Prazeodímium

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

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  (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  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 (t½ 2,12 óra), a 142mPr (t½ 14,6 perc) és a 134mPr (t½ 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 

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

Jegyzetek

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

További információk

Kapcsolódó szócikkek 

 periódusos rendszer

Lantanoidák