O neodímio é sintetizado nas estrelas pelos processos s (captura lenta de nêutrons) em estrelas do ramo assintótico das gigantes (AGB) e r (captura rápida de nêutrons) durante supernovas e fusões de estrelas de nêutrons. O neodímio apresenta uma contribuição equilibrada desses dois processos, com cerca de 40-50% do processo s e 50-60% do processo r, tornando-o um excelente traçador para estudar as contribuições relativas desses dois mecanismos de nucleossíntese.
A abundância cósmica do neodímio é de cerca de 8,3×10⁻¹¹ vezes a do hidrogênio em número de átomos, tornando-o cerca de 15 vezes menos abundante que o cério, mas 4-5 vezes mais abundante que o praseodímio no universo. Essa abundância relativamente alta entre os lantânidos é explicada pela presença de vários isótopos estáveis (sete no total) com configurações nucleares favoráveis. O isótopo Nd-142 possui um número mágico de nêutrons (82), conferindo-lhe estabilidade excepcional.
As linhas espectrais do neodímio neutro (Nd I) e ionizado (Nd II) são observáveis nos espectros estelares, particularmente em estrelas frias dos tipos G, K e M. O neodímio é usado como um importante traçador do enriquecimento químico galáctico. A relação neodímio/ferro em estrelas pobres em metais ajuda a restringir a evolução química da Galáxia e as contribuições relativas de diferentes tipos de supernovas para o enriquecimento em elementos pesados.
As razões isotópicas do neodímio em meteoritos primitivos revelam anomalias em relação aos valores terrestres, testificando a diversidade das fontes de nucleossíntese no sistema solar primitivo. Alguns grãos pré-solares extraídos de meteoritos mostram enriquecimentos extremos em isótopos específicos de neodímio, permitindo a identificação direta de material proveniente de estrelas AGB individuais ou supernovas. Essas anomalias isotópicas são ferramentas poderosas para reconstruir a história da formação do sistema solar e entender os processos de mistura no disco protoplanetário.
O neodímio recebe seu nome das palavras gregas neos (novo) e didymos (gêmeo), significando "novo gêmeo". Este nome foi escolhido por seu descobridor para indicar que era um novo elemento separado do didímio, acompanhando o praseodímio, o "gêmeo verde". O neodímio se distingue pela cor rosa-arroxeada característica de seus sais, contrastando com o verde do praseodímio.
Em 1885, o químico austríaco Carl Auer von Welsbach (1858-1929) realizou a façanha notável de separar o didímio em dois elementos distintos: o praseodímio e o neodímio. Essa separação foi realizada por cristalizações fracionadas repetidas (várias centenas de iterações) de nitratos de terras raras, demonstrando paciência e habilidade experimental extraordinárias. Welsbach observou que as frações sucessivas produziam sais de cores diferentes, com o praseodímio dando cristais verdes e o neodímio dando cristais rosados.
O isolamento do metal de neodímio puro representou um desafio considerável que só foi resolvido no início do século XX. As primeiras tentativas de eletrólise de sais fundidos produziram neodímio contaminado com praseodímio e outros lantânidos. Só com o desenvolvimento de técnicas de troca iônica nas décadas de 1940-1950, estimulado pelo Projeto Manhattan, é que a separação de terras raras de alta pureza se tornou economicamente viável. Os métodos modernos de extração por solventes permitem agora obter neodímio com pureza superior a 99,9%.
O neodímio está presente na crosta terrestre com uma concentração média de cerca de 38 ppm, tornando-o o 28º elemento mais abundante na Terra, mais abundante que o cobalto, o lítio ou o chumbo. É a segunda terra rara leve mais abundante depois do cério. Os principais minerais contendo neodímio são a bastnasita ((Ce,La,Pr,Nd)CO₃F), onde o neodímio representa cerca de 12-15% do conteúdo de terras raras, e a monazita ((Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄), onde representa 15-20%.
A produção mundial de óxidos de neodímio é de cerca de 25.000 a 30.000 toneladas por ano. A China domina massivamente com cerca de 85-90% da produção global, seguida pelos Estados Unidos (Mountain Pass, Califórnia), Austrália (Mount Weld) e Mianmar. Essa extrema concentração geográfica torna o neodímio um dos materiais mais estrategicamente críticos do mundo, indispensável para a transição energética e tecnologias de defesa.
