Празеодимявляется третьим по распространенности элементом-лантаноидом в периодической таблице химических элементов, с распространенностью 9,5 ppm в земной коре, что ниже толькоцерий, иттрий,лантан, искандий. Это пятый по распространенности элемент среди редкоземельных элементов. Но, как и его имя,празеодим— простой и незамысловатый представитель семейства редкоземельных элементов.
К. Ф. Ауэр фон Вельсбах открыл празеодим в 1885 году.
В 1751 году шведский минералог Аксель Фредрик Кронштедт нашел в районе добычи Бастнес тяжелый минерал, который позже был назван церитом. Тридцать лет спустя пятнадцатилетний Вильгельм Хизингер из семьи, владевшей рудником, отправил свои образцы Карлу Шееле, но он не обнаружил никаких новых элементов. В 1803 году, после того как Зингер стал кузнецом, он вернулся в район добычи с Йенсом Якобом Берцелиусом и выделил новый оксид, карликовую планету Церера, которую они открыли два года назад. Церий был выделен независимо Мартином Генрихом Клапротом в Германии.
Между 1839 и 1843 годами шведский хирург и химик Карл Густав Мосандер обнаружил, чтооксид церияпредставлял собой смесь оксидов. Он выделил два других оксида, которые назвал лантана и дидимия «дидимия» (что означает «близнецы» по-гречески). Он частично разложилнитрат церияобразец, прокаливая его на воздухе, а затем обрабатывая его разбавленной азотной кислотой, чтобы получить оксид. Металлы, которые образуют эти оксиды, поэтому называютсялантанипразеодим.
В 1885 году CF Auer Von Welsbach, австриец, который изобрел сетчатый колпак для торий-цериевой лампы, успешно отделил «празеодим-неодим», «сросшихся близнецов», из которых были отделены зеленая соль празеодима и розовая соль неодима, и были определены как два новых элемента. Один из них назван «Празеодим», что происходит от греческого слова prason, что означает зеленое соединение, потому что раствор соли празеодима в воде будет иметь ярко-зеленый цвет; Другой элемент назван «неодимовый«. Успешное разделение «сиамских близнецов» позволило им проявить свои таланты независимо друг от друга.
Серебристо-белый металл, мягкий и пластичный. Празеодим имеет гексагональную кристаллическую структуру при комнатной температуре. Коррозионная стойкость на воздухе выше, чем у лантана, церия, неодима и европия, но при контакте с воздухом образуется слой хрупкого черного оксида, и образец металлического празеодима размером в один сантиметр полностью корродирует примерно за год.
Как и большинстворедкоземельные элементы, празеодим, скорее всего, образует степень окисления +3, которая является его единственным стабильным состоянием в водных растворах. Празеодим существует в степени окисления +4 в некоторых известных твердых соединениях, и в условиях разделения матрицы он может достигать уникальной степени окисления +5 среди лантаноидов.
Водный ион празеодима имеет зеленовато-желтый цвет, и многие промышленные применения празеодима связаны с его способностью фильтровать желтый свет в источниках света.
Электронная схема празеодима
Электронная эмиссия:
1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 4с2 3д10 4п6 5с2 4д10 5п66с2 4ф3
59 электронов празеодима расположены как [Xe] 4f36s2. Теоретически все пять внешних электронов могут быть использованы в качестве валентных электронов, но использование всех пяти внешних электронов требует экстремальных условий. Обычно празеодим испускает только три или четыре электрона в своих соединениях. Празеодим является первым элементом-лантаноидом с электронной конфигурацией, которая соответствует принципу Ауфбау. Его 4f-орбиталь имеет более низкие энергетические уровни, чем 5d-орбиталь, что неприменимо к лантану и церию, поскольку внезапное сокращение 4f-орбитали происходит только после лантана и недостаточно, чтобы избежать занятия 5d-оболочки в церии. Тем не менее, твердый празеодим демонстрирует конфигурацию [Xe] 4f25d16s2, где один электрон в оболочке 5d напоминает все другие трехвалентные элементы лантаноидов (за исключением европия и иттербия, которые являются двухвалентными в металлических состояниях).
Как и большинство лантаноидов, празеодим обычно использует только три электрона в качестве валентного электрона, а оставшиеся 4f-электроны имеют сильный связывающий эффект: это происходит потому, что 4f-орбита проходит через инертное ксеноновое ядро электрона, чтобы достичь ядра, за которым следуют 5d и 6s, и увеличивается с увеличением ионного заряда. Однако празеодим все еще может продолжать терять четвертый и даже иногда пятый валентный электрон, потому что он появляется очень рано в системе лантаноидов, где ядерный заряд все еще достаточно низок, а энергия подоболочки 4f достаточно высока, чтобы позволить удалить больше валентных электронов.
