Введение

Празеодим – химический элемент с символом Pr и атомным номером 59. Это третий элемент лантаноидной серии и относится к редкоземельным металлам. Это мягкий, серебристый, ковкий и пластичный металл, ценимый за свои магнитные, электрические, химические и оптические свойства. Он слишком реактивен, чтобы встречаться в самородном виде, и чистый празеодим при контакте с воздухом медленно покрывается зеленой оксидной пленкой. Празеодим всегда встречается в природе вместе с другими редкоземельными металлами. Это шестой по распространенности редкоземельный элемент и четвертый по распространенности лантаноид, составляющий 9,1 частей на миллион земной коры, что сопоставимо с содержанием бора. В 1841 году шведский химик Карл Густав Мосандер выделил из остатка, названного им "лантаной" (в свою очередь, отделенного от солей церия), редкоземельный оксид, который он назвал дидимием. В 1885 году австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах разделил дидимий на два элемента, дающих соли разных цветов, которые он назвал празеодимом и неодимом. Название празеодим происходит от древнегреческого πράσινος, означающего «луковый зеленый», и δίδυμος – «близнец». Как и большинство редкоземельных элементов, празеодим наиболее легко образует степень окисления +3, которая является единственной стабильной в водном растворе, хотя степень окисления +4 известна в некоторых твердых соединениях, и, уникально для лантаноидов, степень окисления +5 достижима в условиях матричной изоляции. Степени окисления 0, +1 и +2 встречаются редко. Водные ионы празеодима имеют желтовато-зеленый цвет, и, аналогично, при введении в стекло празеодим придает ему различные оттенки желто-зеленого цвета. Многие промышленные применения празеодима основаны на его способности фильтровать желтый свет из источников света.

Соединения органопразеодимия

Соединения органопразеодима очень похожи на соединения других лантаноидов, поскольку все они лишены способности к π-обратной связи. Поэтому они преимущественно ограничены ионными циклопентадиенидами (изоструктурными с соединениями лантана) и σ-связанными простыми алкилами и арилами, некоторые из которых могут быть полимерными. Координационная химия празеодима в значительной степени определяется большим электроположительным ионом Pr3+, и поэтому во многом аналогична координационной химии других ранних лантаноидов La3+, Ce3+ и Nd3+. Например, подобно лантану, церию и неодиму, нитраты празеодима образуют комплексы с 18-краун-6 как в соотношении 4:3, так и 1:1, в то время как средние лантаноиды от прометия до гадолиния способны образовывать только комплекс 4:3, а более поздние лантаноиды от тербия до лютеция не могут эффективно координироваться со всеми лигандами. Такие комплексы празеодима характеризуются высокими, но неточными координационными числами и плохо определенной стереохимией, за исключением случаев использования исключительно объемных лигандов, таких как трикоординатный [Pr{N(SiMe3)2}3]. Существуют также некоторые смешанные оксиды и фториды, содержащие празеодим(IV), но он не проявляет существенной координационной химии в этой степени окисления, в отличие от своего соседа церия. Однако недавно был впервые описан молекулярный комплекс празеодима(IV).

Изотопы

Празеодим имеет только один стабильный и природный изотоп, 141Pr. Таким образом, это мононуклидный и моноизотопный элемент, и его стандартный атомный вес можно определить с высокой точностью, поскольку он является константой природы. Этот изотоп содержит 82 нейтрона, что является «магическим числом», придающим ему дополнительную стабильность. Этот изотоп образуется в звездах посредством s- и r-процессов (медленного и быстрого захвата нейтронов соответственно). Синтезировано 38 других радиоизотопов. У всех этих изотопов период полураспада менее суток (а у большинства – менее минуты), за исключением 143Pr с периодом полураспада 13,6 дней. И 143Pr, и 141Pr образуются как продукты деления урана. Основным способом распада изотопов легче 141Pr является позитронная эмиссия или захват электронов с образованием изотопов церия, а для более тяжелых изотопов – бета-распад с образованием изотопов неодима. Церий был одновременно и независимо выделен в Германии Мартином Генрихом Клапротом. В период с 1839 по 1843 год шведский хирург и химик Карл Густав Мосандер, живший в одном доме с Берцелиусом, показал, что церий представляет собой смесь оксидов. Он выделил два других оксида, которые назвал лантаной и дидимией. Он частично разложил образец нитрата церия, прокаливая его на воздухе, а затем обработал полученный оксид разбавленной азотной кислотой. Металлы, образующие эти оксиды, получили названия лантан и дидимий. Лантан оказался чистым элементом, а дидимий – смесью всех стабильных ранних лантаноидов от празеодима до европия, что и предполагал Марк Делафонтен после спектроскопического анализа, хотя у него не было времени для разделения его на составляющие. Тяжелая пара самарий и европий была выделена лишь в 1879 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, а лишь в 1885 году Карл Ауэр фон Вельсбах разделил дидимий на празеодим и неодим. Фон Вельсбах подтвердил разделение спектроскопическим анализом, однако продукты были относительно нечистыми. Поскольку неодим был более значительным компонентом дидимия, чем празеодим, он сохранил старое название с уточнением, а празеодим отличался луково-зеленым цветом своих солей (от греч. πρασιος – «луково-зеленый»). Композитный характер дидимия был предложен ранее, в 1882 году, Бохуславом Браунером, который не проводил экспериментального разделения.