O metal de neodímio é produzido principalmente por redução com cálcio do óxido de neodímio (Nd₂O₃) em alta temperatura em atmosfera inerte, ou por eletrólise de fluoreto de neodímio fundido em um banho de sais fundidos. A produção anual global de metal de neodímio é de cerca de 7000 a 9000 toneladas. A reciclagem de neodímio de ímãs usados (discos rígidos, motores elétricos) permanece limitada, representando cerca de 1-2% da oferta total, embora os esforços estejam se intensificando significativamente devido a preocupações com o fornecimento e aumento de preços.
O neodímio (símbolo Nd, número atômico 60) é o quarto elemento da série dos lantânidos, pertencente às terras raras do bloco f da tabela periódica. Seu átomo tem 60 prótons, geralmente 82 nêutrons (para o isótopo mais abundante \(\,^{142}\mathrm{Nd}\)) e 60 elétrons com a configuração eletrônica [Xe] 4f⁴ 6s².
O neodímio é um metal brilhante de cor branco-prateado com um leve tom dourado. Oxida-se rapidamente no ar, formando uma camada de óxido que se desintegra gradualmente, expondo continuamente metal fresco. O neodímio cristaliza em uma estrutura hexagonal compacta (HC) à temperatura ambiente, passando para uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) a cerca de 863 °C. O neodímio é relativamente macio e maleável, pode ser cortado com uma faca e apresenta ductilidade moderada, permitindo que seja laminado em folhas finas.
O neodímio funde a 1021 °C (1294 K) e ferve a 3074 °C (3347 K). Sua densidade é de 7,01 g/cm³, ligeiramente superior à do ferro. O neodímio é um bom condutor de eletricidade e calor, com uma condutividade elétrica cerca de 16 vezes menor que a do cobre. O neodímio apresenta propriedades magnéticas notáveis: é paramagnético à temperatura ambiente e torna-se antiferromagnético abaixo de 19 K, com uma estrutura magnética complexa.
O neodímio é um metal altamente reativo, particularmente em forma dividida. Oxida-se rapidamente no ar úmido e inflama-se facilmente quando aquecido ou em forma de aparas finas. O neodímio reage vigorosamente com a água, produzindo hidróxido de neodímio e gás hidrogênio. O metal de neodímio deve ser armazenado sob óleo mineral ou em atmosfera inerte (argônio) para evitar a oxidação. Sua reatividade é típica dos lantânidos leves e comparável à do praseodímio.
Ponto de fusão do neodímio: 1294 K (1021 °C).
Ponto de ebulição do neodímio: 3347 K (3074 °C).
O neodímio é paramagnético à temperatura ambiente e torna-se antiferromagnético abaixo de 19 K.
| Isótopo / Notação | Prótons (Z) | Nêutrons (N) | Massa atômica (u) | Abundância natural | Meia-vida / Estabilidade | Decaimento / Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Neodímio-142 — \(\,^{142}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 82 | 141,907723 u | ≈ 27,152 % | Estável | Isótopo estável mais abundante do neodímio. Número mágico de nêutrons (82). |
| Neodímio-143 — \(\,^{143}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 83 | 142,909814 u | ≈ 12,174 % | Estável | Isótopo estável, produto importante do processo r. |
| Neodímio-144 — \(\,^{144}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 84 | 143,910087 u | ≈ 23,798 % | ≈ 2,29×10¹⁵ anos | Radioativo (α), meia-vida extremamente longa, praticamente estável. Segundo isótopo mais abundante. |
| Neodímio-145 — \(\,^{145}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 85 | 144,912574 u | ≈ 8,293 % | Estável | Isótopo estável menor do neodímio. |
| Neodímio-146 — \(\,^{146}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 86 | 145,913117 u | ≈ 17,189 % | Estável | Isótopo estável representando cerca de 17% do neodímio natural. |
| Neodímio-148 — \(\,^{148}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 88 | 147,916893 u | ≈ 5,756 % | Estável | Isótopo estável menor, produto do processo r. |
| Neodímio-150 — \(\,^{150}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 90 | 149,920891 u | ≈ 5,638 % | ≈ 6,7×10¹⁸ anos | Radioativo (duplo β⁻), meia-vida extremamente longa, praticamente estável. |
| Neodímio-147 — \(\,^{147}\mathrm{Nd}\,\) | 60 | 87 | 146,916100 u | Sintético | ≈ 10,98 dias | Radioativo (β⁻). Produto de fissão, usado como traçador em pesquisa médica e industrial. |
N.B.:
Camadas eletrônicas: Como os elétrons estão organizados ao redor do núcleo.
