Prazeodímium

A prazeodímium a lantanoidák közé tartozó fém, az 59-es rendszámú kémiai elem. Vegyjele Pr.

59 cérium ← prazeodímium → neodímium - ↑ Pr ↓ Pa 59 Pr Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	prazeodímium, Pr, 59
Latin megnevezés	praseodymium
Elemi sorozat	lantanoidák
Csoport, periódus, mező	?, 6, f
Megjelenés	ezüstfehér
Atomtömeg	140,90766(1) g/mol
Elektronszerkezet	[Xe] 4f³ 6s²
Elektronok héjanként	2, 8, 18, 21, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	6,77 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	6,50 g/cm³
Olvadáspont	1208 K (935 °C, 1715 °F)
Forráspont	3793 K (3520 °C, 6368 °F)
Olvadáshő$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	6,89 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	331 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 27,20 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1771 1973 (2227) (2571) (3054) (3779)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	hexagonális
Oxidációs szám	4, 3, 2 (enyhén bázikus oxid)
Elektronegativitás	1,13 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 527 kJ/mol
	2.: 1020 kJ/mol
	3.: 2086 kJ/mol
Atomsugár	182 pm
Atomsugár (számított)	247 pm
Egyebek
Mágnesség	paramágneses
Elektromos ellenállás	(sz.h.) (α-módosulat) 0,700 µΩ·m
Hőmérséklet-vezetési tényező	(300 K) 12,5W/(m·K)
Hőtágulási tényező	(sz.h.) (α-módosulat) 6,7 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 2280 m/s
Young-modulus	(α-módosulat) 37,3 GPa
Nyírási modulus	(α-módosulat) 14,8 GPa
Kompressziós modulus	(α-módosulat) 28,8 GPa
Poisson-tényező	(α-módosulat) 0,281
Vickers-keménység	400 MPa
Brinell-keménység	481 HB
CAS-szám	7440-10-0
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A prazeodímium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 141Pr 100% Pr stabil 82 neutronnal 142Pr mest. 19,12 óra β− 2,162 142Nd ε 0,745 142Ce 143Pr mest. 13,57 nap β− 0,934 143Nd
Hivatkozások

Tulajdonságai

Fizikai

A prazeodímium lágy, ezüst színű, nyújtható, képlékeny fém. A levegőn a korróziónak valamivel jobban ellenáll, mint az európium, lantán, cérium vagy neodímium, de felületén zöld színű oxidréteg képződik, amely levegő hatására lepattogzik, így a fém többi része is oxidálódhat – egy centiméteres nagyságú prazeodímium minta egy éven belül teljesen oxidálódik. A prazeodímiumot emiatt könnyű ásványi olaj alatt vagy leforrasztott üvegedényben tárolják.

Más ritkaföldfémekkel szemben, melyek alacsony hőmérsékleten antiferromágneses és/vagy ferromágneses rendeződést mutatnak, a prazeodímium 1 K hőmérséklet felett paramágneses.

Kémiai

A prazeodímiumfém levegőn lassan elveszti a fényét, és 150 °C feletti hőmérsékleten prazeodímium(III,IV)-oxid keletkezése közben könnyen elég:

12 Pr + 11 O₂ → 2 Pr₆O₁₁

A prazeodímium eléggé elektropozitív elem, hideg vízzel lassan, forró vízzel gyorsan reagál, miközben prazeodímium-hidroxid keletkezik:

2 Pr (s) + 6 H₂O (l) → 2 Pr(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

A prazeodímium fém reagál a halogénekkel:

2 Pr (s) + 3 F₂ (g) → 2 PrF₃ (s) [zöld]

2 Pr (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 PrCl₃ (s) [zöld]

2 Pr (s) + 3 Br₂ (g) → 2 PrBr₃ (s) [zöld]

2 Pr (s) + 3 I₂ (g) → 2 PrI₃ (s)

A prazeodímium híg kénsavban könnyen oldódik Pr(III) iont tartalmazó oldat képződése közben, mely [Pr(OH₂)₉]³⁺ komplex formájában létezik:

2 Pr (s) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Pr³⁺(aq) + 3 SO2−4 (aq) + 3 H₂ (g)

Vegyületei

A prazeodímium vegyületeiben +2, +3 és +4-es oxidációs számban fordul elő. A prazeodímium(IV) erős oxidálószer, a vizet azonnal elemi oxigénné (O₂), a sósavat elemi klórrá oxidálja, így vizes oldatban csak +3-as oxidációs állapotban fordul elő. A prazeodímium(III) sói sárgászöldek, oldatuk látható fényben egyszerű abszorpciós spektrummal rendelkezik: van egy sávja a sárga-narancssárga 589-590 nm hullámhossznál (ez egybeesik a nátrium jellemző emissziós vonalával), és három sáv található a kék/ibolya tartományban, körülbelül 444, 468, and 482 nm-nél. Az értékek az elleniontól függően valamelyest változhatnak. A sók – például oxalátok vagy karbonátok – levegőn történő hevítésével nyert prazeodímium-oxid alapvetően fekete színű (kis barna vagy zöld árnyalattal), és – az előállítás körülményeitől függően – némileg változó arányban tartalmaz +3 és +4-es oxidációs állapotú prazeodímiumot. Képletét szokásosan Pr₆O₁₁ formában adják meg.

