El cloruro de neodimio (III) o tricloruro de neodimio es un compuesto químico de neodimio y cloro con la fórmula NdCl 3 . Este anhidro compuesto es un sólido que absorbe rápidamente el agua en la exposición al aire para formar un hexa-color púrpura de color malva- hidrato , NdCl 3 · 6H 2 O. neodimio cloruro de (III) se produce a partir de minerales monacita y bastnäsite utilizando una extracción de varias etapas complejo proceso. El cloruro tiene varias aplicaciones importantes como producto químico intermedio para la producción de neodimio metálico y láseres a base de neodimio.y fibras ópticas. Otras aplicaciones incluyen un catalizador en síntesis orgánica y en la descomposición de la contaminación de aguas residuales, protección contra la corrosión del aluminio y sus aleaciones y etiquetado fluorescente de moléculas orgánicas ( ADN ).
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Nombres | |||
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Otros nombres Tricloruro de neodimio | |||
Identificadores | |||
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Modelo 3D ( JSmol ) | |||
ChemSpider | |||
Tarjeta de información ECHA | 100.030.016 ![]() | ||
PubChem CID | |||
UNII | |||
Tablero CompTox ( EPA ) | |||
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Propiedades | |||
NdCl 3 , NdCl 3 · 6H 2 O (hidrato) | |||
Masa molar | 250,598 g / mol | ||
Apariencia | polvo de color malva higroscópico | ||
Densidad | 4,13 g / cm 3 (2,282 para hidrato) | ||
Punto de fusion | 758 ° C (1.396 ° F; 1.031 K) | ||
Punto de ebullición | 1.600 ° C (2.910 ° F; 1.870 K) | ||
0,967 kg / L a 13 ° C | |||
Solubilidad en etanol | 0,445 kg / L | ||
Estructura | |||
hexagonal ( UCl 3 tipo ), HP8 | |||
P6 3 / m, No. 176 | |||
Prismático trigonal tricapado (nueve coordenadas) | |||
Peligros | |||
Ficha de datos de seguridad | MSDS externa | ||
Compuestos relacionados | |||
Otros aniones | Bromuro de neodimio (III) Óxido de neodimio (III) | ||
Otros cationes | LaCl 3 , SmCl 3 , PrCl 3 , EuCl 3 , CeCl 3 , GdCl 3 , TbCl 3 , cloruro de prometio (III) | ||
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |||
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Referencias de Infobox | |||
Apariencia
El NdCl 3 es un sólido higroscópico de color malva cuyo color cambia a púrpura al absorber el agua atmosférica. El hidrato resultante, como muchas otras sales de neodimio , tiene la interesante propiedad de que aparece de diferentes colores bajo luz fluorescente. En el caso del cloruro, amarillo claro (ver imagen). [1]
Estructura
Sólido
El NdCl 3 anhidro presenta Nd en una geometría prismática trigonal triconada de nueve coordenadas y cristaliza con la estructura de UCl 3 . Esta estructura hexagonal es común para muchos lantánidos y actínidos halogenados como LaCl 3 , LaBr 3 , SmCl 3 , PrCl 3 , EuCl 3 , CeCl 3 , CeBr 3 , GdCl 3 , AmCl 3 y TbCl 3 pero no para YbCl 3 y LuCl 3 . [2]
Solución
La estructura del cloruro de neodimio (III) en solución depende fundamentalmente del solvente: en el agua, las especies principales son Nd (H 2 O) 8 3+ , y esta situación es común para la mayoría de los cloruros y bromuros de tierras raras. En metanol, las especies son NdCl 2 (CH 3 OH) 6 + y en ácido clorhídrico NdCl (H 2 O) 7 2+ . La coordinación del neodimio es octaédrica (8 veces) en todos los casos, pero la estructura del ligando es diferente. [3]
Propiedades
El NdCl 3 es un sólido paramagnético blando , que se vuelve ferromagnético a una temperatura muy baja de 0.5 K. [4] Su conductividad eléctrica es de aproximadamente 240 S / my su capacidad calorífica es de ~ 100 J / (mol · K). [5] El NdCl 3 es fácilmente soluble en agua y etanol, pero no en cloroformo o éter . La reducción de NdCl 3 con Nd metálico a temperaturas superiores a 650 ° C produce NdCl 2 : [6]
