Els empèdocles moderns – Carl Auer von Welsbach (1885) i l’element 60 (Nd) – neodimi (nilhexinili, Nhn)

La setmana passada, amb motiu del didimi, vam parlar abastament de bessonades mitològiques. Va ser un repàs superficial, car d’exemples en les cosmogonies, teogonies i etnogonies més diverses no en falten. En canvi, naturalment, quan hom passa de la història mítica a la història més “contrastada”, les bessonades es fan més rares. Un repàs de la nostra historiografia potser ens durà als fills, nascuts devers el 1053, del comte Ramon Berenguer (I) de Barcelona i la seva tercera esposa, Almodis de la Marca. El bandejament i posterior mort del germà gran, fill d’un matrimoni anterior, acusat de l’assassinat d’Almodis, va convertir el parell de germans en hereus dels comtats de Barcelona, Girona, Osona, Carcassona i Rasès. El co-govern entre els dos germans fa pensar que eren bessons. Hom s’imagina la dificultat d’establir primogenitures en les bessonades, car si sovint s’ha triat el primer a veure la llum, també s’ha pensat (sense gaire base) que el darrer en fer-ho hauria estat. En tot cas, la rivalitat proverbial entre germans conclogué en aquell cas en fratricidi. Bé podria ser els dos fills d’Almodis no haguessin estat bessons. L’espècie humana, al capdavall, tendeix a fer gestacions i parts individuals. Hom calcula, però, que una de cada vuit gestacions comença com una gestació múltiple. A partir de les freqüències de parts de criatures vives, D. Hellin estimà que la freqüència de parts múltiples era de 1/89x-1, on x seria el nombre de bessons per part. Val a dir en aquest punt que, encara que bessó, etimològicament té a veure amb el nombre dos, els nostres diccionaris el defineixen com “nat en un part doble o múltiple”. Segons la llei de Hellin, per cada 1000 parts vius, n’hi hauria 11 parts de bessons bigèmins, un 1,1%. Molt menys freqüents serien els trigèmins (0,013%), els quadrigèmins (en el 2007 se n’havien registrat de manera fefaent 3500 casos), etc. Aquestes freqüències varien d’acord factors genètics i ambientals (edat de la mare, estat nutricional, etc.). Els valors de Hellin foren obtinguts en societats europees i eurodescendents, on trobem freqüències de bessonades de 0,9-1,6%. A l’Àsia Oriental i a l’Amèrica Llatina els valors són inferiors (0,6-0,9%), i en societats africanes i afrodescendents, són més elevats. A l’Àfrica Central s’arriba a 1,8-3%, assolint un màxim entre els ioruba (4,5-5%). Les bessonades obeeixen a dos fenòmens subjacents diferents, la poliovulació i la poliembrionia. En el primer cas, els bessons tenen una relació genètica fraternal, podrien ser fins i tot fills de pares diferents; cadascun d’ells resulta d’un zigot diferent. En canvi, en el segon cas, a partir d’un únic zigot es desenvolupen dos o més individus que, d’acord amb l’edat embrionària de separació, poden compartir més o menys teixits embrionaris (membrana coriònica, sac amniota) o fins i tot adults. Un fenomen invers de la poliembrionia és la quimerització per la qual cèl•lules de zigots diferents convergeixen en un únic embrió. Els bessons monozigòtics suposen un 0,3% dels parts. En els darrers anys, l’impacte de tècniques de fecundació assistida, amb implantació en l’úter un nombre múltiple d’embrions obtinguts per fecundació in vitro ha fet augmentar el nombre de bessonades. A mitjan dels anys 1990, les gestacions fetes per aquesta via tenia una taxa de bessonades del 31,3% (24,7% de bigèmins; 5,8% de trigèmins i 0,08% de quadrigèmins). Aquest i altres factors haurien fet augmentar la taxa de bessonades als Estats Units de 1,89% (1980) a 3,33% (2009). De fet, hom calcula que el 36% dels parts dobles es relacionen amb aquestes tècniques, mentre que en parts múltiples (trigèmins, etc.) ho serien el 77%. La millora d’aquestes tècniques i la reducció dels embrions implantats a 1 (o a 2 únicament en determinades indicacions) podria fer baixes aquestes estatístiques en els propers anys. Nosaltres, en tot cas, arribar al nombre 60 de la nostra sèrie.

