El neodimio se sintetiza en las estrellas mediante los procesos s (captura lenta de neutrones) en estrellas de la rama asintótica de las gigantes (AGB) y r (captura rápida de neutrones) durante supernovas y fusiones de estrellas de neutrones. El neodimio presenta una contribución equilibrada de estos dos procesos, con aproximadamente 40-50% del proceso s y 50-60% del proceso r, lo que lo convierte en un excelente trazador para estudiar las contribuciones relativas de estos dos mecanismos de nucleosíntesis.
La abundancia cósmica del neodimio es de aproximadamente 8,3×10⁻¹¹ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace unas 15 veces menos abundante que el cerio pero 4-5 veces más abundante que el praseodimio en el universo. Esta abundancia relativamente alta entre los lantánidos se explica por la presencia de varios isótopos estables (siete en total) con configuraciones nucleares favorables. El isótopo Nd-142 posee un número mágico de neutrones (82), lo que le confiere una estabilidad excepcional.
Las líneas espectrales del neodimio neutro (Nd I) e ionizado (Nd II) son observables en los espectros estelares, particularmente en estrellas frías de tipo G, K y M. El neodimio se utiliza como un trazador importante del enriquecimiento químico galáctico. La relación neodimio/hierro en estrellas pobres en metales permite restringir la evolución química de la Galaxia y las contribuciones relativas de diferentes tipos de supernovas al enriquecimiento en elementos pesados.
Las relaciones isotópicas del neodimio en meteoritos primitivos revelan anomalías en comparación con los valores terrestres, lo que testimonia la diversidad de fuentes de nucleosíntesis en el sistema solar primitivo. Algunos granos presolares extraídos de meteoritos muestran enriquecimientos extremos en isótopos específicos de neodimio, lo que permite identificar directamente el material proveniente de estrellas AGB individuales o supernovas. Estas anomalías isotópicas son herramientas poderosas para reconstruir la historia de la formación del sistema solar y comprender los procesos de mezcla en el disco protoplanetario.
El neodimio toma su nombre de las palabras griegas neos (nuevo) y didymos (gemelo), que significa "nuevo gemelo". Este nombre fue elegido por su descubridor para indicar que se trataba de un nuevo elemento separado del didimio, acompañando al praseodimio, el "gemelo verde". El neodimio se distingue por el color rosa-violeta característico de sus sales, en contraste con el verde del praseodimio.
En 1885, el químico austriaco Carl Auer von Welsbach (1858-1929) logró la hazaña notable de separar el didimio en dos elementos distintos: el praseodimio y el neodimio. Esta separación se logró mediante cristalizaciones fraccionadas repetidas (varias cientos de iteraciones) de nitratos de tierras raras, demostrando una paciencia y habilidad experimental extraordinarias. Welsbach observó que las fracciones sucesivas producían sales de diferentes colores, con el praseodimio dando cristales verdes y el neodimio dando cristales rosados.
El aislamiento del metal de neodimio puro representó un desafío considerable que solo se resolvió a principios del siglo XX. Los primeros intentos de electrólisis de sales fundidas produjeron neodimio contaminado con praseodimio y otros lantánidos. No fue hasta el desarrollo de técnicas de intercambio iónico en las décadas de 1940-1950, estimulado por el Proyecto Manhattan, que la separación de tierras raras de alta pureza se volvió económicamente viable. Los métodos modernos de extracción por solventes permiten ahora obtener neodimio con una pureza superior al 99,9%.
El neodimio está presente en la corteza terrestre con una concentración promedio de aproximadamente 38 ppm, lo que lo convierte en el 28º elemento más abundante en la Tierra, más abundante que el cobalto, el litio o el plomo. Es la segunda tierra rara ligera más abundante después del cerio. Los principales minerales que contienen neodimio son la bastnasita ((Ce,La,Pr,Nd)CO₃F), donde el neodimio representa aproximadamente el 12-15% del contenido de tierras raras, y la monacita ((Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄), donde representa el 15-20%.