- 2 NdCl 3 + Nd → 3 NdCl 2
El calentamiento de NdCl 3 con vapores de agua o sílice produce oxocloruro de neodimio:
- NdCl 3 + H 2 O → NdOCl + 2 HCl
- 2 NdCl 3 + SiO 2 → 2 NdOCl + SiCl 4
La reacción de NdCl 3 con sulfuro de hidrógeno a aproximadamente 1100 ° C produce sulfuro de neodimio:
- 2 NdCl 3 + 3 H 2 S → 2 Nd 2 S 3 + 6 HCl
Las reacciones con amoniaco y fosfina a altas temperaturas producen nitruro y fosfuro de neodimio, respectivamente:
- NdCl 3 + NH 3 → NdN + 3 HCl
- NdCl 3 + PH 3 → NdP + 3 HCl
Considerando que la adición de ácido fluorhídrico produce fluoruro de neodimio: [7]
- NdCl 3 + 3 HF → NdF 3 + 3 HCl
Preparación
El NdCl 3 se produce a partir de los minerales monazita y bastnäsita . La síntesis es compleja debido a la baja abundancia de neodimio en la corteza terrestre (38 mg / kg) y debido a la dificultad de separar el neodimio de otros lantánidos. Sin embargo, el proceso es más fácil para el neodimio que para otros lantánidos debido a su contenido relativamente alto en el mineral, hasta un 16% en peso, que es el tercero más alto después del cerio y el lantano . [8] Existen muchas variedades de síntesis y una se puede simplificar de la siguiente manera:
El mineral triturado se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con hidróxido de sodio a pH 3-4. El torio precipita de la solución en forma de hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles . Los oxalatos se convierten en óxidos por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye el principal componente, el cerio , cuyo óxido es insoluble en HNO 3 . El óxido de neodimio se separa de otros óxidos de tierras raras mediante intercambio iónico . En este proceso, los iones de tierras raras se adsorben sobre una resina adecuada mediante intercambio iónico con iones hidrógeno, amonio o cúprico presentes en la resina. A continuación, los iones de tierras raras se lavan selectivamente con un agente complejante adecuado, tal como citrato de amonio o nitrilotracetato. [7]
Este proceso normalmente produce Nd 2 O 3 ; el óxido es difícil de convertir directamente en neodimio elemental, que a menudo es el objetivo de todo el procedimiento tecnológico. Por lo tanto, el óxido se trata con ácido clorhídrico y cloruro de amonio para producir el NdCl 3 menos estable : [7]
- Nd 2 O 3 + 6 NH 4 Cl → 2 NdCl 3 + 3 H 2 O + 6 NH 3
El NdCl 3 así producido absorbe rápidamente agua y se convierte en hidrato de NdCl 3 · 6H 2 O, que es estable para el almacenamiento y puede volver a convertirse en NdCl 3 cuando sea necesario. El simple calentamiento rápido del hidrato no es práctico para ese propósito porque causa hidrólisis con la consecuente producción de Nd 2 O 3 . [9] Por lo tanto, anhidro NdCl 3 se prepara por deshidratación de hidrato o bien calentando lentamente a 400 ° C con 4-6 equivalentes de cloruro de amonio bajo alto vacío, o por calentamiento con un exceso de cloruro de tionilo durante varias horas. [2] [10] [11] [12] El NdCl 3 se puede preparar alternativamente haciendo reaccionar neodimio metálico con cloruro de hidrógeno o cloro , aunque este método no es económico debido al precio relativamente alto del metal y se utiliza con fines de investigación. solo. Después de la preparación, generalmente se purifica mediante sublimación a alta temperatura bajo alto vacío. [2] [13] [14]
Aplicaciones
Producción de neodimio metálico
El cloruro de neodimio (III) es el compuesto de partida más común para la producción de neodimio metálico. NdCl 3 se calienta con cloruro de amonio o fluoruro de amonio y ácido fluorhídrico o con metales alcalinos o alcalinotérreos en vacío o atmósfera de argón a 300-400 ° C.
