Кіріспе

Празеодим – химиялық элемент, символы Pr, атомдық нөмірі 59. Ол лантаноидтар қатарының үшінші мүшесі және сирек кездесетін металдардың бірі саналады. Бұл жұмсақ, күміс түсті, соғылатын және майысқақ металл, магниттік, электрлік, химиялық және оптикалық қасиеттерімен бағаланады. Ол табиғатта таза күйінде кездеспейді, ал таза празеодим металлы ауаға ұшырағанда жасыл оксидті қабықшаны баяу түзеді. Празеодим әрқашан басқа сирек кездесетін металдармен бірге табиғатта кездеседі. Ол Жер қыртысындағы сирек кездесетін элементтердің алтыншы ең көп таралғаны және лантаноидтардың төртінші ең көп таралғаны болып табылады, құрамы миллионға 9,1 бөлікті құрайды, бұл бордың мөлшерімен салыстырылады. 1841 жылы швед химигі Карл Густав Мосандер церий тұздарынан бөліп алған "лантана" деп аталатын қалдықтан дидимий деп атаған сирек кездесетін топырақ оксидінің қалдықтарын бөліп шығарды. 1885 жылы австриялық химик Карл Ауер фон Велсбах дидимийді екі элементке – празеодим мен неодимийге бөлді, олар әртүрлі түсті тұздарды берді. Празеодим атауы ежелгі грек тіліндегі πράσινος, яғни "көкжасыл" және δίδυμος, "екі егіз" сөздерінен шыққан. Басқа сирек кездесетін жер элементтері сияқты, празеодим ең оңай +3 тотығу күйін қалыптастырады, бұл сулы ерітіндідегі жалғыз тұрақты күй, бірақ +4 тотығу күйі кейбір қатты қосылыстарда белгілі, ал лантаноидтардың арасында +5 тотығу күйіне матрицалық оқшаулау жағдайында қол жеткізіледі. 0, +1 және +2 тотығу күйлері сирек кездеседі. Сулы празеодим иондары сарғыш-жасыл түсті, сондай-ақ празеодим шыныға қосылғанда сары-жасыл түстердің әртүрлі нұсқаларын береді. Празеодимийдің көптеген өнеркәсіптік қолданылуы жарық көздерінен сары жарықты сүзуге қабілетімен байланысты.

Органопразеодимий қосылыстары

Органопразеодимий қосылыстары басқа лантаноидтарға өте ұқсас, себебі олардың барлығы π кері байланысу қабілетінен dépourvu. Сондықтан олар негізінен иондық циклопентадиенидтермен (лантанмен изоструктуралық) және σ-байланысты қарапайым алкилдермен және арилдермен шектеледі, олардың кейбіреулері полимерлі болуы мүмкін. Празеодимийдің координациялық химиясы көбінесе ірі, электропозитивті Pr3+ ионының химиялық қасиеттерімен анықталады, демек, басқа ерте лантаноидтар – La3+, Ce3+ және Nd3+ сияқты. Мысалы, лантан, церий және неодим сияқты, празеодимий нитраттары 18-крон-6-бен 4:3 және 1:1 кешендерін жасайды, ал прометийден гадолинийге дейінгі орта лантаноидтар тек 4:3 кешенін ғана жасай алады, ал тербийден лютецийге дейінгі кейінгі лантаноидтар барлық лигандтармен сәтті координациялай алмайды. Мұндай празеодимий кешендерінің координациялық саны жоғары, бірақ нақты емес және стереохимиясы анық емес, бірақ [Pr{N(SiMe3)2}3] сияқты өте үлкен лигандтардың болуында ерекшеліктер байқалады. Празеодимий(IV) құрамындағы бірнеше аралас оксидтер мен фторидтер де бар, бірақ оның көрші церий сияқты осы тотығу күйінде айқын координациялық химиясы жоқ. Дегенмен, празеодимий(IV) молекулалық кешенінің алғашқы мысалы жақында жарияланды.

