釹

釹   ₆₀Nd

氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） - ↑ 釹 ↓ 鈾 鐠 ← 釹 → 鉕
外觀
銀白色
概況
名稱·符號·序數	釹（Neodymium）·Nd·60
元素類別	鑭系元素
族·週期·區	不適用 ·6·f
標準原子質量	144.242
電子排布	[Xe] 4f4 6s2 2, 8, 18, 22, 8, 2
物理性質
物態	固態
密度	（接近室溫） 7.01 g·cm−3
熔點時液體密度	6.89 g·cm−3
熔點	1297 K，1024 °C，1875 °F
沸點	3347 K，3074 °C，5565 °F
熔化熱	7.14 kJ·mol−1
汽化熱	289 kJ·mol−1
比熱容	27.45 J·mol−1·K−1
蒸氣壓 壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k 溫/K 1595 1774 1998 (2296) (2715) (3336)
原子性質
氧化態	3, 2（弱鹼性）
電負性	1.14（鮑林標度）
電離能	第一：533.1 kJ·mol−1 第二：1040 kJ·mol−1 第三：2130 kJ·mol−1
原子半徑	181 pm
共價半徑	201±6 pm
雜項
晶體結構	六方
磁序	順磁性、20K以下反鐵磁性[1]
電阻率	(室溫) (α，聚合物) 643 n Ω·m
熱導率	16.5 W·m−1·K−1
熱膨脹係數	(室溫) (α，聚合物) 9.6 µm/(m·K)
聲速（細棒）	（20 °C）2330 m·s−1
楊氏模量	（α晶型）41.4 GPa
剪切模量	（α晶型）16.3 GPa
體積模量	（α晶型）31.8 GPa
泊松比	（α晶型）0.281
維氏硬度	343 MPa
布氏硬度	265 MPa
CAS號	7440-00-8
最穩定同位素
主條目：釹的同位素 同位素 豐度 半衰期 (t1/2) 衰變 方式 能量（MeV） 產物 142Nd 27.2% 穩定，帶82個中子 143Nd 12.2% 穩定，帶83個中子 144Nd 23.8% 2.29×1015y α 1.905 140Ce 145Nd 8.3% >6×1016y α 無數據 141Ce 146Nd 17.2% 穩定，帶86個中子 148Nd 5.7% >3×1018y α 無數據 144Ce 150Nd 5.6% 6.7×1018y β−β− 3.367 150Sm

釹（拼音：nǚ，注音：ㄋㄩˇ，粵拼：neoi5；英語：Neodymium；舊譯釢、鋖），是一種化學元素，其化學符號為Nd，原子序數為60，原子量為144.242 u，屬於鑭系元素，也是稀土元素之一。釹是一個堅硬，可以延展的銀白色金屬，較活潑，室溫下在空氣中緩慢氧化，能與水和酸作用放出氫。有順磁性。釹氧化後，會形成粉紅色、藍紫色和黃色的化合物，分別處於+2、+3和+4氧化態。釹於1885年由奧地利化學家卡爾·奧爾·馮·韋爾斯巴赫發現。它大量存在於礦物獨居石和氟碳鈰礦中。釹不會以金屬形式天然存在，會與其他鑭系元素混合，通常經過提煉以供一般用途。雖然釹被歸類為稀土元素，但它相當常見，不比鈷、鎳或銅稀有，並且廣泛分布在地球的地殼中。 世界上大部分的釹都是在中國開採的。

釹化合物在1927年首次商業用作玻璃染料，現在仍然是玻璃中流行的添加劑。釹化合物的顏色是由Nd³⁺離子引起的，它通常為紅紫色，但會隨著照明的類型而變化。一些摻釹玻璃用於發射波長在1047到1062奈米之間的紅外線的雷射器。它們已被用於極高功率的應用，例如慣性約束聚變中的實驗。釹還與其他各種基質晶體一起使用，例如摻釹釔鋁石榴石雷射中的釔鋁石榴石。

釹的另一個重要用途是作為合金中的一種成分，用於製造高強度的釹磁鐵——一種強大的永久磁鐵。^[3]這些磁鐵廣泛用於麥克風、專業揚聲器、入耳式耳機、高性能業餘直流電動機和計算機硬碟等需要低磁鐵質量（或體積）或強磁場的產品中。較大的釹磁鐵則用於高功率和重量的電動機（例如混合動力汽車）和發電機（例如飛機和風力發動機的發電機）。^[4]