La producción mundial de óxidos de neodimio es de aproximadamente 25,000 a 30,000 toneladas por año. China domina masivamente con aproximadamente el 85-90% de la producción mundial, seguida por Estados Unidos (Mountain Pass, California), Australia (Mount Weld) y Myanmar. Esta extrema concentración geográfica hace del neodimio uno de los materiales más estratégicamente críticos del mundo, indispensable para la transición energética y las tecnologías de defensa.
El metal de neodimio se produce principalmente mediante reducción con calcio del óxido de neodimio (Nd₂O₃) a alta temperatura en atmósfera inerte, o por electrólisis de fluoruro de neodimio fundido en un baño de sales fundidas. La producción anual mundial de metal de neodimio es de aproximadamente 7000 a 9000 toneladas. El reciclaje de neodimio de imanes usados (discos duros, motores eléctricos) sigue siendo limitado, representando aproximadamente el 1-2% de la oferta total, aunque los esfuerzos se están intensificando significativamente debido a las preocupaciones de suministro y el aumento de precios.
El neodimio (símbolo Nd, número atómico 60) es el cuarto elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 60 protones, generalmente 82 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{142}\mathrm{Nd}\)) y 60 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f⁴ 6s².
El neodimio es un metal brillante de color blanco plateado con un ligero tinte dorado. Se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido que se descompone gradualmente, exponiendo continuamente metal fresco. El neodimio cristaliza en una estructura hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente, pasando a una estructura cúbica centrada (CC) a aproximadamente 863 °C. El neodimio es relativamente blando y maleable, puede cortarse con un cuchillo, y presenta una ductilidad moderada que permite laminarlo en láminas delgadas.
El neodimio se funde a 1021 °C (1294 K) y hierve a 3074 °C (3347 K). Su densidad es de 7,01 g/cm³, ligeramente superior a la del hierro. El neodimio es un buen conductor de electricidad y calor, con una conductividad eléctrica aproximadamente 16 veces menor que la del cobre. El neodimio presenta propiedades magnéticas notables: es paramagnético a temperatura ambiente y se vuelve antiferromagnético por debajo de 19 K, con una estructura magnética compleja.
El neodimio es un metal altamente reactivo, particularmente en forma dividida. Se oxida rápidamente en aire húmedo y se enciende fácilmente cuando se calienta o en forma de virutas finas. El neodimio reacciona vigorosamente con el agua, produciendo hidróxido de neodimio y gas hidrógeno. El metal de neodimio debe almacenarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte (argón) para prevenir la oxidación. Su reactividad es típica de los lantánidos ligeros y comparable a la del praseodimio.
Punto de fusión del neodimio: 1294 K (1021 °C).
Punto de ebullición del neodimio: 3347 K (3074 °C).
El neodimio es paramagnético a temperatura ambiente y se vuelve antiferromagnético por debajo de 19 K.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Neodimio-142 — \(\,^{142}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 82 | 141,907723 u | ≈ 27,152 % | Estable | Isótopo estable más abundante del neodimio. Número mágico de neutrones (82). |
| Neodimio-143 — \(\,^{143}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 83 | 142,909814 u | ≈ 12,174 % | Estable | Isótopo estable, producto importante del proceso r. |
| Neodimio-144 — \(\,^{144}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 84 | 143,910087 u | ≈ 23,798 % | ≈ 2,29×10¹⁵ años | Radiactivo (α), vida media extremadamente larga, prácticamente estable. Segundo isótopo más abundante. |
| Neodimio-145 — \(\,^{145}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 85 | 144,912574 u | ≈ 8,293 % | Estable | Isótopo estable menor del neodimio. |
| Neodimio-146 — \(\,^{146}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 86 | 145,913117 u | ≈ 17,189 % | Estable | Isótopo estable que representa aproximadamente el 17% del neodimio natural. |
| Neodimio-148 — \(\,^{148}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 88 | 147,916893 u | ≈ 5,756 % | Estable | Isótopo estable menor, producto del proceso r. |
| Neodimio-150 — \(\,^{150}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 90 | 149,920891 u | ≈ 5,638 % | ≈ 6,7×10¹⁸ años | Radiactivo (doble β⁻), vida media extremadamente larga, prácticamente estable. |
| Neodimio-147 — \(\,^{147}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 87 | 146,916100 u | Sintético | ≈ 10,98 días | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión, utilizado como trazador en investigación médica e industrial. |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El neodimio tiene 60 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica es [Xe] 4f⁴ 6s², típica de los lantánidos donde la subcapa 4f se llena progresivamente. Esta configuración también se puede escribir como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(22) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁴ 5s² 5p⁶ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos como 2s² 2p⁶. Esta capa también está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable y completa.