Esquema sobre la diferència entre bessons idèntics (monozigòtics) i bessons fraternals (di- o poli-zigòtics). En parts múltiples pot haver-hi una combinació dels dos fenòmens.

Carl Auer von Welsbach i la descoberta del neodimi

Carl Freiherr Auer von Welsbach

En setmanes anteriors, hem vist com Jöns Jakob Berzelius i Wilhelm Hisinger descrivien per primera vegada en el 1803 una nova “terra rara” a la qual denominaren cèria o cerita, en paral•lel al planeta Ceres que tot just hom havia descobert entre les òrbites de Mart i de Júpiter. De manera independent, Heinrich Klaproth havia descrit també aquest mateix material amb el nom de “terra ocroïta”, per la seva coloració ocre. Klaproth reconegué la prioritat de Berzelius, però debades va intentar de modificar-ne en benefici de la derivació més correcte de cereria (o cererita). Hom acabà entenent que la cèria era l’òxid d’un metall elemental, el ceri, pel qual hom adoptà el símbol químic de Ce. En el 1839, Gustav Mosander, orientat en part per Berzelius, descobrí que sota la cèria hi havia amagada una altra terra rara, que denominà en conseqüència “lantana”. S’entenia que la lantana era l’òxid de lantà (La). En el 1842, Mosander, de nou amb l’aplicació de tècniques de precipitació diferencial, descrigué que al costat de la lantana hi havia una terra rara bessona però no idèntica, a la que denominà doncs didíma. S’entenia que la didíma era l’òxid de didimi (Di). En el 1885, Auer va diferenciar en la didíma dues terres rares, una de les quals generava compostos groc-verds, mentre l’altra mostrava la coloració rosada més típica. Potser hauria estat assenyalat que Auer donés a la primera terra un nom nou, i reservés el de didíma a la segona. No fou el cas, i mentre la primera va rebre el nom de praseodímia (didíma verda), la segona rebia el nom de neodímia (didímia nova). S’entenia que la neodímia era l’òxid de neodimi (símbol químic, Nd). Aquest nom va prevaldre, en detriment d’alguna altra proposta, com la de tiri (“tyrium”, Ty). Potser el nom de “neodimi” tenia un altre avantatge. Les preparacions de didímia tenien un continguts d’altres terres rares minoritàries, tal com havia mostrat Lecoq de Boisbaudran pel que fa a la samària (1879) i a la gadolínia (1886). El nom de neodimi oferia una major precisió.

Carl Gustav Mosander

No fou fins a les primeres dècades del segle XX que hom disposà d’una llista més o menys ferma d’elements de terres rares. De la mateixa manera que hom va fer un bloc a banda en la taula periòdica per als “metalls de transició”, també lantànids i actínids foren col•locats en un bloc diferenciat, ordenats d’acord amb el seu nombre atòmic (deduït a partir de la massa atòmica).

Les propietats del neodimi foren deduïdes a partir de la dels seus compostos. Fins el 1925, hom no obtingué neodimi metàl•lic en una forma acceptablement pura.

En el 1927, Leo Moser fou pioner a Bohèmia en l’aplicació de neodimi com a additiu en vidres de colors. Mentre Moser desenvolupava l’alexandrita (amb un contingut del 5% d’òxid de neodimi), en els anys 1930 diverses companyies americanes presentaren altres formulacions de vidre de neodimi.

Bombeta incandescent feta de vidre amb òxid de neodimi com a additiu. Sota la llum d’un fluorescent blanc, el vidre de neodimi té una tonalitat blava, mentre que sota il•luminació incandescent es percep una tonalitat rosada-porpra.