Празеодим и все лантаноиды (кромелантан, иттербийилютеций, нет неспаренных 4f-электронов) являются парамагнетиками при комнатной температуре. В отличие от других редкоземельных металлов, которые проявляют антиферромагнитное или ферромагнитное упорядочение при низких температурах, празеодим является парамагнетиком при всех температурах выше 1К
Применение празеодима
Празеодим в основном используется в форме смешанных редкоземельных элементов, например, в качестве очищающего и модифицирующего агента для металлических материалов, химических катализаторов, сельскохозяйственных редкоземельных элементов и т. д.Празеодим неодимнаиболее похожая и трудноразделимая пара редкоземельных элементов, которую трудно разделить химическими методами. Промышленное производство обычно использует методы экстракции и ионного обмена. Если они используются в парах в виде обогащенного празеодима неодима, их общность может быть полностью использована, а цена также ниже, чем у продуктов с одним элементом.
Празеодим-неодимовый сплав(празеодим (неодимовый металл)стал самостоятельным продуктом, который может использоваться как постоянный магнитный материал и модифицирующая добавка для сплавов цветных металлов. Активность, селективность и стабильность катализатора крекинга нефти могут быть улучшены путем добавления концентрата празеодима-неодима в молекулярное сито Y-цеолита. В качестве пластичной модифицирующей добавки добавление обогащения празеодима-неодима к политетрафторэтилену (ПТФЭ) может значительно улучшить износостойкость ПТФЭ.
Редкоземельные элементыМатериалы для постоянных магнитов являются сегодня самой популярной областью применения редкоземельных элементов. Празеодим сам по себе не является выдающимся материалом для постоянных магнитов, но он является превосходным синергетическим элементом, который может улучшить магнитные свойства. Добавление соответствующего количества празеодима может эффективно улучшить характеристики материалов для постоянных магнитов. Он также может улучшить антиоксидантные характеристики (стойкость к коррозии на воздухе) и механические свойства магнитов и широко используется в различных электронных устройствах и двигателях.
Празеодим также может использоваться для шлифования и полирования материалов. Как мы все знаем, чистый полировальный порошок на основе церия обычно светло-желтого цвета, который является высококачественным полировальным материалом для оптического стекла и заменил красный порошок оксида железа, который имеет низкую эффективность полирования и загрязняет производственную среду. Люди обнаружили, что празеодим обладает хорошими полирующими свойствами. Редкоземельный полировальный порошок, содержащий празеодим, будет казаться красновато-коричневым, также известным как «красный порошок», но этот красный цвет не является красным оксидом железа, но из-за присутствия оксида празеодима цвет редкоземельного полировального порошка становится темнее. Празеодим также использовался в качестве нового шлифовального материала для изготовления корундовых шлифовальных кругов, содержащих празеодим. По сравнению с белым оксидом алюминия эффективность и долговечность могут быть улучшены более чем на 30% при шлифовании углеродистой конструкционной стали, нержавеющей стали и жаропрочных сплавов. В целях снижения затрат в прошлом в качестве сырья часто использовались материалы, обогащенные празеодимом-неодимом, отсюда и название — шлифовальный круг на основе празеодима-неодима и корунда.
Кристаллы силиката, легированные ионами празеодима, использовались для замедления световых импульсов до нескольких сотен метров в секунду.
Добавление оксида празеодима к силикату циркония придаст ярко-желтый цвет и может быть использован в качестве керамического пигмента – празеодимовый желтый. Празеодимовый желтый (Zr02-Pr6Oll-Si02) считается лучшим желтым керамическим пигментом, который остается стабильным при температуре до 1000 ℃ и может использоваться для одноразовых или повторных процессов обжига.
Празеодим также используется в качестве красителя для стекла, с насыщенными цветами и большим потенциальным рынком. Можно производить изделия из зеленого стекла с яркими цветами лука-порея и зеленого лука-шалота, которые можно использовать для производства зеленых фильтров, а также для стекла для декоративно-прикладного искусства. Добавление оксида празеодима и оксида церия в стекло может использоваться в качестве защитных очков для сварки. Сульфид празеодима также можно использовать в качестве зеленого красителя для пластика.
Время публикации: 29 мая 2023 г.