O neodímio possui 60 elétrons distribuídos em seis camadas eletrônicas. Sua configuração eletrônica é [Xe] 4f⁴ 6s², típica dos lantânidos onde a subcamada 4f é progressivamente preenchida. Essa configuração também pode ser escrita como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(22) P(2), ou de maneira completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁴ 5s² 5p⁶ 6s².
Camada K (n=1): contém 2 elétrons na subcamada 1s. Esta camada interna está completa e é muito estável.
Camada L (n=2): contém 8 elétrons distribuídos como 2s² 2p⁶. Esta camada também está completa, formando uma configuração de gás nobre (neônio).
Camada M (n=3): contém 18 elétrons distribuídos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta camada completa contribui para o blindagem eletrônica.
Camada N (n=4): contém 18 elétrons distribuídos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta camada forma uma estrutura estável e completa.
Camada O (n=5): contém 22 elétrons distribuídos como 5s² 5p⁶ 4f⁴ 5d⁰. Os quatro elétrons 4f caracterizam a química do neodímio.
Camada P (n=6): contém 2 elétrons na subcamada 6s². Estes elétrons são os elétrons de valência externos do neodímio.
O neodímio possui efetivamente 6 elétrons de valência: quatro elétrons 4f⁴ e dois elétrons 6s². O estado de oxidação quase exclusivo é +3, característico de todos os lantânidos, onde o neodímio perde seus dois elétrons 6s e um elétron 4f para formar o íon Nd³⁺ com a configuração [Xe] 4f³. Este íon Nd³⁺ é responsável pela cor rosa-arroxeada característica dos sais e soluções de neodímio.
O estado +3 aparece em praticamente todos os compostos de neodímio: óxido de neodímio(III) (Nd₂O₃), cloreto de neodímio(III) (NdCl₃), nitrato de neodímio(III) (Nd(NO₃)₃), e todos os sais complexos. A química do neodímio é essencialmente a química do íon Nd³⁺, com suas propriedades ópticas e magnéticas únicas derivadas da configuração 4f³.
Estados de oxidação +2 e +4 foram sintetizados em condições extremas (haletos em fase sólida, matrizes criogênicas), mas estes compostos são extraordinariamente instáveis e não têm relevância prática. Ao contrário do cério vizinho, o neodímio não forma compostos estáveis no estado +4. A química do neodímio é, portanto, essencialmente monovalente, dominada pelo estado +3.
O neodímio é muito reativo com o oxigênio e oxida-se rapidamente no ar, formando uma camada de óxido de neodímio(III) (Nd₂O₃) de cor azul-acinzentada que racha e descama, expondo continuamente metal fresco à oxidação. A oxidação completa de uma amostra de metal de neodímio no ar pode ocorrer em poucos dias. Em alta temperatura, o neodímio inflama-se facilmente no ar e queima com uma chama branca brilhante: 4Nd + 3O₂ → 2Nd₂O₃. O neodímio em aparas ou pó fino é pirofórico e inflama-se espontaneamente à temperatura ambiente.
O neodímio reage lentamente com a água fria, mas rapidamente com a água quente, produzindo hidróxido de neodímio(III) de cor rosa-arroxeada e liberando gás hidrogênio: 2Nd + 6H₂O → 2Nd(OH)₃ + 3H₂↑. Esta reação acelera consideravelmente com a temperatura e pode tornar-se vigorosa com água fervente. O hidróxido de neodímio(III) precipita facilmente de soluções aquosas como um sólido gelatinoso rosa-pálido.
O neodímio reage vigorosamente com todos os halogênios para formar tri-haletos coloridos: 2Nd + 3Cl₂ → 2NdCl₃ (violeta), 2Nd + 3Br₂ → 2NdBr₃ (violeta), 2Nd + 3I₂ → 2NdI₃ (verde). O neodímio dissolve-se facilmente em ácidos, mesmo diluídos, com liberação de hidrogênio: 2Nd + 6HCl → 2NdCl₃ + 3H₂↑, produzindo soluções rosadas características de Nd³⁺.