性質

物理性質

釹是一種稀土金屬。金屬釹具有明亮的銀色金屬光澤。釹有兩種同素異形體，會從六方晶系轉換成體心立方晶系，轉變溫度 863 °C。^[5]釹在室溫下是順磁性的，在冷卻到 20 K（−253.2 °C）時變成反鐵磁性的。^[6] 釹和鐵的合金，也就是釹磁鐵是鐵磁性的。

化學性質

釹在標準情況下會迅速氧化，^[5] 在 150 °C 時準備燃燒成氧化釹。鈍化後的釹的外層會形成一層氧化釹，剝開后里面的釹會繼續和氧氣反應：^[5]

4Nd + 3O
2 → 2Nd
2O
3

釹的電正性很大，和冷水反應較慢，但和熱水反應迅速，形成氫氧化釹：

2Nd (s) + 6H
2O (l) → 2Nd(OH)
3 (aq) + 3H
2 (g)

金屬釹和所有的鹵素劇烈反應：

2Nd (s) + 3F
2 (g) → 2NdF
3 (s) （紫色）

2Nd (s) + 3Cl
2 (g) → 2NdCl
3 (s) （粉紫色）

2Nd (s) + 3Br
2 (g) → 2NdBr
3 (s) （紫色）

2Nd (s) + 3I
2 (g) → 2NdI
3 (s) （綠色）

釹和稀硫酸反應，形成含有紫丁香色的 Nd(III) 離子的溶液。它以 [Nd(OH₂)₉]³⁺ 配合物的形式存在：^[7]

2Nd (s) + 3H
2SO
4 (aq) → 2Nd³⁺ (aq) + 3SO2−
4 (aq) + 3H
2 (g)

化合物

釹化合物包括：

• 鹵化物：氟化釹 (NdF₃)，四氟化釹(NdF₄)，氯化釹 (NdCl₃)，溴化釹 (NdBr₃)，碘化釹 (NdI₃)
• 氧化物：氧化釹 (Nd
  2O
  3)
• 硫化物：一硫化釹 (NdS)，三硫化二釹(Nd
  2S
  3)
• 氮化物：氮化釹 (NdN)
• 氫氧化物：氫氧化釹 (Nd(OH)
  3)
• 磷化物：磷化釹 (NdP)
• 碳化物：碳化釹 (NdC
  2)
• 硝酸鹽：硝酸釹 (Nd(NO
  3)
  3)
• 硫酸鹽：硫酸釹 (Nd
  2(SO
  4)
  3)

硫酸釹

一些釹化合物的顏色會隨著光線而變化。

• 

  螢光燈下的釹化合物，從左到右分別為硫酸釹、硝酸釹和氯化釹。

• 

  一體式螢光燈下的釹化合物

• 

  正常日光下的釹化合物

同位素

天然釹由五種同位素組成，分別是¹⁴²Nd、¹⁴³Nd、¹⁴⁵Nd、¹⁴⁶Nd 和¹⁴⁸Nd。其中，¹⁴²Nd 是最常見的，占了 27.2% 。釹有兩種天然的放射性同位素，¹⁴⁴Nd 和¹⁵⁰Nd。截至2010年，已知的放射性釹同位素有31種，最穩定的兩種在自然中存在。它們分別是 ¹⁴⁴Nd （α衰變，半衰期 2.29×10¹⁵ 年）和¹⁵⁰Nd （雙β衰變, 半衰期約為 7×10¹⁸）。剩下的放射性同位素半衰期都低於11天，大部分少於 70 秒。釹也有 13 個已知的核同質異能素，其中最穩定的是 ^139mNd （半衰期 5.5 小時），^135mNd（半衰期 5.5 分鐘）和 ^133m1Nd （半衰期 ~70 秒）。

歷史

釹是由奧地利化學家卡爾·奧爾·馮·韋爾斯巴赫於1885年在維也納發現的。^[8][9]它在硝酸溶液中對鐠釹的硝酸鹽進行分步結晶，從鐠釹中分離了釹。韋爾斯巴赫通過光譜學確認了釹的存在，但是得到的樣本純度低。Didymium 是由卡爾·莫桑德爾在 1841年發現的，但 1925年才分離到了純的釹。neodymium 這個名稱由希臘文字 neos (νέος)，意為新和 didymos (διδύμος)，意為雙胞胎組成。^{[5][10][11][12][13][14]}

