Празеодим: сирек кездесетін металл, қасиеттері, қолданылуы. Химиялық элемент, лантанидтер тобының мүшесі, магниттік және оптикалық қасиеттерімен ерекше.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Praseodymium is a chemical element; it has symbol Pr and the atomic number 59. It is the third member of the lanthanide series and is considered one of the rare earth metals. It is a soft, silvery, malleable and ductile metal, valued for its magnetic, electrical, chemical, and optical properties. It is too reactive to be found in native form, and pure praseodymium metal slowly develops a green oxide coating when exposed to air. Praseodymium always occurs naturally together with the other rare earth metals. It is the sixth most abundant rare earth element and fourth most abundant lanthanide, making up 9.1 parts per million of the Earth's crust, an abundance similar to that of boron. In 1841, Swedish chemist Carl Gustav Mosander extracted a rare earth oxide residue he called didymium from a residue he called "lanthana", in turn separated from cerium salts. In 1885, the Austrian chemist Carl Auer von Welsbach separated didymium into two elements that gave salts of different colours, which he named praseodymium and neodymium. The name praseodymium comes from the Ancient Greek πράσινος , meaning 'leek green', and δίδυμος 'twin'. Like most rare earth elements, praseodymium most readily forms the +3 oxidation state, which is the only stable state in aqueous solution, although the +4 oxidation state is known in some solid compounds and, uniquely among the lanthanides, the +5 oxidation state is attainable in matrix isolation conditions. The 0, +1, and +2 oxidation states are rarely found. Aqueous praseodymium ions are yellowish green, and similarly, praseodymium results in various shades of yellow green when incorporated into glasses. Many of praseodymium's industrial uses involve its ability to filter yellow light from light sources.
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.
Organopraseodymium compounds are very similar to those of the other lanthanides, as they all share an inability to undergo π backbonding. They are thus mostly restricted to the mostly ionic cyclopentadienides (isostructural with those of lanthanum) and the σ bonded simple alkyls and aryls, some of which may be polymeric. The coordination chemistry of praseodymium is largely that of the large, electropositive Pr3+ ion, and is thus largely similar to those of the other early lanthanides La3+, Ce3+, and Nd3+. For instance, like lanthanum, cerium, and neodymium, praseodymium nitrates form both 4:3 and 1:1 complexes with 18 crown 6, whereas the middle lanthanides from promethium to gadolinium can only form the 4:3 complex and the later lanthanides from terbium to lutetium cannot successfully coordinate to all the ligands. Such praseodymium complexes have high but uncertain coordination numbers and poorly defined stereochemistry, with exceptions resulting from exceptionally bulky ligands such as the tricoordinate [Pr{N(SiMe3)2}3]. There are also a few mixed oxides and fluorides involving praseodymium(IV), but it does not have an appreciable coordination chemistry in this oxidation state like its neighbour cerium. However, the first example of a molecular complex of praseodymium(IV) has recently been reported.
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.
Praseodymium has only one stable and naturally occurring isotope, 141Pr. It is thus a mononuclidic and monoisotopic element, and its standard atomic weight can be determined with high precision as it is a constant of nature. This isotope has 82 neutrons, which is a magic number that confers additional stability. This isotope is produced in stars through the s and r processes (slow and rapid neutron capture, respectively). Thirty eight other radioisotopes have been synthesized. All of these isotopes have half lives under a day (and most under a minute), with the single exception of 143Pr with a half life of 13.6 days. Both 143Pr and 141Pr occur as fission products of uranium. The primary decay mode of isotopes lighter than 141Pr is positron emission or electron capture to isotopes of cerium, while that of heavier isotopes is beta decay to isotopes of neodymium. Ceria was simultaneously and independently isolated in Germany by Martin Heinrich Klaproth. Between 1839 and 1843, ceria was shown to be a mixture of oxides by the Swedish surgeon and chemist Carl Gustaf Mosander, who lived in the same house as Berzelius; he separated out two other oxides, which he named lanthana and didymia. He partially decomposed a sample of cerium nitrate by roasting it in air and then treating the resulting oxide with dilute nitric acid. The metals that formed these oxides were thus named lanthanum and didymium. While lanthanum turned out to be a pure element, didymium was not and turned out to be only a mixture of all the stable early lanthanides from praseodymium to europium, as had been suspected by Marc Delafontaine after spectroscopic analysis, though he lacked the time to pursue its separation into its constituents. The heavy pair of samarium and europium were only removed in 1879 by Paul Émile Lecoq de Boisbaudran and it was not until 1885 that Carl Auer von Welsbach separated didymium into praseodymium and neodymium. Von Welsbach confirmed the separation by spectroscopic analysis, but the products were of relatively low purity. Since neodymium was a larger constituent of didymium than praseodymium, it kept the old name with disambiguation, while praseodymium was distinguished by the leek green colour of its salts (Greek πρασιος, "leek green"). The composite nature of didymium had previously been suggested in 1882 by Bohuslav Brauner, who did not experimentally pursue its separation.
