Neodimio: estructura, propiedades, usos
El neodimio es un metal perteneciente a la serie lantánida, de las tierras raras, cuyo símbolo químico es Nd (no confundir con Nb, el niobio). Se trata de uno los metales más reactivos y abundantes de los lantánidos, encontrándose en la corteza terrestre con una abundancia cercana a la del plomo.
El neodimio está dentro del grupo de los lantánidos más interesantes y prácticos. Al igual que otros de sus congéneres, forma compuestos que exhiben coloraciones rosadas o púrpuras, los cuales pueden colorear vidrios y cerámicas sensibles a la fuente de luz incidente; es decir, que cambian de color dependiendo de cuál luz los iluminen.
Arriba tenemos una muestra de neodimio metálico. Debe permanecer almacenada bajo una atmósfera inerte, pues de lo contrario se corroe rápidamente por la acción del oxígeno. Por sí solo el neodimio no es un metal que sobresalga, como sucede con el cobre o el oro; sin embargo, sus aleaciones y cristales mixtos poseen un enorme impacto tecnológico.
En este sentido, el neodimio es sinónimo de imanes, debido a los famosos imanes de neodimio, los cuales son los más potentes jamás creados. Estos consisten en una aleación Nd-Fe-B, cuyas propiedades físicas se asemejan bastante a las de las cerámicas, y que ocupan un lugar importante en sinfines de equipos electrónicos.
Por otro lado, no solo los imanes de neodimio son muy conocidos, sino también sus láseres, caracterizados por sus haces verdosos y brillantes. Los láseres con cristales mixtos dopados con átomos de neodimio tienen aplicaciones diversas: desde curar heridas superficiales, hasta desencadenar reacciones de fusión.
Índice del artículo
- 1 Descubrimiento
- 2 Estructura química del neodimio
- 3 Configuración electrónica
- 4 Propiedades del neodimio
- 5 Obtención
- 6 Usos/aplicaciones
- 7 Referencias
El descubrimiento del neodimio empezó por el didimio, una mezcla de óxidos o sales de lantánidos que en el siglo XIX se consideraba erróneamente un elemento.
En 1885, el químico austríaco Carl Auer von Welsbach, buscó e ingenió un método para fraccionar el didimio, que para entonces, y gracias a los análisis espectroscópicos, ya se conocía su naturaleza compuesta.
Carl Welsbach completó su cometido tras arduas cristalizaciones fraccionadas de las sales dobles de nitrato y amonio, obtenidas de los metales presentes en el didimio: neodimio y praseodimio.
La sal del neodimio era de color rosado, mientras que la del praseodimio, de color verdoso. Su nombre, ‘neodimio’, que significa ‘nuevo gemelo’, derivó del ‘didimio’, pues fue la fracción más abundante del didimio con que trabajó.
Los átomos de neodimio, Nd, interaccionan fuertemente entre sí mediante el enlace metálico. Esta fuerza, junto con el radio atómico de Nd, y el modo de su empaquetamiento en tres dimensiones, termina con asentar un cristal de estructura doble hexagonal compacta (dhcp); su forma alotrópica más estable y densa.
Empero, cuando los cristales metálicos dhcp se calientan a una temperatura cercana a los 863 ºC, el neodimio sufre una transición de fase: su estructura se transforma a una cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la cual es menos densa. Por lo tanto, el neodimio puede existir como dos formas alotrópicas: dhcp y bcc.
La configuración electrónica abreviada para el neodimio es la siguiente:
[Xe] 6s2 4f4
Al ser precisamente el cuarto elemento de la serie lantánida, el llenado electrónico de sus orbitales 4f no contradice el orden esperado y establecido por el principio de Aufbau.
Metal plateado y brillante, relativamente maleable y de considerable dureza, equiparable a la del hierro. Cuando se le golpea emite un tintineo que recuerda al del bronce.
60
144.242 g/mol
1024 ºC
3074 ºC
A temperatura ambiente: 7.01 g/cm3
Justo en el punto de fusión: 6.89 g/cm3
El neodimio puede participar en sus compuestos con estados de oxidación de 0 (Nd0, en aleaciones), +1 (Nd+), +2 (Nd2+), +3 (Nd3+) y +4 (Nd4+), siendo el +3 el más estable y común de todos, tal como sucede con los demás lantánidos.
1.14 en la escala de Pauling.
Primera: 533.1 kJ/mol (Nd+ gaseoso)
Segunda: 1040 kJ/mol (Nd2+ gaseoso)
Tercera: 2130 kJ/mol (Nd3+ gaseoso)
Paramagnético. Apenas es atraído débilmente por los imanes. Sin embargo, cuando se le dopa con hierro y átomos de boro, adquiere la saturación magnética; es decir, alcanza un máximo estado de magnetización, por lo que será un poderoso imán.
A temperatura por debajo de los 20 K el neodimio se vuelve un material antiferromagnético.