存在和生產

釹在自然界中很少以游離元素的形式被發現，而是存在於諸如獨居石和氟碳鈰礦（這些是礦物組名稱而不是單一礦物名稱）的礦石中，這些礦石中含有少量的所有稀土金屬。在這些礦物中，釹很少占主導地位，而鈰是最豐富的鑭系元素，不過也有例外，如獨居石-(Nd) 和kozoite-(Nd)。^[15]釹的主要礦區在中國、美國、巴西、印度、斯里蘭卡和澳大利亞。釹的儲量估計約為800萬噸。釹雖然屬於稀土金屬，但一點也不稀有。它在地殼中的豐度約為38mg/kg，在稀土元素中位居第二，僅次於鈰。2004年世界釹的產量約為7,000噸。^[10]目前的大部分釹產量來自中國。歷史上，中國政府對該元素實施了戰略物資管制，導致價格出現較大波動。^[16] 價格和供貨的不確定性導致公司（尤其是日本公司）製造稀土金屬較少的永磁體和相關電動機；然而，到目前為止，他們還無法消除對釹的需求。^[17][18]根據美國地質調查局，格陵蘭擁有最大的未開發稀土礦床儲量，尤其是釹。由於在採礦過程中釋放放射性物質，在這些地點與當地居民發生採礦利益衝突。^[19]

釹通常占輕稀土元素礦物氟碳鈰礦和獨居石商業礦床稀土含量的10-18%。^[5] 由於釹化合物是三價鑭系元素顏色最強烈的，因此當不存在競爭發色團時，它有時會主導稀土礦物的著色。它通常呈現粉紅色。這方面的突出例子包括來自拉拉瓜、玻利維亞錫礦床的獨居石晶體，來自加拿大魁北克省Mont Saint-Hilaire的ancylite，或來自美國賓夕法尼亞州北安普敦縣下索肯鎮的lanthanite。與釹玻璃一樣，這些礦物質在不同的光照條件下會改變顏色。釹的吸收帶與水銀燈的可見光發射光譜相互作用，未經過濾的短波紫外線使含釹礦物反射出獨特的綠色。這可以在含有獨居石的沙子或含氟碳鈰礦的礦石觀察到。

應用

• 釹在液氦溫度下具有異常大的比熱容量，因此可用於低溫冷卻器。
• 可能由於和 Ca²⁺類似，Nd³⁺被報告^[20]可以促進植物生長。
• 釤釹測年法可用於確定岩石^[21]和隕石的年齡。
• 海洋沉積物中的釹同位素用於重建過去海洋環流的變化。^[22][23]

磁鐵

釹磁鐵（實際上是合金，化學式Nd₂Fe₁₄B）是已知最強的永久磁鐵。幾克重的釹磁鐵可以舉起自身重量一千倍的東西。這些磁鐵比釤鈷磁鐵更便宜、更輕、更堅固。然而，它們並非在各個方面都優越，因為釹基磁鐵在較低溫度下會失去磁性並容易被腐蝕，而釤鈷磁鐵則不會。

釹磁鐵出現在麥克風、專業揚聲器、入耳式耳機、吉他和低音吉他拾音器等產品中，以及需要低質量、小體積或強磁場的計算機硬碟。釹也用於混合動力和電動汽車的電動機以及某些商業風力渦輪機設計的發電機（只有帶有永磁發電機的風力渦輪機使用釹）。例如，豐田普瑞斯的驅動電動機需要一公斤（2.2 磅）的釹。^[4]

2020年，奈梅亨拉德伯德大學和烏普薩拉大學的物理學研究人員宣布，他們在釹的原子結構中觀察到了一種稱為「自誘導自旋玻璃」的行為。其中一位研究人員解釋說，「……我們是掃描隧道顯微鏡的專家。它使我們能夠看到單個原子的結構，讓我們可以解析原子的北極和南極。隨著高精度成像的這一進步，我們能夠發現釹的這種行為，因為我們可以解決磁結構中令人難以置信的微小變化。」釹具有複雜的磁性，這在元素週期表的元素中是前所未有的。^[24][25]

雷射

某些具有少量釹離子的透明材料可用於紅外線（波長1054~1064nm）雷射器中的激活雷射媒質，例如Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO₄和釹玻璃。摻釹晶體（通常為 Nd:YVO₄）會產生高功率的紅外線雷射束，在商用半導體泵浦固體雷射手持雷射器和雷射筆中轉換為綠色雷射束。

