Chlorek neodymu(III).
|
|||
| Nazwy | |||
|---|---|---|---|
| Inne nazwy Trichlorek neodymu
|
|||
| Identyfikatory | |||
|
|||
|
Model 3D ( JSmol )
|
|||
| ChemSpider | |||
| Karta informacyjna ECHA | 100.030.016 | ||
|
Identyfikator klienta PubChem
|
|||
| UNII | |||
|
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
|
|||
|
|||
|
|||
| Nieruchomości | |||
|
NdCl 3 , NdCl 3 ·6H 2O (wodzian) |
|||
| Masa cząsteczkowa | 250,598 g/mol | ||
| Wygląd |
Fioletowy proszek higroskopijny |
||
| Gęstość | 4,13 g/cm3 ( 2,3 dla hydratu) | ||
| Temperatura topnienia | 759 ° C (1398 ° F; 1032 K) | ||
| Temperatura wrzenia | 1600 ° C (2910 ° F; 1870 K) | ||
| 1 kg/L w temp. 25°C | |||
| Rozpuszczalność w etanolu | 0,445 kg/l | ||
| Struktura | |||
| sześciokątny ( typu UCl 3 ), hP8 | |||
| P6 3 /m, nr 176 | |||
|
a = 0,73988 nm, c = 0,42423 nm
|
|||
|
Jednostki wzoru ( Z )
|
2 | ||
|
Trójkątny pryzmatyczny trygonalny (dziewięć współrzędnych) |
|||
| Zagrożenia | |||
| Oznakowanie GHS : | |||
|
|||
| Ostrzeżenie | |||
| H315 , H319 , H335 | |||
| P261 , P264 , P271 , P280 , P302+P352 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P312 , P321 , P332 + P313 , P337 + P313 , P362 , P403+P233 , P405 , P50 1 | |||
| NFPA 704 (ognisty diament) | |||
| Karta charakterystyki (SDS) | Karta charakterystyki zewnętrznej | ||
| Związki pokrewne | |||
|
Inne aniony
|
Bromek neodymu(III) Tlenek neodymu(III). |
||
|
Inne kationy
|
LaCl 3 , SmCl 3 , PrCl 3 , EuCl 3 , CeCl 3 , GdCl 3 , TbCl 3 , chlorek prometu(III) | ||
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
|
|||
_2.png)
Chlorek neodymu(III) lub trichlorek neodymu to związek chemiczny neodymu i chloru o wzorze NdCl 3 . Ten bezwodny związek jest fiołkoworóżową substancją stałą, która pod wpływem powietrza szybko absorbuje wodę, tworząc purpurowy heksahydrat NdCl 3 · 6H 2O . Chlorek neodymu(III) jest wytwarzany z minerałów monacytu i bastnäsytu przy użyciu złożonego, wieloetapowego procesu ekstrakcji. Chlorek ma kilka ważnych zastosowań jako półprodukt chemiczny do produkcji laserów i światłowodów na bazie metalu neodymowego i neodymu. Inne zastosowania to katalizator w syntezie organicznej iw rozkładzie zanieczyszczeń ścieków, ochrona przed korozją aluminium i jego stopów oraz znakowanie fluorescencyjne cząsteczek organicznych ( DNA ).
Wygląd
NdCl3 jest higroskopijnym ciałem stałym o barwie fioletowej, którego kolor zmienia się na purpurowy po wchłonięciu wody atmosferycznej. Powstały hydrat, podobnie jak wiele innych soli neodymu , ma interesującą właściwość polegającą na tym, że w świetle fluorescencyjnym przybiera różne kolory - w przypadku chlorku jasnożółty (patrz rysunek).
Struktura
Solidny
Bezwodny NdCl 3 ma Nd w dziewięciorzędowej trygonalnej pryzmatycznej geometrii o dziewięciu współrzędnych i krystalizuje ze strukturą UCl 3 . Ta sześciokątna struktura jest wspólna dla wielu chlorowcowanych lantanowców i aktynowców , takich jak LaCl 3 , LaBr 3 , SmCl 3 , PrCl 3 , EuCl 3 , CeCl 3 , CeBr 3 , GdCl 3 , AmCl3 , i TbCl3 _ ale nie dla YbCl3 i LuCl3 .