A további prazeodímium-vegyületek közé tartoznak:

• Fluoridok: PrF₂, PrF₃, PrF₄
• Klorid: PrCl₃
• Bromidok: PrBr₃, Pr₂Br₅
• Jodidok: PrI₂, PrI₃, Pr₂I₅
• Oxidok: PrO₂, Pr₂O₃, Pr₆O₁₁
• Szulfidok: PrS, Pr₂S₃
• Szulfát: Pr₂(SO₄)₃
• Szelenid: PrSe
• Telluridok: PrTe, Pr₂Te₃
• Nitrid: PrN

Izotópok

A természetben előforduló prazeodímium egy stabil izotópból, ¹⁴¹Pr-ból áll. Harmincnyolc radioaktív izotópját írták le, ezek közül a legstabilabb a ¹⁴³Pr 13,57 nap felezési idővel, valamint a ¹⁴²Pr, 19,12 órával. A többi radioaktív izotóp felezési ideje kevesebb mint 5,985 óra, a többségnek azonban 33 másodpercnél is kevesebb. Hat metastabil állapot ismert, a legstabilabbak a ^138mPr (t_½ 2,12 óra), a ^142mPr (t_½ 14,6 perc) és a ^134mPr (t_½ 11 perc).

A prazeodímium izotópjainak atomtömege 120,955 u (¹²¹Pr) és 158,955 u (¹⁵⁹Pr) közé esik. A stabil – ¹⁴¹Pr – izotópnál könnyebbek elsősorban elektronbefogással, a nehezebbek negatív béta-bomlással alakulnak át. A ¹⁴¹Pr-nél könnyebb izotópok fő bomlásterméke az 58-as rendszámú elem, a cérium izotópjai, míg a nehezebb izotópok elsődleges bomlástermékei a 60-as rendszámú neodímium izotópok.

Története

A prazeodímium név a görög prasios (πράσιος), zöld, és didymos (δίδυμος), ikrek szóból ered.

1841-ben Mosander a lantán(IIII)-oxidból kivonta a didimium ritkaföldfémet. 1874-ben Per Teodor Cleve megállapította, hogy a didimium valójában két elem, és 1879-ben Lecoq de Boisbaudran elkülönítette az új földet – a szamáriumot – a szamarszkit ásványból nyert didimiumból. 1885-ben az osztrák kémiukus báró Carl Auer von Welsbach a didimiumot szétválasztotta két elemmé: prazeodímiummá és neodímiummá, melyek különböző színű sókat képeztek.

Leo Moser (Ludwig Moser, a mostani Karlovy Vary-ban, Csehország Bohemia tartományában található Moser üvegművek alapítójának fia, nem keverendő össze Leo Moser matematikussal) az 1920-as években vizsgálta meg a prazeodímium felhasználását az üvegek színezésében. Az eredmény egy sárgászöld üveg volt, mely a „Prasemit” nevet kapta. Hasonló színt azonban a prazeodímium 1920-as évek végi árának töredékéért is elő lehetett állítani, így ez az árnyalat nem vált kedveltté, kevés darabot készítettek belőle, ezekből ma már alig található egy-egy példány. Moser a prazeodímiumot neodímiummal is keverte, így készült a „Heliolite” (németül „Heliolit”) üveg, amely már szélesebb körben terjedt el. A tisztított prazedímium első tartós kereskedelmi felhasználása – mely még ma is tart – egy sárga-narancssárga kerámiafesték, a „prazeodímium sárga”. Ez egy szilárd oldat, melyben a cirkónium-szilikát (cirkon) kristályrácsába prazeodímium van beépítve. Ennek a festéknek nincs zöldes árnyalata. Ezzel szemben a prazeodímium üveg – ha elég nagy mértékben adalékolt – nem tisztán sárga, hanem határozottan zöld színű.