玻璃

釹玻璃是通過在融化的玻璃中加入氧化釹（Nd₂O₃）來生產的。在白天或白熾燈光下，釹玻璃呈現通常淡紫色，但在螢光燈照明下呈現淡藍色。釹可用於為玻璃著色從純紫色到酒紅色和暖灰色的微妙色調。

釹的尖銳吸收帶使得釹玻璃在不同光照條件下顏色會發生變化。釹玻璃在日光或黃色白熾燈下呈紅紫色，在白色螢光下呈藍色，在三色燈光下呈綠色。這種變色現象受到收藏家的高度評價。它和金或硒混合，可以產生紅色。由於釹的著色依賴於原子內部深處的 f-f 躍遷禁制，因此化學環境對顏色的影響相對較小，顏色不受玻璃熱量歷史的影響。然而，為了獲得最佳顏色，需要儘量減少用於製造玻璃的二氧化矽中的含鐵雜質。f-f躍遷的相同禁止性質使得稀土著色劑的強度低於大多數過渡元素提供的著色，因此必須在玻璃中使用更多的稀土元素才能達到所需的顏色強度。最初Moser的配方在玻璃熔體中使用了大約5%的氧化釹，這個數量足以讓Moser將這些稱為「稀土摻雜」玻璃。作為強鹼，釹的含量會影響玻璃的熔化性能，因此玻璃的氧化鈣含量可能必須做出相應的調整。^[26]

透過釹玻璃的光線顯示出異常銳利的吸收帶。這些玻璃用於天文工作以產生清晰的吸收帶，而譜線可以通過這些吸收帶進行校準。^[5]釹的另一個應用是創建選擇性天文過濾器，以減少鈉和螢光燈照明造成的光污染影響，同時通過其他顏色，尤其是來自星雲的深紅色的H-α譜線。^[27]釹還用於去除由玻璃中的鐵雜質引起的綠色。

釹是didymium（指釹和鐠的混合物）的一種成分，用於給玻璃著色，製造焊工和吹玻璃工的護目鏡。它尖銳的吸收帶消除了589 nm處的強鈉譜線。它可以吸收578 nm處的黃色汞譜線，這是在傳統白色螢光燈下觀察到釹玻璃為1藍色的主要原因。釹和didymium做的玻璃用於室內攝影的色彩增強濾光片，特別是用於濾除白熾燈中的黃色調。同樣的，釹玻璃也越來越直接地廣泛用於白熾燈。這些燈的玻璃中含有釹以濾除黃光，從而產生更像陽光的白光。^[28]與它在玻璃中的應用類似，釹鹽也用作搪瓷的著色劑。^[5]

危險性

釹
危險性
GHS危險性符號
GHS提示詞	Warning
H-術語	H315, H319, H335
P-術語	P261, P305+351+338[29]
NFPA 704	0 2 0
若非註明，所有數據均出自一般條件（25 ℃，100 kPa）下。

金屬釹的粉塵是可燃的，會引起爆炸。釹化合物和所有鑭系元素化合物一樣，具有中低毒性。然而，其毒性尚未得到徹底調查。釹粉塵和鹽對眼睛和黏膜有很強的刺激性，對皮膚有中度刺激性。吸入釹粉塵會造成肺栓塞，累積接觸會損害肝臟。釹也可作為抗凝劑，尤其是靜脈注射時。^[10]

釹磁鐵已經過醫療用途的測試，例如磁性支架和骨骼修復，但生物相容性阻礙了其廣泛應用。可商購的釹磁鐵的磁性很強，在遠處時仍可相互吸引。如果不小心，它們就會迅速並有力地吸引，造成受傷。有人使用兩個釹磁鐵從 50 厘米遠的地方相互吸引時，直接夾斷他的手指。 ^[30]

這些強力釹磁鐵的另一個危害是當攝入不止一個釹磁鐵時，它們會相互吸引並夾傷胃腸道中的軟組織。這導致約 1700 次急診室就診 ^[31]和釹磁鐵玩具的召回。^[31][32]

註釋

參考文獻

外部連結

• 元素釹在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
• EnvironmentalChemistry.com —— 釹（英文）
• 元素釹在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素釹在Peter van der Krogt elements site的介紹（英文）
• WebElements.com – 釹（英文）
• "Neodymium(Revised)". Retrieved 2019-04-17. Neodymium Oxidation states & Compounds