Празеодим

хімічний елемент з атомним номером 59

Празеодим (англ. praseodymium, лат. praseodymium, нім. Praseodym n) — хімічний елемент, що має символ Pr та атомний номер 59.

Празеодим (Pr)
Атомний номер59
Зовнішній вигляд простої речовинипомірно м'який,
ковкий , в'язкий метал
сріблясто-білого кольору
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)140,90765 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома182 пм
Енергія іонізації (перший електрон)526,6(5,46) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація[Xe] 4f3 6s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус165 пм
Радіус іона(+4e) 90 101.(+3e) 3 пм
Електронегативність (за Полінгом)1,13
Електродний потенціалPr←Pr3+ -2,35В
Ступені окиснення4, 3
Термодинамічні властивості
Густина6,773 г/см³
Молярна теплоємність0,192 Дж/(К·моль)
Теплопровідність12,5 Вт/(м·К)
Температура плавлення1204 К
Теплота плавлення11,3 кДж/моль
Температура кипіння3785 К
Теплота випаровування331 кДж/моль
Молярний об'єм20,8 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґраткигексагональна
Період ґратки3,670 Å
Відношення с/а3,22
Температура Дебаяn/a К
Інші властовості
Критична точкан/д
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
CMNS: Празеодим у Вікісховищі

Загальна характеристика

ред.

Празеодим — м'який, сріблястий, ковкий та гнучкий метал, що належить до групи лантаноїдів в Періодичній системі. Завдяки його високій хімічній активності, він не зустрічається у природі у вигляді металу. Отриманий штучно, цей метал повільно окиснюється вологим повітрям із утворенням зеленої скоринки оксиду.

Елемент отримав назву за кольором свого оксиду. У 1841, шведський хімік Карл Густав Мосандер виділив рідкісноземельний оксид «Дідиму» з так званої «лантанової землі», що, в свою чергу, була видобута із «церієвої землі». У 1885, австрійський хімік барон Карл Ауер фон Вельсбах розділив Дідим на дві різних солі різного кольору, які було названо Неодимом та Празеодимом. Назва Празеодиму походить від грец. πράσιος (prasios), що значить «зелений», та грец. δίδυμος (didymos), — «подвійний».

Як більшість лантаноїдів, празеодим переважно проявляє валентність три — Pr(III). Він жовто-зелений у водному розчині та чисельні відтінки жовто-зеленого у складі скла. Багато з промислових застосувань цього елементу пов'язані із фільтруванням жовтого світла від різноманітних джерел світла. Разом з ін. рідкісноземельними елементами входить до складу мінералів — монациту, лопариту, самарськіту і ін.

Історія

ред.

У 1839 Мосандер виділив оксид («землю») «лантана» (див.), що був оксидом нововідкритого елементу лантану, із нітрату церію. У 1841, Мозандер показав, що «лантана» є найбільш основним компонентом з суміші рідкісних земель шляхом осадження лугами із розчину солей. Рідкісноземельні елементи, що залишилися в розчині після осадження лантану Мосандер назвав «дідимом». У 1874, Пер Теодор Клеве зробив висновок, що дідим є сумішшю двох елементів, та у 1879, Поль Еміль Лекок де Буабодран виділив нову «землю», що була оксидом нового елементу самарію, з «дідиму», отриманого з мінерала самарськіт. Сирий дідим фактично ж містив три елементи, та у 1885, австрійський хімік барон Карл Ауер фон Вельсбах розділив дідим на два компоненти, празеодим та неодим, які утворювали солі з різними кольорами.

Лєо Мозер (син Людвіга Мозера, засновника «Moser Glassworks», що працював в Карлових Варах в Богемії, що зараз в Чехії, не плутати з Лео Мозером, математиком) досліджував забарвлення скла празеодимом наприкінці 1920-х. В результаті було винайдено жовто-зелене скло «Праземіт». Однак, подібний колір міг бути отриманий за допомогою барвників, що коштували набагато дешевше, ніж празеодим коштував наприкінці 1920-их, до того ж, такий колір не був популярним, такого скла було вироблено небагато, і зараз його можна зустріти надзвичайно рідко. Мозер також винайшов скло «Геліоліт» (нім. Heliolit), яке було поширеніше. Перше комерційне застосування чистого празеодиму, що продовжується до сьогодні, це барвник емалі для кераміки, «Празеодимовий жовтий», якій являє собою розчин оксиду празеодиму у силікаті цирконію. Ця емаль не має зеленого відтінку. На відміну від емалі, празеодимове скло має чітке зелене забарвлення.[1]

Використовуючи класичні методики розділення празеодим дуже важко відділити від інших лантаноїдів. Празеодим, вміст якого в вихідному концентраті завжди був набагато менший, ніж у лантану та неодиму, від якого його намагалися відділити (при чому, церій відділявся порівняно легко за допомогою переведення в чотирьовалентний стан), празеодим розподілявся по багатьом фракціям, та вихід чистого празеодиму був невеликим. Тем не менш, історично склалося, що празеодим був рідкісноземельним елементом, чия пропозиція була більшою за попит. Іноді це призводило до того, що неодим коштував дорожче, ніж набагато рідкісніший празеодим. Не маючи значного застосування, запаси суміши празеодиму з лантаном та церієм (так звану «LCP») часто продавали як більш дешеву суміш лантаноїдів, ніж ту, що було виділено з монациту. LCP залишається після виділення цінного неодиму, та рідкісніших елементів шляхом екстракції органічними розчинниками. Надалі, із розвитком технологій, було знайдено, що празеодим може бути включеним до складу неодим-залізо-борних магнітів, поширюючи попит на празеодим.[джерело?] Таким чином, роль LCP поступово перейшла до LC (суміші лантану та церію).