Capa O (n=5): contiene 22 electrones distribuidos como 5s² 5p⁶ 4f⁴ 5d⁰. Los cuatro electrones 4f caracterizan la química del neodimio.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del neodimio.
El neodimio tiene efectivamente 6 electrones de valencia: cuatro electrones 4f⁴ y dos electrones 6s². El estado de oxidación casi exclusivo es +3, característico de todos los lantánidos, donde el neodimio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Nd³⁺ con la configuración [Xe] 4f³. Este ion Nd³⁺ es responsable del color rosa-violeta característico de las sales y soluciones de neodimio.
El estado +3 aparece en prácticamente todos los compuestos de neodimio: óxido de neodimio(III) (Nd₂O₃), cloruro de neodimio(III) (NdCl₃), nitrato de neodimio(III) (Nd(NO₃)₃), y todas las sales complejas. La química del neodimio es esencialmente la química del ion Nd³⁺, con sus propiedades ópticas y magnéticas únicas derivadas de la configuración 4f³.
Se han sintetizado estados de oxidación +2 y +4 en condiciones extremas (haluros en fase sólida, matrices criogénicas), pero estos compuestos son extraordinariamente inestables y no tienen relevancia práctica. A diferencia del cerio vecino, el neodimio no forma compuestos estables en el estado +4. La química del neodimio es, por lo tanto, esencialmente monovalente, dominada por el estado +3.
El neodimio es muy reactivo con el oxígeno y se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido de neodimio(III) (Nd₂O₃) de color azul-gris que se agrieta y descascara, exponiendo continuamente metal fresco a la oxidación. La oxidación completa de una muestra de metal de neodimio en el aire puede ocurrir en unos pocos días. A alta temperatura, el neodimio se enciende fácilmente en el aire y arde con una llama blanca brillante: 4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃. El neodimio en virutas o en polvo fino es pirofórico y se enciende espontáneamente a temperatura ambiente.
El neodimio reacciona lentamente con el agua fría pero rápidamente con el agua caliente, produciendo hidróxido de neodimio(III) de color rosa-violeta y liberando gas hidrógeno: 2Nd + 6H₂O → 2Nd(OH)₃ + 3H₂↑. Esta reacción se acelera considerablemente con la temperatura y puede volverse vigorosa con agua hirviendo. El hidróxido de neodimio(III) precipita fácilmente de las soluciones acuosas como un sólido gelatinoso rosa pálido.
El neodimio reacciona vigorosamente con todos los halógenos para formar trihaluros coloreados: 2Nd + 3Cl₂ → 2NdCl₃ (violeta), 2Nd + 3Br₂ → 2NdBr₃ (violeta), 2Nd + 3I₂ → 2NdI₃ (verde). El neodimio se disuelve fácilmente en ácidos, incluso diluidos, con desprendimiento de hidrógeno: 2Nd + 6HCl → 2NdCl₃ + 3H₂↑, produciendo soluciones rosadas características de Nd³⁺.
El neodimio reacciona con el azufre para formar sulfuro de neodimio (Nd₂S₃), con el nitrógeno a alta temperatura para formar nitruro (NdN), con el carbono para formar carburo (NdC₂), y con el hidrógeno para formar hidruro (NdH₂ o NdH₃). El neodimio también forma muchos compuestos organometálicos y complejos de coordinación, explotados en síntesis orgánica como catalizadores de polimerización.