Rozwiązanie
Struktura chlorku neodymu(III) w roztworze zależy zasadniczo od rozpuszczalnika: W wodzie głównymi formami są Nd(H 2 O) 8 3+ , a ta sytuacja jest powszechna w przypadku większości chlorków i bromków ziem rzadkich. W metanolu związki te to NdCl 2 (CH 3 OH) 6 + , aw kwasie chlorowodorowym NdCl (H 2 O) 7 2+ . Koordynacja neodymu jest we wszystkich przypadkach ośmiościenna (8-krotna), ale struktura liganda jest inna.
Nieruchomości
NdCl 3 jest miękkim paramagnetycznym ciałem stałym, które staje się ferromagnetykiem w bardzo niskiej temperaturze 0,5 K. Jego przewodność elektryczna wynosi około 240 S/m, a pojemność cieplna ~100 J/(mol·K). NdCl3 rozpuszczalny w wodzie i etanolu, ale nie w chloroformie ani eterze . Redukcja NdCl 3 metalicznym Nd w temperaturze powyżej 650 °C daje NdCl 2 :
- 2 NdCl3 + Nd → 3 NdCl2
Ogrzewanie NdCl 3 parą wodną lub krzemionką daje tlenochlorek neodymu:
- NdCl 3 + H 2 O → NdOCl + 2 HCl
- 2 NdCl 3 + SiO 2 → 2 NdOCl + SiCl 4
Reakcja NdCl 3 z siarkowodorem w temperaturze około 1100 °C daje siarczek neodymu :
- 2 NdCl 3 + 3 H 2 S → 2 Nd 2 S 3 + 6 HCl
Reakcje z amoniakiem i fosfiną w wysokich temperaturach dają odpowiednio azotek neodymu i fosforek :
- NdCl 3 + NH 3 → NdN + 3 HCl
- NdCl 3 + PH 3 → NdP + 3 HCl
Podczas gdy dodatek kwasu fluorowodorowego daje fluorek neodymu :
- NdCl3 + 3HF → NdF3 + 3 HCl
Przygotowanie
NdCl 3 jest wytwarzany z minerałów monacytu i bastnäsytu . Synteza jest złożona ze względu na niską zawartość neodymu w skorupie ziemskiej (38 mg/kg) oraz trudność w oddzieleniu neodymu od innych lantanowców. Proces ten jest jednak łatwiejszy w przypadku neodymu niż w przypadku innych lantanowców ze względu na jego stosunkowo wysoką zawartość w minerale – do 16% wagowych, co jest trzecią najwyższą wartością po cerze i lantanie . Istnieje wiele odmian syntezy i jedną z nich można uprościć w następujący sposób:
Rozdrobniony minerał jest traktowany gorącym stężonym kwasem siarkowym w celu wytworzenia rozpuszczalnych w wodzie siarczanów pierwiastków ziem rzadkich. Kwaśne przesącze są częściowo neutralizowane wodorotlenkiem sodu do pH 3–4. Tor wytrąca się z roztworu w postaci wodorotlenku i jest usuwany. Następnie roztwór traktuje się szczawianem amonu w celu przekształcenia pierwiastków ziem rzadkich w ich nierozpuszczalne szczawiany . Szczawiany są przekształcane w tlenki przez wyżarzanie. Tlenki są rozpuszczane w kwasie azotowym , który wyklucza główne składniki, cer , którego tlenek jest nierozpuszczalny w HNO 3 . Tlenek neodymu jest oddzielany od innych tlenków metali ziem rzadkich na drodze wymiany jonowej . W tym procesie jony pierwiastków ziem rzadkich są adsorbowane na odpowiedniej żywicy w drodze wymiany jonowej z obecnymi w żywicy jonami wodoru, amonu lub miedzi. Jony pierwiastków ziem rzadkich są następnie selektywnie wypłukiwane odpowiednim środkiem kompleksującym, takim jak cytrynian amonu lub nitrylooctan.