El neodimio es uno de los metales más reactivos de la serie lantánida. Debe almacenarse fuera del alcance del oxígeno, pues corroe su superficie rápidamente, ya que el óxido resultante se resquebraja sin poder proteger el interior del metal de posteriores oxidaciones:
4 Nd + 3 O2 → 2 Nd2O3
Esta oxidación se acelera a 150 ºC, ardiendo el neodimio con intensidad.
No solo reacciona rápidamente con el oxígeno, sino también con las sustancias ácidas, como el ácido clorhídrico, para liberar hidrógeno y producir sales de neodimio:
2 Nd + 6 HCl → 2 NdCl3 + 3 H2
Las soluciones de los compuestos de neodimio muestran coloraciones rosadas, característica que se ve también en el erbio, otro lantánido. Sin embargo, cuando se les ilumina con una lámpara de luz fluorescente, cambian a color amarillo. Nótese por ejemplo la imagen inferior:
Las soluciones acuosas de las sales Nd2(SO4)3, Nd(NO3)3 y NdCl3 son rosadas o moradas si absorben la luz solar; pero se tornan amarillentas o inclusive incoloras (ver la solución de nitrato) cuando son iluminadas con otra fuente de luz, como la de una lámpara fluorescente compacta.
Este fenómeno se debe a las transiciones electrónicas f-f, cuyas bandas de absorción interaccionan con las de la luz irradiada.
El neodimio se encuentra en las rocas ígneas de la corteza terrestre integrando muchos minerales donde predominan los lantánidos. Entre estos minerales sobresalen la bastnasita y la monacita, los cuales incluyendo todas sus familias o variantes contienen alrededor del 10-18% del neodimio explotable. Por lo tanto, la bastnasita y la monacita son sus principales fuentes mineralógicas.
Los iones Nd3+ deben separarse de una matriz compuesta por otros óxidos lantánidos y demás impurezas. Para ello, se recurre a las técnicas de cromatografía de intercambio iónico y a las extracciones líquido-líquido.
Hecho esto, y dependiendo del proceso seleccionado, los iones de neodimio se obtienen como su óxido o cualquiera de sus haluros (NdX3).
El óxido, Nd2O3, puede reducirse con sodio metálico en presencia de cloruro de calcio, tal como se indica en la siguiente ecuación química:
Nd2O3 + 3 CaCl2+ 6 Na → 2 Nd + 3 CaO + 6 NaCl
Por otro lado, el NdCl3 puede reducirse a neodimio metálico por electrólisis, o mediante una reducción metalotérmica utilizando calcio como agente reductor.
El vidrio dopado con neodimio se utiliza como filtro del color amarillo en las cámaras fotográficas.
Las sales o el óxido de neodimio se utilizan como aditivos para aportar al vidrio coloraciones rosadas o púrpuras. Por otro lado, los vidrios de neodimio también tienen la particularidad, como ya se mencionó antes, de mostrar diferentes coloraciones dependiendo de la luz incidente, tal como se aprecia en la imagen de abajo:
A la izquierda, la bombilla muestra una coloración azulada bajo luz fluorescente; mientras que en la derecha, cambia a coloración rosada bajo luz incandescente.
Por otro lado, las bombillas dopadas con neodimio tienen además la característica de emitir luces más blanquecinas, pues absorben las emisiones amarillentas.
Las gafas de los soldadores contienen neodimio, el cual absorbe las intensas emisiones del sodio, eliminando así los incandescentes destellos amarillos.
El óxido de neodimio se utiliza para dopar los vidrios empleados en la construcción de láseres de elevadas potencias, capaces de iniciar reacciones de fusión.
Los haces de otros láseres de neodimio, como el del Nd:YAG (neodimio-granate de itrio y aluminio) se han utilizado para el tratamiento de cáncer de piel, la remoción de vello corporal, y el corte o perforación del acero.
La aleación Nd-Fe-B (Nd2Fe14B) y su alta magnetización, se utiliza para crear poderosos imanes. Estos son los imanes por antonomasia, pues son los más poderosos jamás construidos. Tienen sin embargo algunas desventajas: en estado puro pierden sus propiedades magnéticas a altas temperaturas, y se corroen y fracturan con facilidad.
Para solucionar estos inconvenientes, se dopan con otras impurezas y se recubren con capas de aleaciones para proteger su interior y darles apariencia metálica. Así, los imanes de neodimio se usan en generadores eléctricos para vehículos y turbinas eólicas, equipos médicos, juguetes, teléfonos celulares, micrófonos, guitarras eléctricas, etc.
Los imanes de neodimio consisten en la aleación Nd-Fe-B, la cual además contiene otros aditivos, siendo parte de ellos otros metales de las tierras raras. La fuerza con la que se atraen es tal, que es posible juntarlos para crear diferentes figuras, como la del cilindro de la imagen de arriba.
Asimismo, estos imanes sirven de pasatiempos para quienes quieren probar su fuerza de atracción entre dos objetos, observando cómo los aplastan en el proceso. Vea por ejemplo el siguiente vídeo:
Dependiendo del tamaño, la composición, y la temperatura, estos imanes pueden llegar a ser inclusive peligrosos, pues atraerían objetos masivos hacia ellos que pudieran golpear a alguien.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (cuarta edición). Mc Graw Hill.
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