O neodímio reage com o enxofre para formar sulfeto de neodímio (Nd₂S₃), com o nitrogênio em alta temperatura para formar nitreto (NdN), com o carbono para formar carbeto (NdC₂), e com o hidrogênio para formar hidreto (NdH₂ ou NdH₃). O neodímio também forma muitos compostos organometálicos e complexos de coordenação, explorados em síntese orgânica como catalisadores de polimerização.
A cor rosa-arroxeada intensa dos compostos de neodímio(III) provém das transições eletrônicas f-f dentro da configuração 4f³. Estas transições produzem bandas de absorção características no espectro visível, particularmente nas regiões amarela e verde, transmitindo preferencialmente o vermelho e o violeta. O vidro dopado com neodímio exibe um comportamento óptico notável: aparece violeta em luz incandescente transmitida, mas azul em luz refletida, um fenômeno chamado dicroísmo. Esta propriedade óptica única é explorada em lasers de neodímio e óculos de proteção.
A aplicação dominante do neodímio, representando cerca de 75-85% do consumo mundial, é seu uso em ímãs permanentes do tipo Nd₂Fe₁₄B (neodímio-ferro-boro), descobertos independentemente em 1982 pela General Motors e Sumitomo Special Metals. Estes ímãs possuem o produto energético máximo (BHmax) mais alto de todos os ímãs permanentes comerciais, atingindo 400-460 kJ/m³, cerca de 10 vezes superior aos ímãs de ferrita tradicionais e o dobro dos ímãs de samário-cobalto.
A composição típica de um ímã Nd-Fe-B é de cerca de 32-35% de neodímio e praseodímio combinados (geralmente 25-30% Nd, 5-10% Pr), 1-2% de disprósio ou térbio (para melhorar a estabilidade térmica), menos de 1% de boro, e o restante de ferro. A fase magnética principal Nd₂Fe₁₄B possui uma estrutura tetragonal e uma temperatura de Curie de cerca de 312 °C. O campo coercitivo pode atingir 1000-2000 kA/m, permitindo que os ímãs resistam à desmagnetização mesmo em condições severas.
Os ímãs Nd-Fe-B são absolutamente essenciais para a transição energética e tecnologias modernas. Um veículo elétrico contém 1-2 kg de neodímio em seu motor, uma turbina eólica offshore de 3 MW contém 200-600 kg de neodímio em seu gerador de acionamento direto. Os discos rígidos usam pequenos ímãs Nd-Fe-B para posicionar as cabeças de leitura com precisão nanométrica. Sistemas de armas guiadas, drones militares, torpedos e submarinos dependem criticamente de motores compactos com ímãs Nd-Fe-B. Esta importância estratégica combinada com o domínio chinês na produção torna o neodímio um dos materiais mais sensíveis geopoliticamente no mundo.
O neodímio é o íon dopante mais importante para lasers de estado sólido, particularmente na matriz de granada de ítrio-alumínio (YAG) formando o laser Nd:YAG. Inventado em 1964, o laser Nd:YAG emite principalmente a 1064 nm no infravermelho próximo, com eficiência notável e excelente qualidade de feixe. A concentração típica de neodímio é de 1% atômico (cerca de 1,4×10²⁰ íons Nd³⁺/cm³), otimizando o ganho do laser enquanto minimiza efeitos deletérios como o alargamento de linha.
Os lasers Nd:YAG são usados para corte e soldagem de metais, marcação industrial, perfuração de precisão e tratamento de superfícies. Na medicina, são usados para cirurgia oftálmica (capsulotomia YAG), litotripsia (destruição de cálculos renais), tratamento de retina diabética, depilação e diversos procedimentos dermatológicos. Os lasers Nd:YAG podem ter sua frequência dobrada para produzir luz verde a 532 nm, usada em ponteiros laser verdes, shows de luz e algumas aplicações médicas.
Além do YAG, o neodímio também é dopado em outras matrizes cristalinas como YVO₄ (vanadato de ítrio), YLF (fluoreto de lítio-ítrio) e vários vidros de fosfato ou silicato para criar lasers de fibra e amplificadores ópticos. Vidros dopados com neodímio são usados em telêmetros laser, sistemas lidar atmosféricos e aplicações de fusão por confinamento inercial, onde enormes lasers Nd:vidro entregam megajoules de energia para comprimir alvos de deutério-trítio.