El color rosa-violeta intenso de los compuestos de neodimio(III) proviene de las transiciones electrónicas f-f dentro de la configuración 4f³. Estas transiciones producen bandas de absorción características en el espectro visible, particularmente en las regiones amarilla y verde, transmitiendo preferentemente el rojo y el violeta. El vidrio dopado con neodimio exhibe un comportamiento óptico notable: aparece violeta en luz incandescente transmitida pero azul en luz reflejada, un fenómeno llamado dicroísmo. Esta propiedad óptica única se explota en los láseres de neodimio y gafas protectoras.
La aplicación dominante del neodimio, que representa aproximadamente el 75-85% del consumo mundial, es su uso en imanes permanentes de tipo Nd₂Fe₁₄B (neodimio-hierro-boro), descubiertos independientemente en 1982 por General Motors y Sumitomo Special Metals. Estos imanes poseen el producto energético máximo (BHmax) más alto de todos los imanes permanentes comerciales, alcanzando 400-460 kJ/m³, aproximadamente 10 veces superior a los imanes de ferrita tradicionales y el doble que los imanes de samario-cobalto.
La composición típica de un imán Nd-Fe-B es de aproximadamente 32-35% de neodimio y praseodimio combinados (generalmente 25-30% Nd, 5-10% Pr), 1-2% de disprosio o terbio (para mejorar la estabilidad térmica), menos del 1% de boro, y el resto de hierro. La fase magnética principal Nd₂Fe₁₄B tiene una estructura tetragonal y una temperatura de Curie de aproximadamente 312 °C. El campo coercitivo puede alcanzar 1000-2000 kA/m, permitiendo que los imanes resistan la desmagnetización incluso en condiciones severas.
Los imanes Nd-Fe-B son absolutamente esenciales para la transición energética y las tecnologías modernas. Un vehículo eléctrico contiene 1-2 kg de neodimio en su motor, una turbina eólica marina de 3 MW contiene 200-600 kg de neodimio en su generador de accionamiento directo. Los discos duros usan pequeños imanes Nd-Fe-B para posicionar las cabezas de lectura con precisión nanométrica. Los sistemas de armas guiadas, drones militares, torpedos y submarinos dependen críticamente de motores compactos con imanes Nd-Fe-B. Esta importancia estratégica combinada con el dominio chino en la producción hace del neodimio uno de los materiales más sensibles geopolíticamente en el mundo.
El neodimio es el ion dopante más importante para los láseres de estado sólido, particularmente en la matriz de granate de itrio-aluminio (YAG) formando el láser Nd:YAG. Inventado en 1964, el láser Nd:YAG emite principalmente a 1064 nm en el infrarrojo cercano, con una eficiencia notable y una excelente calidad de haz. La concentración típica de neodimio es del 1% atómico (aproximadamente 1,4×10²⁰ iones Nd³⁺/cm³), optimizando la ganancia del láser mientras minimiza los efectos deletéreos como el ensanchamiento de línea.
Los láseres Nd:YAG se utilizan para el corte y soldadura de metales, marcado industrial, perforación de precisión y tratamiento de superficies. En medicina, se utilizan para cirugía oftálmica (capsulotomía YAG), litotricia (destrucción de cálculos renales), tratamiento de retina diabética, depilación y diversos procedimientos dermatológicos. Los láseres Nd:YAG pueden duplicar su frecuencia para producir luz verde a 532 nm, utilizada en punteros láser verdes, espectáculos de luz y algunas aplicaciones médicas.
Más allá del YAG, el neodimio también se dopa en otras matrices cristalinas como YVO₄ (vanadato de itrio), YLF (fluoruro de litio-itrio) y varios vidrios de fosfato o silicato para crear láseres de fibra y amplificadores ópticos. Los vidrios dopados con neodimio se utilizan en telémetros láser, sistemas lidar atmosféricos y aplicaciones de fusión por confinamiento inercial donde enormes láseres Nd:vidrio entregan megajulios de energía para comprimir objetivos de deuterio-tritio.
