Praseodym

Praseodym ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pr und der Ordnungszahl 59. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Von der Grünfärbung seiner Verbindungen kommt auch der Name: das griechische Wort πράσινος prásinos bedeutet „grün“, δίδυμος didymos „doppelt“ oder „Zwilling“.

Eigenschaften
[Xe] 4f^3 6s^2 59Pr Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Praseodym, Pr, 59
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß, gelblicher Farbton
CAS-Nummer	7440-10-0
EG-Nummer	231-120-3
ECHA-InfoCard	100.028.291
Massenanteil an der Erdhülle	5,2 ppm (49. Rang)
Atomar
Atommasse	140,90766(1)u
Atomradius (berechnet)	185 (247) pm
Kovalenter Radius	203 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f^3 6s^2
1. Ionisierungsenergie	5.4702(4) eV ≈ 527.79 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	10.631(20) eV ≈ 1025.7 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	21.6237(25) eV ≈ 2086.37 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	38.981(25) eV ≈ 3761.1 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	57.53(5) eV ≈ 5550 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	6,475 g/cm^3 (25 °C)
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 2,9 · 10^−3)
Schmelzpunkt	1208 K (935 °C)
Siedepunkt	3403 K (3130 °C)
Molares Volumen	20,80 · 10^−6 m^3·mol^−1
Verdampfungsenthalpie	331 kJ/mol
Schmelzenthalpie	6,9 kJ·mol^−1
Schallgeschwindigkeit	2280 m·s^−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	1,43 · 10^6S·m^−1
Wärmeleitfähigkeit	13 W·m^−1·K^−1
Chemisch
Oxidationszustände	+2, +3, +4
Normalpotential	−2,35 V (Pr^3+ + 3 e^− → Pr)
Elektronegativität	1,13 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP ^137Pr {syn.} 1,28 h ε 2,702 ^137Ce ^138Pr {syn.} 1,45 min ε 4,437 ^138Ce ^139Pr {syn.} 4,41 h ε 2,129 ^139Ce ^140Pr {syn.} 3,39 min ε 3,388 ^140Ce ^141Pr 100 % Stabil ^142Pr {syn.} 19,12 h β^− 2,162 ^142Nd ε 0,745 ^142Ce ^143Pr {syn.} 13,57 d β^− 0,934 ^143Nd ^144Pr {syn.} 17,28 min β^− 2,997 ^144Nd ^145Pr {syn.} 5,984 h β^− 1,805 ^145Nd
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in rad·T^−1·s^−1 Er (^1H) fL bei B = 4,7 T in MHz ^141Pr 5/2 8,1397 · 10^7 30,062
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 250 P: 222​‐​231​‐​422
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

1838 entdeckte Carl Gustav Mosander in Cerit ein neues Element, das er Lanthan nannte. Mosander untersuchte das Lanthan weiter und konnte 1940 amethystfarbenes Lanthansulfat in zwei Fraktionen teilen. Zum einen erhielt er farblose Kristalle, für die er den Namen Lanthan beibehielt und zum anderen rote eines weiteren Elementes. Für dieses wählte er den Namen Didym nach dem griechischen δίδυμος, ‚Zwilling‘. Während er Lanthanoxid in sehr guter Reinheit gewinnen konnte, gelang ihm dies beim Didym nicht. Mosander vermutete, dass Didym ein Doppelsalz mit einem anderen Element, wahrscheinlich Lanthan, bildete, konnte die Bestandteile aber nicht trennen.

Marc Delafontaine verglich 1878 Didym, das aus Samarskit gewonnen wurde, mit dem aus Cerit extrahierten. Dabei erkannte er, dass die Absorptionsspektren unterschiedlich waren, dass Didym also eine Mischung mehrerer Elemente sein musste. 1879 konnte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Samarium aus Didym isolieren. Sowohl Per Teodor Cleve als auch Bohuslav Brauner versuchten, das Atomgewicht des Didyms zu bestimmen. Dabei stellten sie fest, dass bei fraktionierter Kristallisation verschiedene Fraktionen unterschiedliche Gewichte von 142 bis 146 aufwiesen, also verschiedene Elemente enthalten sein mussten.

Schließlich gelang es 1885 Carl Auer von Welsbach, Didym durch fraktionierte Kristallisation der Ammonium-Didym-Nitrate (NH₄)₂Di(NO₃)₅ · 4H₂O in zwei verschiedene Salze zu trennen. Eines der Elemente zeigte sowohl in Lösung als auch in verschiedenen Salzen eine grüne Farbe, während das andere eine rosafarbene Lösung und amethystfarbene Kristalle bildete. Ein weiterer, von Auer von Welsbach gefundener Unterschied war es, dass das „grüne Element“ ein zweites, schwarzbraunes, leicht zum grünen Sesquioxid reduzierbares Oxid bildete, was das zweite Element nicht machte. Er nannte das erste Element auf Grund der typischen Farbe nach dem griechischen πράσινος prásinos, ‚grün‘ Praseodym (der „grüne Zwilling“), das zweite nach dem griechischen νεοσ neos ‚neu‘ Neodym (der „neue Zwilling“).

Die Darstellung metallischen Praseodyms gelang 1903 Wilhelm Muthmann durch Elektrolyse geschmolzenen Praseodym(III)-chlorids. Dabei störte die plötzliche und heftige Bildung von Praseodym(III,IV)-oxid in Form einer schwarzen, nicht schmelzbaren Schlacke. Diese Reaktion konnt Muthmann durch eine langsame Erhöhung der Stromstärke auf maximal 70 Ampere vermeiden. Für das Metall konnte er ein spezifisches Gewicht von 6,4754 und einen Schmelzpunkt von 940 °C bestimmen, was nahe an den tatsächlichen Werten liegt.