O neodímio é usado como dopante em vidros para criar filtros ópticos com notáveis propriedades de absorção seletiva. O vidro dopado com neodímio absorve fortemente os comprimentos de onda amarelos (em torno de 580-600 nm), correspondentes às linhas de emissão do sódio, enquanto transmite o azul, vermelho e infravermelho próximo. Esta absorção seletiva reduz significativamente o ofuscamento causado pela iluminação de sódio ou chamas ricas em sódio.
Os vidros didímio (mistura de neodímio-praseodímio) são usados para óculos de proteção de sopradores de vidro, metalúrgicos e soldadores que trabalham com chamas ricas em sódio. Em joalheria e vidro artístico, o vidro dopado com neodímio produz efeitos de cor fascinantes: aparece violeta-azul em luz incandescente transmitida, mas rosa-vermelho em luz fluorescente ou à luz do dia, criando um dicroísmo espetacular. Esta propriedade também é explorada em óculos de sol de alta qualidade e alguns vidros automotivos para melhorar o contraste e reduzir a fadiga ocular.
O neodímio e seus compostos têm baixa toxicidade, semelhante a outros lantânidos leves. Compostos solúveis de neodímio podem causar irritação cutânea, ocular e das vias respiratórias em caso de exposição direta. A inalação de pó de neodímio pode causar irritação pulmonar transitória, embora nenhuma doença pulmonar crônica específica do neodímio tenha sido documentada. Sais de neodímio ingeridos por via oral são pobremente absorvidos pelo trato gastrointestinal e são principalmente eliminados nas fezes.
Estudos toxicológicos em animais indicam que o neodímio absorvido acumula-se principalmente no fígado, baço e esqueleto ósseo. Em doses altas (acima de 100 mg/kg), o neodímio pode causar toxicidade hepática moderada e perturbar o metabolismo do cálcio. No entanto, exposições humanas significativas permanecem raras fora de ambientes industriais especializados. O neodímio não apresenta bioacumulação substancial nas cadeias alimentares e é relativamente rápido metabolizado ou eliminado. Nenhum efeito cancerígeno, mutagênico ou teratogênico foi demonstrado nos estudos disponíveis.
As preocupações ambientais associadas ao neodímio relacionam-se principalmente à mineração de terras raras, que gera volumes significativos de resíduos tóxicos e radioativos. A extração de uma tonelada de óxidos de terras raras produz tipicamente 2000 toneladas de resíduos de mineração, 200 m³ de águas ácidas contaminadas e pode liberar elementos radioativos como o tório e o urânio presentes naturalmente nos minérios de monazita. Sítios de mineração de terras raras na China causaram poluição ambiental significativa, contaminando solos, águas subterrâneas e cursos d'água com metais pesados e substâncias radioativas.
A exposição ocupacional ao neodímio ocorre principalmente nas indústrias de refino de terras raras, fabricação de ímãs e polimento óptico. Normas de exposição ocupacional para compostos de neodímio não estão especificamente estabelecidas na maioria das jurisdições, mas recomendações gerais para compostos solúveis de terras raras geralmente estabelecem limites de exposição em 5-10 mg/m³ para poeira respirável. As concentrações de neodímio em solos próximos a minas de terras raras podem atingir várias centenas de ppm, 10-20 vezes os níveis de fundo naturais.
A reciclagem de neodímio de ímãs usados é tecnicamente possível, mas economicamente desafiadora devido aos altos custos de desmontagem, separação e purificação. Ímãs Nd-Fe-B são frequentemente fortemente integrados em montagens complexas (motores, discos rígidos) e podem estar oxidados ou contaminados. As taxas atuais de reciclagem permanecem muito baixas (1-2%), mas vários processos inovadores estão em desenvolvimento: dissolução química seletiva, fusão direta para remanufatura de ímãs, extração por solventes de óxidos e tratamento hidrometalúrgico. Aumentar substancialmente as taxas de reciclagem de neodímio é crucial para a sustentabilidade a longo prazo da transição energética e para reduzir a dependência de suprimentos primários dominados pela China.
Berílio (Z=4): um metal
raro com propriedades excepcionais 