 
Монацит з Норвегії
 
Зразок празеодиму в інертній атмосфері

Хімічні властивості

ред.

У своїх сполуках празеодим може перебувати у ступенях окиснення +2, +3 та +4. Празеодим(IV) — сильний окисник, що миттєво окиснює воду до кисню та хлоридну кислоту до хлору. Таким чином, у водних розчинах можливе існування лише іонів празеодиму 3+.

Солі празеодиму(III) мають жовто-зелене забарвлення. У водному розчині їм відповідає доволі простий спектр поглинання у видимому діапазоні: зі смугою у жовто-оранжевій області 589–590 нм (що збігається з жовтою лінією емісії натрію) та трьома смугами у блакитній/фіолетовій області — при 444, 468, та 482 нм відповідно. Ці смуги трохи зміщуються в залежності від природи протиіону.

Оксид празеодиму, отриманий прожарюванням солей, таких як карбонат чи оксалат, є чорним (з відтінками зеленого чи коричневого) та містить празеодим +3 та празеодим +4 у непостійному співвідношенні, залежно від умов отримання. Зазвичай, його формула пишеться як Pr6O11. Звичайно, як й інші лантаноїди у ступені окислення +3, празеодим дуже зручно осаджувати з розчину за допомогою щавлевої кислоти або розчинних оксалатів. Оксалат празеодиму при прожарюванні легко перетворюється у оксид.

 
Скло забарвлене празеодимом

Отримання

ред.

Одержують П. кальцієтермічним відновленням трифлуориду або трихлориду, а також електролізом розплаву трихлориду.

Розповсюдженість

ред.

Празеодим міститься у земній корі в малих кількостях (9,5 часток на мільйон). Він знаходиться у рідкісноземельному мінералі монациті та бастнезиті, як правило, 5% від загального вмісту РЗЕ, та може бути відокремленим від інших лантаноїдів за допомогою процесу іонного обміну, або багатоступеневої рідинної екстракції. Мішметал, який використовують як кремінь у сучасних запальничках, містить приблизно 5% празеодиму у вигляді металу.[2]

Ізотопи

ред.

Весь природній празеодим складається лише з одного ізотопу, Pr141.

Штучно було отримано ще 38 ізотопів празеодиму з масовими числами від 121 до 154, 7 з яких — метастабільні. З нестабільних ізотопів, найбільші періоди напіврозпаду мають Pr143 (13,6 днів) і Pr142 (19,1 годин)[3].

Застосування

ред.
  • Як компонент сплавів з магніем для створення високоміцних авіадвигунів.[4][5]
  • У дугових лампах з вуглецевими стрижнями що застосовуються як потужні джерела світла.
  • Для забарвлення скла та керамічних емалей у жовтий колір.[6]
  • Для забарвлення кубічного оксиду цирконію у жовто-зелений колір, для імітації природного мінералу перидоту.
  • Як компонент «дідимового» скла, для щитків, що використовуються для зварювання.[6]
  • Силікатні кристали, доповані празеодимом здатні сповільнювати промені світла до швидкості декількох сот метрів на секунду.[7]
  • Сплав празеодиму із нікелем (PrNi5) має сильний магнітно-термічний ефект що дозволяє отримувати температури порядку 0,001К, дивись Кельвін (одиниця).[8]
  • Допування празеодимом флуоридного скла дозволяє створювати волоконні оптичні підсилювачи.[9]
  • Твердий розчин оксиду празеодиму в оксиді церію, або оксиді церію-цирконію, застосовуються як окисно-відновні каталізатори.[10]
  • Сучасні кремені для запальничок та кресала, містять близько 4% празеодиму.[6]

Примітки

ред.
  1. Kreidl, Norbert J. (1942). RARE EARTHS*. Journal of the American Ceramic Society. 25 (5): 141. doi:10.1111/j.1151-2916.1942.tb14363.x.
  2. Gschneidner, K.A., and Eyring, L., Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, North Holland Publishing Co., Amsterdam, 1978.
  3. Isotopes of the Element Praseodymium(англ.)
  4. L. L. Rokhlin (2003). Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. CRC Press. ISBN 0415284147.
  5. Suseelan Nair, K.; Mittal, M.C. (1988). Rare Earths in Magnesium Alloys. Materials Science Forum. 30: 89. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.30.89.
  6. а б в C. R. Hammond (2000). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition. CRC press. ISBN 0849304814.
  7. ANU team stops light in quantum leap. Архів оригіналу за 23 червня 2013. Процитовано 18 травня 2009.
  8. Emsley, John (2001). Nature's building blocks. Oxford University Press. с. 342. ISBN 0-1985-0341-5.
  9. Jha, A; Naftaly, M; Jordery, S; Samson, B N; Taylor, E R; Hewak, D; Payne, D N; Poulain, M; Zhang, G (1995). Pure and Applied Optics: Journal of the European Optical Society Part A. 4 (4): 417. Bibcode:1995PApOp...4..417J. doi:10.1088/0963-9659/4/4/019. {{cite journal}}: Пропущений або порожній |title= (довідка)
  10. Borchert, Y.; Sonstrom, P.; Wilhelm, M.; Borchert, H.; Baumer, M. (2008). Nanostructured Praseodymium Oxide: Preparation, Structure, and Catalytic Properties. Journal of Physical Chemistry C. 112 (8): 3054. doi:10.1021/jp0768524.

Джерела

ред.
  • Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.

Посилання

ред.