Des de l’època de Mosander, la neodímia es purificava a partir de minerals de terres rares dissolts en àcid nítric, a través de la cristal•lització fraccional. Se n’obtenia un sal doble tetrahidratada d’amoni i nitrat de neodimi. En els anys 1950, la Linday Chemical Division introduí a escala industrial la purificació per bescanvi iònic. Aquest sistema permetia obtenir sals de neodimi en un estat prou pur. A través d’electròlisi, de les sals se’n podia obtindre neodimi metàl•lic del 99%.

La major puresa de l’òxid del neodimi es pot observar en el fet que els vidres moderns de neodimi, sota la llum natural, tenen una coloració púrpura, mentre que els vidres clàssics dels anys 1930, tenien una tonalitat vermella o taronja, degut a l’acció d’impureses (particularment, d’òxid de praseodimi).

Vidres de neodimi desenvolupats per la National Ignition Facility (NIF). Aquests vidres farien part del sistema làser que permetria el confinament inercial de gas hidrogen fins a unes condicions que facin possible la fusió nuclear

El neodimi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del neodimi és de 144,242 uma, que resulta de la mitjana ponderada dels seus isòtops naturals (142Nd, 144Nd, 146Nd, 143Nd, 145Nd, 148Nd, 150Nd). Un llistat complet dels isòtops coneguts faria:
– neodimi-124 (124Nd; 123,95223 uma). Nucli format per 60 protons i 64 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,5 s.
– neodimi-125 (125Nd; 124,94888 uma). Nucli format per 60 protons i 65 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,6 s.
– neodimi-126 (126Nd; 125,94322 uma). Nucli format per 60 protons i 66 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1 s. Decau a praseodimi-126, amb emissió d’un positró.
– neodimi-127 (127Nd; 126,94050 uma). Nucli format per 60 protons i 67 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 1,8 s. Decau a praseodimi-127 (amb emissió d’un positró) o, més rarament, a ceri-126 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– neodimi-128 (128Nd; 127,93539 uma). Nucli format per 60 protons i 68 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5 s. Decau normalment a praseodimi-128 (amb emissió d’un positró) o, més rarament, a ceri-127 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– neodimi-129 (129Nd; 128,93319 uma). Nucli format per 60 protons i 69 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,9 s. Decau normalment a praseodimi-129 (amb emissió d’un protó) o, més rarament, a ceri-128 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– neodimi-130 (130Nd; 129,92851 uma). Nucli format per 60 protons i 70 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 21 s. Decau a praseodimi-130 (amb emissió d’un protó).
– neodimi-131 (131Nd; 130,92725 uma). Nucli format per 60 protons i 71 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 33 s. Decau normalment a praseodimi-131 (amb emissió d’un positró) o, rarament, a ceri-130 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– neodimi-132 (132Nd; 131,923321 uma). Nucli format per 60 protons i 72 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 93,6 s. Decau a praseodimi-132, amb emissió d’un positró.
– neodimi-133 (133Nd; 132,92235 uma). Nucli format per 60 protons i 73 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 70 s. Decau a praseodimi-133, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastable, un a 127,97 keV (133m1Nd; que té una semivida de 70 s, i que decau a praseodimi-133) i un altre a 176,10 keV (133m2Nd; que té una semivida de 3•10-7 s).