Изотоптар

Празеодимийдің тек бір тұрақты және табиғи түрде кездесетін изотопы бар, ол 141Pr. Осылайша, ол мононуклидтік және моноизотоптық элемент болып табылады, ал оның стандартты атомдық салмағын жоғары дәлдікпен анықтауға болады, себебі ол табиғаттың тұрақтысы. Бұл изотоптың 82 нейтроны бар, бұл қосымша тұрақтылық беретін «сиқырлы сан». Бұл изотоп жұлдыздарда s және r процестері арқылы (сәйкесінше, баяу және жылдам нейтрондық тұтқындау) пайда болады. Тағы 38 радиоизотоп синтезделген. Бұл изотоптардың барлығының жартылай ыдырау мерзімі бір тәуліктен (көбінесе бір минуттан да аз) төмен, тек 143Pr-дің жартылай ыдырау мерзімі 13,6 күнге жетеді. 143Pr және 141Pr екеуі де уранның бөліну өнімдері ретінде кездеседі. 141Pr-ден жеңіл изотоптардың негізгі ыдырау жолы – церий изотоптарына позитронмен шығару немесе электронды тұтқындау, ал ауыр изотоптардың – неодим изотоптарына бета-ыдырау. Церияны Германияда Мартин Генрих Клапрот бір уақытта және тәуелсіз түрде ажыратты. 1839 және 1843 жылдар аралығында швед хирургі және химигі Карл Густав Мосандер, Берзелиуспен бір үйде тұрып, церияның оксидтердің қоспасы екенін көрсетті; ол тағы екі оксидті бөліп алып, оларды лантана және дидимия деп атады. Ол церий нитратының үлгісін ауада қыздырып, содан кейін алынған оксидті сұйылтылған азот қышқылымен өңдеп, ішінара ыдыратты. Осы оксидтерді құрайтын металдар лантан және дидимий деп аталды. Лантан таза элемент екені белгілі болса, дидимий болмады және ол празеодимийден европийге дейінгі барлық тұрақты ерте лантаноидтардың қоспасы болып шықты, бұл туралы Марк Делафонтен спектроскопиялық талдаудан кейін күдіктенген, бірақ оның құрамдас бөліктеріне ажыратуға уақыты болмады. Самарий мен европийдің ауыр жұбын 1879 жылы Пол Эмиль Лекок де Буабодран ғана алып тастады, ал 1885 жылы Карл Ауер фон Велсбах дидимийді празеодимий мен неодимийге бөлді. Фон Велсбах спектроскопиялық талдау арқылы ажыратылғанын растады, бірақ өнімдердің тазалығы салыстырмалы түрде төмен болды. Неодим дидимийдің құрамында празеодимийге қарағанда көп болғандықтан, ол ескі атауын сақтап, анықтама жасады, ал празеодимий оның тұздарының көк түсімен (грекше πρασιος, «көк») ерекшеленді. Дидимийдің күрделі табиғаты туралы алғашқы ұсынысты 1882 жылы Бохуслав Браунер жасаған, бірақ ол оны тәжірибелік түрде ажыратумен айналыспады.

