
  • 必须采取防护:使用NIOSH批准的P100过滤器呼吸器

安全操作程序

磁体操作:

  • 始终使用非磁性工具(黄铜、塑料、木材)
  • 佩戴护目镜和防割手套
  • 用厚垫片(木材/塑料)分隔磁体
  • 绝不允许儿童接触钕磁体
  • 与心脏起搏器和医疗设备保持6+英尺距离

化学品操作:

  • 使用耐化学品丁腈手套
  • 确保所有操作区域通风良好
  • 将所有设备接地,防止静电放电
  • 工作区域内禁止吸烟或使用明火

应急程序

磁体伤害

不要尝试分离挤压身体部位的磁体。立即寻求紧急医疗救助。如有可能,使用非磁性垫片。

金属火灾

使用D类灭火器或干砂。立即疏散现场。绝不能使用水——会引起爆炸性反应!

吸入

立即转移到新鲜空气处。留意延迟出现的呼吸道症状。如影响持续,请就医。

眼睛接触

用清水冲洗15分钟。检查是否有金属颗粒。立即就医。

储存和运输

  • 磁体储存:单独使用泡沫衬垫,并采用磁屏蔽容器
  • 金属储存:在密封的惰性气氛容器中浸于矿物油下
  • 分隔距离:让磁体远离电子设备、信用卡和医疗设备
  • 运输:遵守DOT对磁性材料运输的特殊要求

医疗设备警告

关键警告: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。

儿童安全警告

极度危险:吞下小型钕磁体可能致命。多个磁体可隔着肠壁相互吸引,导致穿孔、梗阻和死亡。让所有钕磁体远离14岁以下儿童。

快速回答

钕:常见问题

What is 钕?

钕 (symbol Nd) is element 60 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The magnet element: neodymium-iron-boron magnets are the strongest permanent magnets ever made. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 钕?

钕's ground-state electron configuration is [Xe] 4f⁴ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 22, 8, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钕?

钕 melts at 1294 K (1020.9 °C) and boils at 3347 K (3073.9 °C).

What is the atomic mass of 钕?

The standard atomic weight of 钕 is 144.242 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钕?

钕 has a density of 7.01 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钕 is about 7× heavier.

What is the electronegativity of 钕?

钕 has a Pauling electronegativity of 1.14. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered 钕, and when?

钕 was discovered in 1885 by Carl Auer von Welsbach. It is named after greek neos didymos, "new twin".

How common is 钕 on Earth?

钕 makes up about 41.5 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.