– neodimi-134 (134Nd; 133,918790 uma). Nucli format per 60 protons i 74 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 510 s (9 minuts). Decau a praseodimi-134, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (134mNd) a 2293,1 keV, que té una semivida de 4,1•10-4 s.
– neodimi-135 (135Nd; 134,918181 uma). Nucli format per 60 protons i 75 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 744 s (12 minuts). Decau a praseodimi-135, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (135mNd) a 65,0 keV, que té una semivida de 330 s i que decau a praseodimi-135.
– neodimi-136 (136Nd; 135,914976 uma). Nucli format per 60 protons i 76 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3039 s (51 minuts). Decau a praseodimi-136, amb emissió d’un positró.
– neodimi-137 (137Nd; 136,914567 uma). Nucli format per 60 protons i 77 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2310 s (39 minuts). Decau a praseodimi-137, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (137mNd) a 519,43 keV, que té una semivida de 1,60 s, i que decau a l’estat basal.
– neodimi-138 (138Nd; 137,911950 uma). Nucli format per 60 protons i 78 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,81•104 s (5 hores). Decau a praseodimi-138, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (138mNd) a 3174,9 keV, que té una semivida de 4,1•10-7 s.
– neodimi-139 (139Nd; 138,911978 uma). Nucli format per 60 protons i 79 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1780 s (30 minuts). Decau a praseodimi-139 (amb emissió d’un positró). Posseeix dos estats metastables, un a 231,15 keV (139m1Nd; que té una semivida de 1,98•104 s, i que decau a l’estat basal (11,8%) o directament a praseodimi-139 (88,2%)) i un altre a 2570,9 keV (139m2Nd; que té una semivida de 1,41•10-7 s).
– neodimi-140 (140Nd; 139,90955 uma). Nucli format per 60 protons i 80 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,91•105 s (3 dies). Decau a praseodimi-140, per captura electrònica. Posseeix un estat metastable (140mNd) a 2221,4 keV, que té una semivida de 6•10-4 s.
– neodimi-141 (141Nd; 140,909610 uma). Nucli format per 60 protons i 81 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8960 s (2 hores). Decau a praseodimi-141, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (141mNd) a 756,51 keV, que té una semivida de 62,0 s, i que decau bé a l’estat basal (99,95%) o directament a praseodimi-141 (0,05%).
– neodimi-142 (142Nd; 141,9077233 uma). Nucli format per 60 protons i 82 neutrons. És un isòtop estable, per bé que teòricament susceptible de fissió espontània. La seva freqüència és de 27,2%, amb una oscil•lació mostral entre 26,80% i 27,30%.
– neodimi-143 (143Nd; 142,9098143 uma). Nucli format per 60 protons i 83 neutrons. Teòricament, decau a ceri-139, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho faria, però, amb una semivida tan llarga, que a efectes observacionals, se’l considera un isòtop estable. La seva freqüència és de 12,2%, amb una oscil•lació mostral entre 12,12% i 12,32%. En gran mesura, és producte de la fissió de radioisòtops pesants. Com a isòtop fill del samari-147, és un dels isòtops utilitzats en la datació de samari-neodimi, aplicada a roques i meteorits (com ara, la ratio 143Nd/144Nd).
– neodimi-144 (144Nd; 143,9100873 uma). Nucli format per 60 protons i 84 neutrons. Decau a ceri-140, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho fa, però, amb una semivida tan llarga, de 7,23•1022 s, que a efectes pràctics se’l podria considerar estable. La seva freqüència és de 23,8%, amb una oscil•lació mostral de 23,79%-23,97%. En part, és producte de la fissió de radioisòtops més pesants (i, en aquest sentit, és ell mateix un radioisòtop primordial)