Nd2O3 Ten proces normalnie daje ; tlenek jest trudny do bezpośredniego przekształcenia w elementarny neodym, co często jest celem całej procedury technologicznej. Dlatego tlenek jest traktowany kwasem chlorowodorowym i chlorkiem amonu w celu wytworzenia mniej stabilnego NdCl 3 :
- Nd 2 O 3 + 6 NH 4 Cl → 2 NdCl 3 + 3 H 2 O + 6 NH 3
Wytworzony w ten sposób NdCl 3 szybko absorbuje wodę i przekształca się w hydrat NdCl 3 ·6H 2 O, który jest stabilny podczas przechowywania iw razie potrzeby można go z powrotem przekształcić w NdCl 3 . Proste szybkie ogrzewanie hydratu nie jest praktyczne w tym celu, ponieważ powoduje hydrolizę , aw konsekwencji wytwarzanie Nd2O3 . Dlatego bezwodny NdCl 3 jest przygotowywany przez odwodnienie hydratu przez powolne ogrzewanie do 400 °C z 4-6 równoważnikami chlorku amonu pod wysoką próżnią lub przez ogrzewanie z nadmiarem chlorku tionylu przez kilka godzin. NdCl 3 można alternatywnie otrzymać w reakcji metalicznego neodymu z chlorowodorem lub chlorem , chociaż ta metoda nie jest ekonomiczna ze względu na stosunkowo wysoką cenę metalu i jest stosowana wyłącznie do celów badawczych. Po przygotowaniu jest zwykle oczyszczany przez sublimację w wysokiej temperaturze pod wysoką próżnią.
Aplikacje
Produkcja neodymu metalicznego
Chlorek neodymu(III) jest najpowszechniejszym związkiem wyjściowym do produkcji metalicznego neodymu. NdCl 3 ogrzewa się z chlorkiem amonu lub fluorkiem amonu i kwasem fluorowodorowym lub z metalami alkalicznymi lub ziem alkalicznych w próżni lub w atmosferze argonu w temperaturze 300–400 °C.
- NdCl3 + 3 Li → Nd + 3 LiCl
Alternatywną drogą jest elektroliza stopionej mieszaniny bezwodnego NdCl 3 i NaCl lub KCl w temperaturze około 700 °C. Mieszanina topi się w tych temperaturach, mimo że są one niższe niż temperatury topnienia NdCl 3 i KCl (~770 °C).
Lasery i wzmacniacze światłowodowe
Chociaż sam NdCl 3 nie ma silnej luminescencji , służy jako źródło jonów Nd 3+ dla różnych materiałów emitujących światło. Te ostatnie obejmują lasery Nd-YAG i wzmacniacze światłowodowe domieszkowane Nd , które wzmacniają światło emitowane przez inne lasery. Laser Nd-YAG emituje podczerwone o długości 1,064 mikrometra i jest najpopularniejszym laserem na ciele stałym (tj. opartym na ośrodku stałym). Powód stosowania NdCl 3 zamiast metalicznego neodymu lub jego tlenku, w produkcji włókien jest łatwy rozkład NdCl 3 podczas chemicznego osadzania z fazy gazowej ; ten ostatni proces jest szeroko stosowany w przypadku wzrostu włókien.
Chlorek neodymu(III) jest domieszką nie tylko tradycyjnych światłowodów na bazie krzemionki, ale także włókien z tworzyw sztucznych (domieszkowane fotowapno-żelatyna, poliimid, polietylen itp . ) . Jest również stosowany jako dodatek do organicznych diod emitujących światło podczerwone . Poza tym folie organiczne domieszkowane neodymem mogą pełnić nie tylko rolę diod LED, ale także filtrów barwnych poprawiających widmo emisyjne diod LED.