El neodimio se utiliza como dopante en vidrios para crear filtros ópticos con notables propiedades de absorción selectiva. El vidrio dopado con neodimio absorbe fuertemente las longitudes de onda amarillas (alrededor de 580-600 nm), correspondientes a las líneas de emisión del sodio, mientras transmite el azul, rojo e infrarrojo cercano. Esta absorción selectiva reduce significativamente el deslumbramiento causado por la iluminación de sodio o llamas ricas en sodio.
Los vidrios didimio (mezcla de neodimio-praseodimio) se utilizan para gafas protectoras de sopladores de vidrio, metalúrgicos y soldadores que trabajan con llamas ricas en sodio. En joyería y vidrio artístico, el vidrio dopado con neodimio produce efectos de color fascinantes: aparece violeta-azul en luz incandescente transmitida pero rosa-rojo en luz fluorescente o a la luz del día, creando un dicroísmo espectacular. Esta propiedad también se explota en gafas de sol de alta gama y algunos vidrios de automóviles para mejorar el contraste y reducir la fatiga ocular.
El neodimio y sus compuestos tienen baja toxicidad, similar a otros lantánidos ligeros. Los compuestos solubles de neodimio pueden causar irritación cutánea, ocular y de las vías respiratorias en caso de exposición directa. La inhalación de polvo de neodimio puede causar irritación pulmonar transitoria, aunque no se ha documentado ninguna enfermedad pulmonar crónica específica del neodimio. Las sales de neodimio ingeridas por vía oral se absorben pobremente en el tracto gastrointestinal y se eliminan principalmente en las heces.
Los estudios toxicológicos en animales indican que el neodimio absorbido se acumula principalmente en el hígado, el bazo y el esqueleto óseo. En dosis altas (superiores a 100 mg/kg), el neodimio puede causar toxicidad hepática moderada y alterar el metabolismo del calcio. Sin embargo, las exposiciones humanas significativas siguen siendo raras fuera de entornos industriales especializados. El neodimio no presenta una bioacumulación sustancial en las cadenas alimentarias y se metaboliza o elimina relativamente rápido. No se han demostrado efectos cancerígenos, mutagénicos o teratogénicos en los estudios disponibles.
Las preocupaciones ambientales asociadas con el neodimio se relacionan principalmente con la minería de tierras raras, que genera volúmenes significativos de desechos tóxicos y radiactivos. La extracción de una tonelada de óxidos de tierras raras produce típicamente 2000 toneladas de desechos mineros, 200 m³ de aguas ácidas contaminadas y puede liberar elementos radiactivos como el torio y el uranio presentes naturalmente en los minerales de monacita. Los sitios mineros de tierras raras en China han causado una contaminación ambiental significativa, contaminando suelos, aguas subterráneas y cursos de agua con metales pesados y sustancias radiactivas.
La exposición laboral al neodimio ocurre principalmente en las industrias de refinación de tierras raras, fabricación de imanes y pulido óptico. Las normas de exposición laboral para los compuestos de neodimio no están específicamente establecidas en la mayoría de las jurisdicciones, pero las recomendaciones generales para compuestos solubles de tierras raras suelen establecer límites de exposición en 5-10 mg/m³ para polvo respirable. Las concentraciones de neodimio en suelos cerca de minas de tierras raras pueden alcanzar varios cientos de ppm, 10-20 veces los niveles de fondo naturales.
El reciclaje de neodimio de imanes usados es técnicamente posible pero económicamente desafiante debido a los altos costos de desmantelamiento, separación y purificación. Los imanes Nd-Fe-B a menudo están fuertemente integrados en ensamblajes complejos (motores, discos duros) y pueden estar oxidados o contaminados. Las tasas actuales de reciclaje siguen siendo muy bajas (1-2%), pero se están desarrollando varios procesos innovadores: disolución química selectiva, fusión directa para la remanufactura de imanes, extracción por solventes de óxidos y tratamiento hidrometalúrgico. Aumentar sustancialmente las tasas de reciclaje de neodimio es crucial para la sostenibilidad a largo plazo de la transición energética y para reducir la dependencia de los suministros primarios dominados por China.