Donald J. DePaolo presentà en 1981 un model sobre les variacions de la ratio 143Nd/144Nd en mostres respecte de la composició mitjana de la nebulosa protosolar (CHUR). La tendència secular del mantell terrestre seria cap a l’enriquiment relatiu de 143Nd, alhora que també augmentaria la relació samari/neodimi. Aquest model i les seves derivacions permeten l’aplicació de la datació de samari-neodimi per a estimar l’antiguitat de roques ígnies

– neodimi-145 (145Nd; 144,9125736 uma). Nucli format per 60 protons i 85 neutrons. Teòricament, decau a ceri-141, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho faria, però, amb una semivida tan llarga (superior a 2•1024 s; sis ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), que a efectes observacionals és un isòtop estable. La seva freqüència és de 8,3%, amb oscil•lacions mostrals de 8,23% a 8,35%. En part és producte de la fissió de radioisòtops pesants.
– neodimi-146 (146Nd; 145,9131169 uma). Nucli format per 60 protons i 86 neutrons. Teòricament, decau a ceri-142, amb emissió d’un nucli d’heli-4. A efectes observacionals, però, és un isòtop estable. La seva freqüència és de 17,2%, amb oscil•lacions mostrals de 17,06% a 17,35%. En part és producte de la fissió de radioisòtops pesants.
– neodimi-147 (147Nd; 146,9161004 uma). Nucli format per 60 protons i 87 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,487•105 s (11 dies). Decau a prometi-147, amb emissió d’un electró. És present en forma de traça en mostres naturals com a producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– neodimi-148 (148Nd; 147,916893 uma). Nucli format per 60 protons i 88 neutrons. Teòricament, decau a ceri-144, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Ho faria però, amb una semivida tan llarga (9•1025; vuit ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), que a efectes observacionals és un isòtop estable. La seva freqüència és de 5,7%, amb oscil•lacions mostrals de 5,66% a 5,78%. En part és producte de la fissió de radioisòtops pesants.
– neodimi-149 (149Nd; 148,920149 uma). Nucli format per 60 protons i 89 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6221 s (2 hores). Decau a prometi-149, amb emissió d’un electró. És present en mostres ambientals en forma de traça, com a producte de la fissió de radioisòtops més pesants.
– neodimi-150 (150Nd; 149,920891 uma). Nucli format per 60 protons i 90 neutrons. Decau a samari-150, amb emissió de dos electrons. Ho fa, però, amb una semivida tan llarga, de 2,1•1026 s (vuit ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers), que a efectes pràctics se’l podria considerar un isòtop estable. La seva freqüència és de 5,6%, amb oscil•lacions mostrals de 5,53% a 5,69%. A la Terra, una part és producte de la fissió de radioisòtops més pesants, i l’altra part de la dotació és primordial.
– neodimi-151 (151Nd; 150,923829 uma). Nucli format per 60 protons i 91 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 746,4 s (12 minuts). Decau a prometi-151, amb emissió d’un electró.
– neodimi-152 (152Nd; 151,924682 uma). Nucli format per 60 protons i 92 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 684 s (11 minuts). Decau a prometi-152, amb emissió d’un electró.
– neodimi-153 (153Nd; 152,927698 uma). Nucli format per 60 protons i 93 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 31,6 s. Decau a prometi-153, amb emissió d’un electró.
– neodimi-154 (154Nd; 153,92948 uma). Nucli format per 60 protons i 94 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 25,9 s. Decau a prometi-154, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 480 keV (154m1Nd; que té una semivida de 1,3•10-6 s) i un altre a 1349 keV (154m2Nd; que té una semivida de l’ordre de 10-6 s).
– neodimi-155 (155Nd; 154,93293 uma). Nucli format per 60 protons i 95 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,9 s. Decau a prometi-155, amb emissió d’un electró.
– neodimi-156 (156Nd; 155,93502 uma). Nucli format per 60 protons i 96 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,49 s. Decau a prometi-156, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (156mNd) a 1432 keV, que té una semivida de 1,35•10-7 s.
– neodimi-157 (157Nd; 156,93903 uma). Nucli format per 60 protons i 97 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2 s. Decau a prometi-157, amb emissió d’un electró.
– neodimi-158 (158Nd; 157,94160 uma). Nucli format per 60 protons i 98 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,7 s. Decau a prometi-158, amb emissió d’un electró.
– neodimi-159 (159Nd; 158,94609 uma). Nucli format per 60 protons i 99 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,5 s. Decau a prometi-159, amb emissió d’un electró.
– neodimi-160 (160Nd; 159,94909 uma). Nucli format per 60 protons i 100 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3 s. Decau a prometi-160, amb emissió d’un electró.
– neodimi-161 (161Nd; 160,95388 uma). Nucli format per 60 protons i 101 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,2 s. Decau a prometi-161, amb emissió d’un electró.

L’àtom neutre de neodimi conté 60 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f45s25p66s2. És, doncs, un element del període 6 i del bloc f, és a dir un lantànid (“element de terra rara”). Hom podria definir un grup f4 integrat pel neodimi i l’urani. L’estat d’oxidació més habitual és +3 (Nd3+), per bé que també el podem trobar en +2 i +1. El radi atòmic és de 1,81•10-10 m.