Rozpuszczalność chlorku neodymu (III) (i innych soli metali ziem rzadkich) w różnych rozpuszczalnikach skutkuje nowym typem lasera metali ziem rzadkich, który jako ośrodek aktywny wykorzystuje nie ciało stałe, ale ciecz. Ciecz zawierająca jony Nd 3+ jest przygotowywana w następujących reakcjach:
- SnCl 4 + 2 SeOCl 2 → SnCl 6 2− + 2 SeOCl +
- SbCl 5 + SeOCl 2 → SbCl 6 − + SeOCl +
- 3 SeOCl + + NdCl 3 → Nd 3+ (solv) + 3 SeOCl 2 ,
gdzie Nd 3+ jest w rzeczywistości jonem solwatowanym z kilkoma cząsteczkami tlenochlorku selenu skoordynowanymi w pierwszej sferze koordynacyjnej, czyli [Nd(SeOCl 2 ) m ] 3+ . Ciecze laserowe przygotowane tą techniką emitują przy tej samej długości fali 1,064 mikrometra i posiadają właściwości, takie jak duże wzmocnienie i ostrość emisji, które są bardziej charakterystyczne dla laserów krystalicznych niż laserów ze szkła Nd. Wydajność kwantowa tych ciekłych laserów wynosiła około 0,75 w stosunku do tradycyjnego lasera Nd:YAG.
Kataliza
Innym ważnym zastosowaniem NdCl 3 jest kataliza – w połączeniu z organicznymi substancjami chemicznymi, takimi jak trietyloglin i 2-propanol , przyspiesza polimeryzację różnych dienów . Produkty obejmują kauczuki syntetyczne ogólnego przeznaczenia, takie jak polibutylen , polibutadien i poliizopren .
Chlorek neodymu (III) jest również używany do modyfikacji dwutlenku tytanu . Ten ostatni jest jednym z najpopularniejszych nieorganicznych fotokatalizatorów do rozkładu fenolu , różnych barwników i innych zanieczyszczeń ścieków. Katalityczne działanie tlenku tytanu musi być aktywowane przez światło UV, czyli sztuczne oświetlenie. Jednak modyfikacja tlenku tytanu chlorkiem neodymu (III) umożliwia katalizę w świetle widzialnym, takim jak światło słoneczne. Zmodyfikowany katalizator otrzymuje się metodą chemicznego koprecypitacji – peptyzacji wodorotlenkiem amonu z mieszaniny TiCl 4 i NdCl3 w roztworze wodnym). Proces ten jest stosowany komercyjnie na dużą skalę w 1000-litrowym reaktorze do stosowania w samooczyszczających się farbach fotokatalitycznych.
Ochrona przed korozją
Inne aplikacje są opracowywane. Na przykład doniesiono, że powlekanie aluminium lub różnych stopów aluminium daje bardzo odporną na korozję powierzchnię, która następnie wytrzymuje zanurzenie w stężonym wodnym roztworze NaCl przez dwa miesiące bez oznak wżerów. Powłoka jest wytwarzana przez zanurzenie w wodnym roztworze NdCl 3 na tydzień lub przez osadzanie elektrolityczne z użyciem tego samego roztworu. W porównaniu z tradycyjnymi chromu , NdCl 3 i inne sole metali ziem rzadkich są przyjazne dla środowiska i znacznie mniej toksyczne dla ludzi i zwierząt.
Ochronne działanie NdCl 3 na stopy aluminium opiera się na tworzeniu nierozpuszczalnego wodorotlenku neodymu. Będąc chlorkiem, sam NdCl 3 jest środkiem korozyjnym, który jest czasami używany do testów korozji ceramiki.
Znakowanie cząsteczek organicznych
Lantanowce, w tym neodym, słyną z jasnej luminescencji i dlatego są szeroko stosowane jako etykiety fluorescencyjne. W szczególności NdCl 3 został włączony do cząsteczek organicznych, takich jak DNA, które można następnie łatwo prześledzić za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego podczas różnych reakcji fizycznych i chemicznych.
Problemy zdrowotne
Chlorek neodymu(III) nie wydaje się być toksyczny dla ludzi i zwierząt (w przybliżeniu podobny do soli kuchennej). LD50 (dawka, przy której występuje 50% śmiertelność) dla zwierząt wynosi około 3,7 g na kg masy ciała (mysz, doustnie), 0,15 g/kg (królik, iniekcja dożylna ) . Łagodne podrażnienie skóry występuje po ekspozycji na 500 mg w ciągu 24 godzin ( test Draize'a na królikach). Substancje o LD 50 powyżej 2 g/kg są uważane za nietoksyczne.