A prazeodímiumot mindig is nehéz volt klasszikus elválasztási módszerekkel tisztítani. Mivel jóval ritkább a lantánnál és a neodímiumnál, melyektől el kell választani (a cériumot régóta redoxireakcióval távolítják el), ezért a prazeodímium sok frakcióban oszlott el, és a tisztított anyag kitermelése csekély volt. A prazeodímium történelmileg olyan ritkaföldfém volt, melynek a kínálata meghaladta a keresletet, így olykor olcsóbban hozzá lehetett jutni, mint a jóval gyakoribb neodímiumhoz. Mint felesleges anyagot gyakran lantánnal és cériummal alkotott keverékét árulták (az alkotók kezdőbetűje után ezt „LCP”-nek is rövidítették) a hagyományos monacitból és basztnezitből olcsón előállított lantanoida keverék helyett. Az LCP ezen keverék maradéka, miután a kívánt neodímiumot és a többi nehezebb, ritkább és értékesebb lantanoidát oldószeres extrakcióval eltávolították. A technika fejlődésével azonban lehetségessé vált a prazeodímiumnak a neodímium-vas-bór mágnesekben történő felhasználása, így az LC kezdi átvenni az LCP helyét.

Előfordulása

Monacit

A prazeodímium kis mennyiségben található meg a földkéregben (9,5 ppm). A monacit és basztnezit ritkaföldfém ásványokban fordul elő, jellemzően azok lantanoida-tartalmának 5%-a. Ioncserés eljárásokkal vagy ellenáramú oldószeres extrakcióval nyerhető ki. Az öngyújtók készítéséhez használt elegyfém mintegy 5% fémprazeodímiumot tartalmaz.

Felhasználása

A prazeodímiumot az alábbi területeken alkalmazzák:

• a magnézium ötvözőjeként nagy szilárdságú fémek előállítására, melyeket a repülőgépmotorok készítéséhez használnak.
• A filmiparban stúdióvilágításra és a vetítőlámpákban használt szénív világítás alapja a prazeodímium.
• A prazeodímium vegyületei az üveget és a zománcot sárgára színezik.
• A peridot utánzásához a cirkóniát prazeodímiummal színezik sárgászöldre.
• Az egyes hegesztőszemüvegek és üvegfújók védőszemüvegének anyagaként használt didimiumüveg egyik összetevője.
• Prazeodímiumionokkal adagolt szilikátüveg felhasználásával egészen néhány száz méter per másodperc sebességig lassítottak le egy fényimpulzust.
• A nikkellel ötvözött prazeodímium (PrNi₅) magnetokalorikus hatása olyan nagy, hogy ennek segítségével egy század fokra meg tudták közelíteni az abszolút nulla fokot.
• Prazeodímium fluorid üvegbe való adagolásával lehetővé válik azt egymódusú száloptikai erősítőként használni.
• Prazeodímium-oxid cérium(IV)-oxiddal vagy cérium(IV)- és cirkónium(IV)-oxiddal alkotott szilárd oldatát oxidációs katalizátorként használják.
• A modern ferrocérium tűzacél termékek, melyeket öngyújtóban, szikravetőkben stb. használnak, mintegy 4% prazeodímiumot tartalmaznak.

Óvintézkedések

Mint minden ritkaföldfém, a prazeodímium is csak kis vagy közepes mértékben mérgező.

Biológiai szerep: Ritkaföldfémeket használnak egyes baktériumok. Egy olaszországi vulkanikus iszaptócsában fellelhető metanotróf baktérium (a Methylacidophilum fumariolicum) vizsgálata során megállapították, hogy ennek az extrém életmódú mikrobának lantanoidákra van szüksége anyagcseréje működéséhez. Ez a legelső adat arról, hogy egy élőlény ezeket az elemeket felhasználja. A kutatók bizonyították, hogy a M. fumariolicum lantánt, cériumot, prazeódiumot vagy neodímiumot igényel ahhoz, hogy metanol-dehidrogenáz (MDH) nevű enzimje működőképes legyen - ezek a ritkaföldfémek tehát az élőlény anyagcseréjében nagyon fontos enzim kofaktorai. Más baktériumokban eddig csak kalcium-kofaktorral működő metanol-dehidrogenáz enzimeket ismert a tudomány. Egyes metanotróf és metiltróf baktériumok genomjaiban viszont a M. fumariolicum-éhoz hasonló MDH-géneket sikerült azonosítani, így a kutatók szerint valószínű, hogy a lantanoidáknak nagyobb szerepük van a bioszférában, mint azt korábban bárki gondolta volna.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Praseodymium című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

• R.J. Callow, "The Industrial Chemistry of the Lanthanons, Yttrium, Thorium and Uranium", Pergamon Press, 1967.

Kapcsolódó szócikkek

A Wikimédia Commons tartalmaz Prazeodímium témájú médiaállományokat.

• periódusos rendszer