- NdCl 3 + 3 Li → Nd + 3 LiCl
Una ruta alternativa es la electrólisis de la mezcla fundida de NdCl 3 anhidro y NaCl o KCl a temperaturas de aproximadamente 700 ° C. La mezcla se derrite a esas temperaturas, aunque son más bajas que los puntos de fusión del NdCl 3 y KCl (~ 770 ° C). [15]
Láseres y amplificadores de fibra
Aunque el NdCl 3 en sí mismo no tiene una luminiscencia fuerte , [16] sirve como fuente de iones Nd 3+ para varios materiales emisores de luz. Estos últimos incluyen láseres Nd-YAG y amplificadores de fibra óptica dopados con Nd , que amplifican la luz emitida por otros láseres. El láser Nd-YAG emite luz infrarroja a 1.064 micrómetros y es el láser de estado sólido más popular (es decir, un láser basado en un medio sólido). La razón para usar NdCl 3 en lugar de neodimio metálico o su óxido en la fabricación de fibras es la fácil descomposición del NdCl 3 durante la deposición química en fase de vapor ; este último proceso es muy utilizado para el crecimiento de la fibra. [17]
El cloruro de neodimio (III) es un dopante no solo de las fibras ópticas tradicionales a base de sílice, sino también de las fibras plásticas (dopadas con fotolima-gelatina, poliimida , polietileno , etc.). [18] También se utiliza como aditivo en diodos emisores de luz orgánicos infrarrojos . [19] [20] Además, las películas orgánicas dopadas con neodimio no solo pueden actuar como LED, sino también como filtros de color que mejoran el espectro de emisión del LED. [21]
La solubilidad del cloruro de neodimio (III) (y otras sales de tierras raras) en varios disolventes da como resultado un nuevo tipo de láser de tierras raras, que utiliza no un sólido sino líquido como medio activo. El líquido que contiene iones Nd 3+ se prepara en las siguientes reacciones:
- 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 ,
donde Nd 3+ es de hecho el ion solvatado con varias moléculas de oxicloruro de selenio coordinadas en la primera esfera de coordinación, es decir [Nd (SeOCl 2 ) m ] 3+ . Los líquidos láser preparados por esta técnica emiten a la misma longitud de onda de 1.064 micrómetros y poseen propiedades, como alta ganancia y nitidez de la emisión, que son más características de los láseres cristalinos que de vidrio Nd. La eficiencia cuántica de esos láseres líquidos fue de aproximadamente 0,75 en relación con el láser Nd: YAG tradicional. [19]
Catálisis
Otra aplicación importante del NdCl 3 es la catálisis; en combinación con productos químicos orgánicos, como trietilaluminio y 2-propanol , acelera la polimerización de varios dienos . Los productos incluyen cauchos sintéticos de uso general tales como polibutileno , polibutadieno y poliisopreno . [9] [22] [23]
El cloruro de neodimio (III) también se usa para modificar el dióxido de titanio . Este último es uno de los fotocatalizadores inorgánicos más populares para la descomposición de fenol , varios tintes y otros contaminantes de las aguas residuales. La acción catalítica del óxido de titanio debe activarse mediante luz ultravioleta, es decir, iluminación artificial. Sin embargo, la modificación del óxido de titanio con cloruro de neodimio (III) permite la catálisis bajo iluminación visible, como la luz solar. El catalizador modificado se prepara mediante el método químico de coprecipitación-peptización con hidróxido de amonio a partir de una mezcla de TiCl 4 y NdCl 3 en solución acuosa). Este proceso se utiliza comercialmente a gran escala en un reactor de 1000 litros para su uso en pinturas fotocatalíticas autolimpiantes. [24] [25]
Protección contra la corrosión
Se están desarrollando otras aplicaciones. Por ejemplo, se informó que el recubrimiento de aluminio o varias aleaciones de aluminio produce una superficie muy resistente a la corrosión, que luego resistió la inmersión en una solución acuosa concentrada de NaCl durante dos meses sin signos de picaduras. El revestimiento se produce por inmersión en una solución acuosa de NdCl 3 durante una semana o por deposición electrolítica utilizando la misma solución. En comparación con los inhibidores de corrosión tradicionales a base de cromo , el NdCl 3 y otras sales de tierras raras son respetuosas con el medio ambiente y mucho menos tóxicas para los seres humanos y los animales. [26] [27]
La acción protectora del NdCl 3 sobre las aleaciones de aluminio se basa en la formación de hidróxido de neodimio insoluble. Al ser un cloruro, el NdCl 3 en sí mismo es un agente corrosivo, que a veces se utiliza para pruebas de corrosión de cerámicas. [28]
Etiquetado de moléculas orgánicas
Los lantánidos, incluido el neodimio, son famosos por su luminiscencia brillante y, por lo tanto, se utilizan ampliamente como marcadores fluorescentes. En particular, el NdCl 3 se ha incorporado a moléculas orgánicas, como el ADN, que luego podría rastrearse fácilmente con un microscopio de fluorescencia durante diversas reacciones físicas y químicas. [19]
Problemas de salud
El cloruro de neodimio (III) no parece tóxico para humanos y animales (aproximadamente similar a la sal de mesa). El LD 50 (dosis a la que hay 50% de mortalidad) para los animales es de aproximadamente 3,7 g por kg de peso corporal (ratón, oral), 0,15 g / kg (conejo, la inyección intravenosa). Se produce una leve irritación de la piel tras la exposición con 500 mg durante 24 horas ( prueba de Draize en conejos). [29] [30] Las sustancias con LD 50 superior a 2 g / kg se consideran no tóxicas. [31]
Ver también
- Lantanoide
- Fluoruro de litio e itrio dopado con neodimio
Referencias
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