Өрлеу және өндіріс

Празеодим аса сирек емес, бірақ ол сирек кездесетін металдарға жатады, Жер қыртысында 9,2 мг/кг құрайды. Празеодимнің сирек кездесетін металл ретінде жіктелуі, оның "жалпы жерлер" сияқты әк және магнияға қарағанда сирек кездесуімен, оны құрайтын, коммерциялық тұрғыдан тиімді өндірілуге болатын белгілі бірнеше минералдармен, сондай-ақ өндірудің ұзақтығы мен күрделілігімен байланысты. Празеодим аса сирек болмаса да, празеодимді құрайтын минералдарда ол сирек кездесетін жердің басым бөлігі ретінде табылмайды. Одан әрқашан церий мен лантан алдында болады, көбінесе неодим де болады. Pr3+ ионы, периодтық кестеде тікелей келетін церий тобының алғашқы лантаноидтарына (лантаннан бастап самарий мен европийге дейін) ұқсас, сондықтан олармен бірге фосфат, силикат және карбонат минералдарында, мысалы, моназитте (MIIIPO4) және бастназитте (MIIICO3F) кездеседі, мұнда М – скандий мен радиоактивті прометийден басқа барлық сирек жер металдарын білдіреді (көбінесе Ce, La және Y, аздап Nd және Pr). Кейбір қалдықтарды өңдегенде сақтық тану керек, себебі оларда 232Th-нің туындысы – 228Ra бар, ол күшті гамма-сәуле шығарады. Көптеген басқа лантаноидтар сияқты, празеодимнің қоршалған f орбиталдары ұзақ қозған күйде сақталуына және жоғары люминесценцияға мүмкіндік береді. Сондықтан Pr3+ допант ионы ретінде оптика және фотоника салаларында көптеген қолданыстарға ие. Оларға DPSS лазерлері, бір режимді талшықты күшейткіштер, талшықты лазерлер, жоғары түрлендіруші нанобөлшектер, сондай-ақ қызыл, жасыл, көк және ультракөк түсті фосфорлардағы активаторлар жатады. Лантаноидтар өте ұқсас болғандықтан, празеодим функцияның айтарлықтай жоғалмауымен көптеген басқа лантаноидтарды алмастыра алады, және шын мәнінде, мишметал және ферроцерий қорытпалары сияқты көптеген қолданыстарда бірнеше лантаноидтардың, соның ішінде празеодимнің шағын мөлшерде араласуы қарастырылады. Келесі заманауи қолданыстар празеодимді тікелей немесе кемінде лантаноидтардың шағын тобындағы празеодимді қамтиды: Жалпы, 3d өтпелі металдармен церий тобының сирек кездесетін жерлерінің (лантаннан самарийге дейін) қорытпалары өте тұрақты магниттерді береді, олар көбінесе ұсақ жабдықтарда, мысалы, қозғалтқыштарда, принтерлерде, сағаттарда, құлаққаптарда, динамиктерде және магниттік жадта қолданылады. Празеодим-никель интерметаллы қоспасы (PrNi5) соншалықты күшті магнит-калориялық эффектке ие, ол ғалымдарға абсолюттік нөлге мыңнан бір градусқа дейін жақындауға мүмкіндік берді. Празеодим сирек кездесетін жерлер қоспасында болады, оның фториді көміртекті доғалы жарықтардың негізін құрайды, олар киноиндустриясында студиялық жарықтандыру және проекторлар үшін қолданылады. Празеодим қосылыстары шыны, эмаль және керамикаға сары түс береді. Жел турбиналарында қолданылатын тұрақты магниттердегі рөліне байланысты, празеодим қайта жаңартылатын энергияға негіделген әлемде геосаяси бәсекелестіктің негізгі нысаны болады деп есептеледі. Алайда, бұл көзқарас көптеген жел турбиналары тұрақты магниттерді қолданбайтынын және кеңейтілген өндіріс үшін экономикалық ынталандырулардың күшін бағаламағаны үшін сынға ұшырады.

Биологиялық рөлі және сақтық шаралары

Ертедегі лантаноидтер кейбір метанотрофты бактериялар үшін, мысалы, Methylacidiphilum fumariolicum сияқты, вулкандық лайлы топырақта тіршілік ететіндер үшін қажетті екені анықталды: лантан, церий, празеодимий және неодимий шамамен бірдей тиімді. Празеодимийдің басқа тірі организмдерде биологиялық рөлі белгілі емес, бірақ ол аса улы да емес. Жануарларға сирек кездесетін жерлерді тамырға салу бауыр функциясын нашарлатады, бірақ сирек кездесетін жерлер оксидтерін тыныспен алудан адамдарда туындайтын негізгі қосымша әсерлер радиоактивті торий мен уран қоспаларынан болады.