Возникновение и производство

Празеодим не особенно редок, несмотря на то, что относится к редкоземельным металлам, составляя 9,2 мг/кг земной коры. Классификация празеодима как редкоземельного металла обусловлена его редкостью по сравнению с «обычными землями», такими как известь и магнезия, небольшим количеством известных минералов, содержащих его, для которых добыча экономически целесообразна, а также сложностью и длительностью процесса извлечения. Хотя празеодим и не является особенно редким, он никогда не встречается в качестве основного редкоземельного элемента в минералах, содержащих празеодим. Ему всегда предшествуют церий и лантан, а также обычно неодим. Ион Pr3+ по размеру схож с ранними лантаноидами цериевой группы (от лантана до самария и европия), которые непосредственно следуют в периодической таблице, и поэтому он часто встречается вместе с ними в фосфатных, силикатных и карбонатных минералах, таких как моназит (MIIIPO4) и бастназит (MIIICO3F), где M обозначает все редкоземельные металлы, за исключением скандия и радиоактивного прометия (в основном Ce, La и Y, с меньшим содержанием Nd и Pr). При работе с некоторыми остатками необходимо соблюдать осторожность, так как они содержат 228Ra, продукт распада 232Th, являющийся сильным гамма-излучателем. Как и у многих других лантаноидов, экранированные f-орбитали празеодима обеспечивают длительное время жизни возбужденных состояний и высокую эффективность люминесценции. Поэтому Pr3+ в качестве допантного иона находит широкое применение в оптике и фотонике, включая DPSS-лазеры, одномодовые волоконно-оптические усилители, волоконные лазеры, наночастицы для преобразования частоты, а также активаторы в красных, зеленых, синих и ультрафиолетовых люминофорах. Ввиду высокой схожести лантаноидов, празеодим может заменять большинство других лантаноидов без существенной потери функциональности, и действительно, многие области применения, такие как мишметалл и сплавы ферроцерия, включают переменные смеси нескольких лантаноидов, в том числе небольшое количество празеодима. Более современные области применения включают использование празеодима в чистом виде или, по крайней мере, празеодима в небольшом подмножестве лантаноидов: В целом, большинство сплавов редкоземельных элементов цериевой группы (от лантана до самария) с 3d-переходными металлами дают чрезвычайно стабильные магниты, которые часто используются в небольшом оборудовании, таком как двигатели, принтеры, часы, наушники, громкоговорители и магнитные носители информации. Межметаллид празеодимия и никеля (PrNi5) обладает настолько сильным магнитокалорическим эффектом, что позволил ученым приблизиться к абсолютному нулю на одну тысячную градуса. Празеодим входит в состав смеси редкоземельных элементов, фторид которой образует сердцевину угольных дуговых ламп, используемых в киноиндустрии для студийного освещения и освещения проекторов. Соединения празеодима придают стеклу, эмалям и керамике желтый цвет. В связи с его ролью в постоянных магнитах, используемых в ветровых турбинах, утверждается, что празеодим станет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, переходящем на возобновляемые источники энергии. Однако эта точка зрения подвергается критике за то, что она не учитывает тот факт, что большинство ветровых турбин не используют постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Биологическая роль и меры предосторожности

Было обнаружено, что ранние лантаноиды необходимы некоторым метанотрофным бактериям, обитающим в вулканических грязевых источниках, таким как Methylacidiphilum fumariolicum: лантан, церий, празеодим и неодим примерно одинаково эффективны. Празеодим в иных организмах не имеет известной биологической роли, но и не является сильно токсичным. Внутривенное введение редкоземельных элементов животным может приводить к нарушению функции печени, однако основные побочные эффекты от вдыхания оксидов редкоземельных элементов у людей связаны с радиоактивными примесями тория и урана.