Een groene tweeling met magnetische werking

De vraag naar neodymium zal sterk stijgen, verwacht Koen Binnemans, hoogleraar in de chemie aan de KU Leuven. Want het element is een cruciaal bestanddeel van de zogeheten permanente magneten, noodzakelijk in elektrische auto’s en windturbines. „Maar de winning en zuivering van neodymium is wel een monnikenwerk.”

Binnemans is expert wat betreft de zeldzame aardmetalen, een groep van 17 elementen waartoe ook neodymium behoort. Van die 17 staan er in het periodiek systeem 15 op één horizontale rij, de lanthaniden. Normaal verschillen elementen op eenzelfde rij van links naar rechts erg van elkaar qua chemische eigenschappen. Maar niet de zeldzame aardmetalen. „Die eigenschappen worden bepaald door het gedrag van de vrije elektronen in de buitenste schil van een atoom”, zegt Binnemans, „maar bij de zeldzame aardmetalen gaat die schil verborgen onder een andere schil zónder vrije elektronen.”

200 stappen doorlopen

Daardoor clusteren zeldzame aardmetalen in geologische formaties. En daarom zijn ze, nadat ze zijn gemijnd, erg moeilijk van elkaar te scheiden. „Om uit een mengsel van zeldzame aardmetalen 99,9 procent zuiver neodymium te krijgen, heb je een chemisch proces nodig waarbij je al gauw zo’n 200 stappen moet doorlopen.”

De tot nog toe sterkste permanente magneten bestaan hoofdzakelijk uit neodymium, ijzer en boor (als formule: Nd₂Fe₁₄B). „Neodymium is van zichzelf al magnetisch, maar alleen bij heel lage temperaturen”, zegt Binnemans. Toevoeging van ijzer verhoogt die temperatuur. En boor heeft invloed op de kristalstructuur van de legering. Die is niet meer kubisch, maar wordt tetragonaal. „Een soort uitgerekte kubus”, zegt Binnemans. In een kubische structuur, legt hij uit, is het niet mogelijk om de spins van alle elektronen – de richting waarin het elektron om zijn as draait – gelijk te richten. In een tetragonale structuur kan dat wel. „Dat heb je nodig voor een sterke permanente magnetische kracht.”

Neodymium-ijzer-boormagneten bevatten nog allerlei andere toevoegingen. Kobalt, koper, aluminium, zirconium, „de peper en zout”. Het maakt de magneet bijvoorbeeld beter bestand tegen corrosie.

Verschillende verhalen

Omdat neodymium lastig te scheiden is van praseodymium, zit dat ook vaak in de magneet. En zo komt Binnemans op hun ontdekking. In 1842 benoemde de Zweedse chemicus Carl Mosander een nieuw element, didymium – Grieks voor tweeling. Over die naamgeving doen verschillende verhalen de ronde, zegt Binnemans. „Volgens één verhaal zou het zijn omdat Mosander vier kinderen had, twee keer een tweeling.” Volgens een ander verhaal bedacht Mosander de naam omdat hij het element sterk vond lijken op lanthaan. In 1885 ontdekte de Oostenrijkse chemicus Carl Auer von Welsbach dat didymium uit twee elementen bestaat, die hij praseodymium (groene tweeling, vanwege z’n kleur) en neodymium (nieuwe tweeling) noemde.

Bijna de helft van het momenteel gedolven neodymium wordt verwerkt in permanente magneten, voor in mobiele telefoons, microfoons, luidsprekers en nog veel meer. Daarnaast wordt het gebruikt als katalysator in chemische reacties, onder andere bij het synthetiseren van kunstrubber voor autobanden. Het geeft glas en keramiek een blauwpaarse kleur. En in lasbrillen beschermt het de ogen van de lasser.

Lees ook deze reportage: Hoe haal je de magneten uit oude apparaten? Nu belanden ze nog op de schroothoop