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.
Praseodymium is not particularly rare, despite it being in the rare earth metals, making up 9.2 mg/kg of the Earth's crust. Praseodymium's classification as a rare earth metal comes from its rarity relative to "common earths" such as lime and magnesia, the few known minerals containing it for which extraction is commercially viable, as well as the length and complexity of extraction. Although not particularly rare, praseodymium is never found as a dominant rare earth in praseodymium bearing minerals. It is always preceded by cerium and lanthanum and usually also by neodymium. The Pr3+ ion is similar in size to the early lanthanides of the cerium group (those from lanthanum up to samarium and europium) that immediately follow in the periodic table, and hence it tends to occur along with them in phosphate, silicate and carbonate minerals, such as monazite (MIIIPO4) and bastnäsite (MIIICO3F), where M refers to all the rare earth metals except scandium and the radioactive promethium (mostly Ce, La, and Y, with somewhat less Nd and Pr). Care must be taken when handling some of the residues as they contain 228Ra, the daughter of 232Th, which is a strong gamma emitter. Like many other lanthanides, praseodymium's shielded f orbitals allow for long excited state lifetimes and high luminescence yields. Pr3+ as a dopant ion therefore sees many applications in optics and photonics. These include DPSS lasers, single mode fiber optical amplifiers, fiber lasers, upconverting nanoparticles as well as activators in red, green, blue, and ultraviolet phosphors. As the lanthanides are so similar, praseodymium can substitute for most other lanthanides without significant loss of function, and indeed many applications such as mischmetal and ferrocerium alloys involve variable mixes of several lanthanides, including small quantities of praseodymium. The following more modern applications involve praseodymium specifically or at least praseodymium in a small subset of the lanthanides: In general, most alloys of the cerium group rare earths (lanthanum through samarium) with 3d transition metals give extremely stable magnets that are often used in small equipment, such as motors, printers, watches, headphones, loudspeakers, and magnetic storage. Praseodymium–nickel intermetallic (PrNi5) has such a strong magnetocaloric effect that it has allowed scientists to approach within one thousandth of a degree of absolute zero. Praseodymium is present in the rare earth mixture whose fluoride forms the core of carbon arc lights, which are used in the motion picture industry for studio lighting and projector lights. Praseodymium compounds give glasses, enamels and ceramics a yellow color. Due to its role in permanent magnets used for wind turbines, it has been argued that praseodymium will be one of the main objects of geopolitical competition in a world running on renewable energy. However, this perspective has been criticized for failing to recognize that most wind turbines do not use permanent magnets and for underestimating the power of economic incentives for expanded production.
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.
The early lanthanides have been found to be essential to some methanotrophic bacteria living in volcanic mudpots, such as Methylacidiphilum fumariolicum: lanthanum, cerium, praseodymium, and neodymium are about equally effective. Praseodymium is otherwise not known to have a biological role in any other organisms, but it is not very toxic either. Intravenous injection of rare earths into animals has been known to impair liver function, but the main side effects from inhalation of rare earth oxides in humans come from radioactive thorium and uranium impurities.