Neodimi metàl•lic envasat en atmosfera d’argó. Exposat a l’aire atmosfèric, un peça d’1 cm3 s’oxidaria completament en menys d’un any

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el neodimi es troba en estat sòlid. Els dos al•lòtrops principals són:
– alfa-neodimi (α-Nd). Estructura cristal•lina hexagonal doble. És la forma estable en condicions estàndards. És un metall brillant, de llustre argentí, amb una densitat, en aquestes condicions, de 7010 kg•m-3.
– beta-neodimi (β-Nd). Estructura cristal•lina centrada en cos. En condicions estàndards de pressió, l’α-Nd transiciona a aquesta forma a una temperatura de 1136 K.

En condicions estàndards de pressió, el neodimi elemental fon a 1297 K. El neodimi líquid en el punt de fusió té una densitat de 6890 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el neodimi elemental bull a 3347 K.

El neodimi elemental és un dels lantànids més reactius. S’oxida progressivament en presència d’aire atmosfèric, ja que la capa superficial d’òxid de neodimi es desprèn amb facilitat, impedint la passivació. L’oxidació esdevé gairebé immediata a temperatures superiors a 420 K.

Pot amb òxid de neodimi (III)

El neodimi metàl•lic és soluble en àcid sulfúric. En solucions líquides, el catió majoritari és Nd3+, en forma de complexos [Nd(OH2)9]3+

Cristalls de sulfat de neodimi (III)

Entre els compostos de neodimi citarem:
– òxids. El neodimi elemental s’oxida normalment a òxid de neodimi (III) (Nd2O3). En condicions estàndards forma un sòlid cristal•lí (hexagonal) de color gris amb lleugera tonalitat blavosa.
– hidròxid. El neodimi elemental, exposat a aigua, genera hidròxid de neodimi (III) (Nd(OH)3).
– halurs: NdF3 (sòlid de color violat), NdCl3 (sòlid de color malva), NdBr3 (sòlid de color violat), NdI3 (sòlid de color verd).
– sulfurs: NdS, Nd2S3.
– sultats: Nd2(SO4)3.
– nitrurs: NdN.
– nitrats: Nd(NO3)3.
– fosfurs: NdP.
– carburs: NdC2.

Entre els experiments proposats per Wilco Oelen hi ha aquest que mostra vials amb solucions de tres sals de neodimi (III): sulfat (Nd2(SO4)3), nitrat (Nd(NO)3) i clorur (NdCl3). A dalt, exposats a una il•luminació fluorescent, trobem una coloració prou apagada. A sota, exposats els vials a la llum solar, es manifesta la coloració dels cations Nd3+.

L’abundància atòmica del neodimi depèn del balanç entre les reaccions de nucleosíntesi que tenen lloc en estats madurs i en supernoves, de les rutes de desintegració d’isòtops d’elements més pesants i de la mateixa estabilitat dels isòtops de neodimi. Com correspon a elements de Z parell, el neodimi compta amb múltiples isòtops estables, cosa que afavoreix el seu abundor. El neodimi és més abundant que els dos elements que el flanquegen en la taula periòdica, el praseodimi i el prometi. També supera tota una sèrie d’elements més lleugers (beril•li, niobi, tecneci, rodi, argent, indi, antimoni, cesi, lantà). Dels elements més pesants, únicament el depassen en abundància atòmica, el platí i el plom.

En la Terra, l’abundància global del neodimi és de 0,84 ppm en termes de massa (0,15 ppm en termes atòmics). Com a element litòfil, és encara molt més concentrat en l’escorça terrestre, on arriba a 38 ppm en termes de massa. En termes atòmics, el neodimi és el tercer lantànid més abundant de la litosfera, únicament superat pel ceri i el lantà. El nom d’element de terra rara pot dur-nos a confusió, ja que el neodimi supera en abundància metalls de tanta rellevància industrial com el plom, l’estany o el tungstè, i se situa a nivells comparables al coure, el zinc o el níquel. Les majors concentracions de neodimi les presenten els minerals de terres rares com la monazita o la bastnäsita, en els quals el trobem en una proporció de 10-18% sobre total de terres rares.