Erstmals verwendet wurde Praseodym 1927, als die Auergesellschaft zum 70. Geburstag von Carl Auer von Welsbach zwei Glasvasen herstellte, die mit Praseodym und Neodym grün beziehungsweise violett gefärbt waren. Ab 1929 stellte Moser unter dem Markennamen Prasemit auch kommerziell Vasen her, die mit Praseodym gefärbt waren.

Vorkommen

Praseodym kommt in natürlicher Form nur in chemischen Verbindungen vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden, hauptsächlich in folgenden Mineralien vor:

• Cerit
• Monazit
• Bastnäsit

Die weltweiten Reserven werden auf 4 Millionen Tonnen geschätzt.

Gewinnung und Herstellung

Wie bei allen Lanthanoiden werden zuerst die Erze durch Flotation angereichert, danach die Metalle in entsprechende Halogenide umgewandelt und durch fraktionierte Kristallisation, Ionenaustausch oder Extraktion getrennt.

Das Metall wird durch Schmelzflusselektrolyse oder Reduktion mit Calcium gewonnen.

${\displaystyle \mathrm {2\ PrF_{3}\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Pr\ +\ 3\ CaF_{2}} }$

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Praseodym ist ein weiches, silberweißes paramagnetisches Metall, das zu den Lanthanoiden und Metallen der Seltenen Erden gehört. Bei 798 °C wandelt sich das hexagonale α-Pr in das kubisch-raumzentrierte β-Pr um.

Chemische Eigenschaften

Bei hohen Temperaturen verbrennt Praseodym zum Sesquioxid Pr₂O₃. Es ist in Luft etwas korrosionsbeständiger als Europium, Lanthan oder Cer, bildet aber leicht eine grüne Oxidschicht aus, die an der Luft abblättert. Mit Wasser reagiert es unter Bildung von Wasserstoff zum Praseodymhydroxid (Pr(OH)₃). Praseodym tritt in seinen Verbindungen drei- und vierwertig auf, wobei die dreiwertige Oxidationszahl die häufigere ist. Pr(III)-Ionen sind gelbgrün, Pr(IV)-Ionen gelb. Unter besonderen reduktiven Bedingungen kann auch zweiwertiges Praseodym erzeugt werden, z. B. im Praseodym(II,III)-iodid (Pr₂I₅).

Isotope

Natürliches Praseodym besteht nur aus dem stabilen Isotop ¹⁴¹Pr. 38 weitere radioaktive Isotope sind bekannt, wobei ¹⁴³Pr und ¹⁴²Pr mit einer Halbwertszeit von 13,57 Tagen beziehungsweise 19,12 Stunden die langlebigsten sind. Alle anderen Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 6 Stunden, die meisten sogar weniger als 33 Sekunden. Es gibt auch 6 metastabile Zustände, wobei ^138mPr (t_½ 2,12 Stunden), ^142mPr (t_½ 14,6 Minuten) und ^134mPr (t_½ 11 Minuten) die stabilsten sind.

Die Isotope bewegen sich in einem Atommassenbereich von 120,955 (¹²¹Pr) bis 158,955 (¹⁵⁹Pr).

Verwendung

• Praseodym wird in Legierungen mit Magnesium zur Herstellung von hochfestem Metall für Flugzeugmotoren verwendet.
• Legierungen mit Cobalt und Eisen sind starke Dauermagnete.
• Praseodymverbindungen werden zum Färben von Glas und Emaille verwendet (zum Beispiel in grün gefärbten Scheinwerfergläsern in der Beleuchtungstechnik).
• Die Verbindungen verbessern auch die UV-Absorption und werden für Augenschutzgläser beim Schweißen benutzt.
• Das Praseodym-Ion Pr³⁺ wird als Dotant für Lasermedien in Feststofflasern verwendet. So kommt es beispielsweise in Pr³⁺:LiYF₄-Lasern vor.

Verbindungen

Oxide

• grünes Praseodym(III)-oxid (Pr₂O₃)
• braun-schwarzes Praseodym(III,IV)-oxid (Pr₆O₁₁)
• fast schwarzes Praseodym(IV)-oxid (PrO₂)

Halogenide

Bekannt sind von allen Oxidationsstufen mehrere Halogenide beispielsweise Praseodym(III)-fluorid (PrF₃), Praseodym(IV)-fluorid (PrF₄), Praseodym(III)-chlorid (PrCl₃), Praseodym(III)-bromid (PrBr₃), Praseodym(III)-iodid (PrI₃), Praseodym(II,III)-iodid (Pr₂I₅). Die dreiwertigen Halogenide bilden verschiedene Hydrate.

Außerdem bildet es mehrere Fluoridokomplexe wie z. B. das K₂[PrF₆] mit vierwertigem Pr.

Andere Verbindungen

Binäre Verbindungen sind z. B. Praseodym(III)-sulfid (Pr₂S₃), Praseodymnitrid (PrN), Praseodymphosphid (PrP).

Daneben ist Praseodym in diversen Salzen, wie dem hygroskopischen Praseodym(III)-nitrat (Pr(NO₃)₃ · x H₂O), dem schön kristallisierenden Praseodym(III)-sulfat (Pr₂(SO₄)₃ · 8 H₂O) und anderen vertreten.

Eine Übersicht über Praseodymverbindungen bietet die Kategorie:Praseodymverbindung.

• Praseodym(III)-sulfat Octahydrat
• Praseodym(III)-chlorid Heptahydrat