A dalt, cristall de bastnäsita-Ce, procedent de les muntanyes Zagi (Paixtustan). Els compostos de neodimi solen contribuir força a la coloració dels minerals de terres rares, habitualment oferint tonalitat rosades, com en aquesta peça de lantanita-Nd de Mitsukoshi (a sota)

La concentració de neodimi en la hidrosfera depèn del context geològic. En l’oceà, una concentració típica és de 2,8 μg•m-3.

La presència de neodimi en l’atmosfera és transitòria i en forma de traça

Recentment, hom ha descrit alguns enzims microbians que poden requerir com a cofactor un lantànid (Pol et al., 2013). Fora d’aquest ús restringit, el neodimi no és considerat un bioelement per a la majoria d’organismes. En l’organisme humà, la presència de neodimi és normalment negligible.

Com s’esdevé amb altres metalls lantànids, el risc laboral del neodimi, sobretot en forma de pols, té a veure amb les seves propietats pirofòriques. La pols de neodimi i de les seves sals són irritants (especialment sobre ulls i membranes mucoses). La inhalació crònica de pols pot provocar problemes pulmonars (embolismes) i hepàtics.

Des de fa anys, grups de recerca com el de Wei Youzhang i Zhou Xiaobo s’han interessat en la suplementació de neodimi en sòls agrícoles. En el 1999, Wei i Zhou reportaven un efecte suplementari del neodimi en plantes de colza deficitàries en calci. És sobretot pensant en els efectes mimètics dels cations Nd3+ sobre el Ca2+, que preparats de terres rares són comercialitzats a la Xina com a fertilitzants.

Aplicacions del neodimi

Peces de bastnäsita, procedents de Kischtimsk (Urals)

La producció mundial anual de neodimi és de l’ordre de 10.000 tones, principalment obtingut de la bastnäsita ((Ce,La,Nd,Pr)CO3F). Hom calcula l’existència d’unes reserves mundials de 8 milions de tones. Encara que la major part de la producció es fa a la Xina, també cal esmentar la producció índia, nord-americana, sud-americana i australiana. En el 2011, el preu del neodimi experimentà un pic (500$/kg), sobretot com a resposta a l’anunci xinès de mesures sobre aquest “material estratègic”.

Dels minerals de terres rares, sovint s’extreu metall mixt (“mischmetal”), amb un contingut variable dels diferents lantànids, i en el qual el neodimi ronda el 18%.

Més sovint, són necessàries tècniques de separació dels diferents lantànids. El més habitual és emprar mètodes d’extracció amb solvents. No obstant, per a assolir pureses elevades (>99,99%) de neodimi o dels seus compostos, hom utilitza el bescanvi iònic.

Una aplicació destacada del neodimi és en l’elaboració de magnets. L’aliatge Nd2Fe14B és un magnets permanents més forts coneguts. Arriben a superar els magnets de samari-cobalt (SmCo) en termes no tan sols de força sinó també de lleugeresa i de menor cost. Ara bé, els magnets de neodimi-ferro-bor no resisteixen també com els SmCo les temperatures elevades. Els magnes d’aliatge de neodimi són emprats en un ample ventall de dispositius electrònics: micròfons, altaveus, auriculars, pastilles electromagnètiques de guitarres elèctriques, discs durs, etc. També són crucials en el desenvolupament de motors elèctrics per a automòbils i avions.

Magnet d’aliatge de neodimi col•locat sobre una peça de metall mu. La forta interacció magnètica entre els dos aliatges és utilitzada en el disseny de discs durs

La fortalesa dels magnets de neodimi fa que puguin atreure’s a distància considerables, cosa que constitueix un risc, per la violència dels moviments que aquesta força pot desencadenar.

Magnets esfèrics de Nd2Fe14B foren comercialitzats a partir del 2009 com a joguines amb el nom de “Buckyballs”. La idea era fer construccions (com el cub de la imatge) amb aquestes bales magnètiques. Des de llavors, als Estats Units, hi ha hagut 2900 casos d’urgències. La ingesta de dues o més bales és especialment perillosa, ja que en atreure’s poden pinçar teixit gastrointestinal. Per aquest motiu, foren necessàries als Estat Units 33 intervencions quirúrgiques, i va produir-se una mort.

Una altra aplicació quantitativament rellevant, és la inclusió de Nd2O3 en vidre. Ja hem vist abans com el vidre de neodimi té una coloració diferent segons la font d’il•luminació. Això es deu particularment a una interferència òptica de les emissions de mercuri, de manera que sota una llum fluorescent, el vidre de neodimi té un color blau pàl•lid, mentre que sota la llum natural recupera la tonalitat rosada o lavanda. Segons altres additius, el vidre de neodimi pot tindre també una tonalitat bordelesa o fins i tot grisa.

El vidre de neodimi presenta una coloració variable segons la il•luminació i la presència d’altres additius. L’òxid de neodimi també té la propietat, en el vidre, d’emmascarar el color verd associat a compostos de ferro

A banda dels usos decoratius del vidre de neodimi, podem esmentar una sèrie d’aplicacions especialitzades:
– l’ús de vidre de neodimi en bombetes incandescents fa més blanca la llum emesa pel fil de tungstè.
– el vidre de neodimi és utilitzat de vegades en miralls de retrovisors, ja que redueix el risc d’enlluernament nocturn.
– el vidre de didimi (barreja de sals de neodimi i praseodimi) és utilitzat en ulleres de protecció.
– filtres de vidres de didimi o de neodimi són emprats en fotografia, especialment en fotografia d’interior, per a enfortir la captació de colors, alhora filtrant les tonalitats grogues pròpies de la il•luminació incandescent
– en instruments astronòmics, el vidre de neodimi pot filtrar la llum afinant les línies espectrals.

Alguns làsers en estat sòlid incorporen en la seva estructura cations Nd3+, com és el cas del vidre de neodimi, però també de Nd:YAG, Nd:YLF o Nd:YVO4. Molts punters làser utilitzen de fet, un làser d’infraroig Nd:YVO4 l’emissió del qual es després transformada a llum visible (vermella, verda).

En recerca sobre armes nuclears, hom ha utilitzat làsers de neodimi per a aconseguir experimentalment condicions similars a les produïdes en una deflagració nuclear i estudiar-ne la transmissió de radiacions. L’Establiment d’Armes Nuclears del Regne Unit, per exemple, posseeix un làser de vidre de neodimi d’1 teravat de potència, anomenat HELEN (“High Energy Laser Embodying Neodymium”). HELEN pot crear plasmes de 106 K. Una altra aplicació d’aquests làsers d’extremada potència és la inducció de la fusió d’hidrogen (fusió per confinament inercial). El 7 d’octubre del 2013, per primera vegada la National Ignition Facility (NIF) dels Estats Units aconseguí la producció d’una càpsula que oferia més energia que no pas la que requeria. Queda, però, molt de camí per a les plantes d’energia de fusió inercial.

Cilindre de granat d’itri i alumini (YAG, Y3Al5O12) dopat amb òxid de neodimi (Nd:YAG; de tal manera que 1% dels cations Y3+ és substituït per cations Nd3+). El primer làser Nd:YAG fou construït per Geusic et al. (1964)

L’òxid de neodimi i d’altres compostos són utilitzats com a colorants en ceràmica, esmalt, etc.

L’elevada capacitat calorífica específica del neodimi a 4 K fa que sigui utilitzat en el disseny d’alguns sistemes d’ultracongelació.

Hem esmentat abans, el sistema de datació de samari-neodimi, útil en geocronologia. Relacionat amb això, els vulcanòlegs han explorat l’aplicació de les relacions isotòpiques de neodimi en lava per caracteritzar erupcions.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: