Празеодимявляется третьим по распространенности лантаноидным элементом в периодической таблице химических элементов, его содержание в земной коре составляет 9,5 частей на миллион, что лишь ниже, чемцерий, иттрий,лантан, искандий. Это пятый по распространенности элемент среди редкоземельных элементов. Но, как и его имя,празеодим— простой и неприукрашенный представитель редкоземельного семейства.
К. Ф. Ауэр фон Вельсбах открыл празеодим в 1885 году.
В 1751 году шведский минералог Аксель Фредрик Кронстедт обнаружил в горнодобывающем районе 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 полезных ископаемых вместе с Йёнсом Якобом Берцелиусом и выделил новый оксид — карликовую планету Цереру, которую они открыли два года назад. Церия была независимо отделена 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 лантаном и дидимией «дидимия» (что в переводе с греческого означает «близнецы»). Он частично разложилнитрат церияобразец, прожарив его на воздухе, а затем обработав разбавленной азотной кислотой для получения оксида. Поэтому металлы, образующие эти оксиды, получили названиелантанипразеодим.
В 1885 году К. Ф. Ауэр фон Вельсбах, австрийский изобретатель ториево-цериевой лампы, успешно отделил «празеодим-неодим», «сиамских близнецов», из которых были выделены зеленая соль празеодима и розовая соль неодима, и было установлено, что они представляют собой два новых элемента. Один из них называется «Празеодим», что происходит от греческого слова «прасон», что означает «зеленое соединение», поскольку раствор соленой воды празеодима имеет ярко-зеленый цвет; Другой элемент называется «Неодим«. Успешное разделение «сиамских близнецов» позволило им проявить свои таланты самостоятельно.
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 воздействии воздуха 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 a+3, которая является его единственным стабильным состоянием в водных растворах. Празеодим существует в степени окисления +4 в некоторых известных твердых соединениях, а в условиях матричного разделения он может достигать уникальной степени окисления +5 среди элементов-лантанидов.
Водный ион празеодима представляет собой зеленовато-зеленый цвет, и многие промышленные применения празеодима связаны с его способностью фильтровать желтый свет в источниках света.
Электронная раскладка 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 использоваться в качестве валентных электронов, но использование всех пяти внешних электронов требует экстремальных условий. Обычно празеодим в своих соединениях испускает только три или четыре электрона. Празеодим — первый элемент лантаноида, электронная конфигурация которого 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 не происходит до тех пор, пока не произойдет лантан, и его недостаточно, чтобы избежать занятия 5d-оболочки в церии. Тем не менее, твердый празеодим имеет конфигурацию [Xe] 4f25d16s2, в которой один электрон в 5d-оболочке напоминает все другие трехвалентные элементы-лантаниды (за исключением европия и иттербия, которые двухвалентны в металлических состояниях).
Как и большинство элементов-лантанидов, празеодим обычно использует только три электрона в качестве валентного электрона, а оставшиеся 4f-электроны обладают сильным связывающим эффектом: это связано с тем, что орбита 4f проходит через инертное ксеноновое ядро электрона, чтобы достичь ядра, за которым следуют 5d и 6s. и увеличивается с увеличением заряда иона. Однако празеодим все еще может продолжать терять четвертый, а иногда и пятый валентный электрон, поскольку он появляется очень рано в системе лантаноидов, где заряд ядра еще достаточно мал, а энергия подоболочки 4f достаточно высока, чтобы обеспечить удаление больше валентного электрона.
Празеодим и все элементы лантаноидов (кромелантан, иттербийилютеций, неспаренных 4f-электронов нет) являются парамагнетизмом при комнатной температуре. В отличие от других редкоземельных металлов, проявляющих антиферромагнитное или ферромагнитное упорядочение при низких температурах, празеодим проявляет парамагнетизм при всех температурах выше 1 К.
Применение празеодима
Празеодим в основном используется в виде смеси редкоземельных элементов, например, в качестве очищающего и модифицирующего агента для металлических материалов, химических катализаторов, редкоземельных металлов в сельском хозяйстве и так далее.Празеодим неодим— наиболее сходная и трудно поддающаяся разделению пара редкоземельных элементов, которую трудно разделить химическими методами. В промышленном производстве обычно используются методы экстракции и ионного обмена. Если они используются парами в форме обогащенного празеодима-неодима, их общность может быть полностью использована, а цена также дешевле, чем у одноэлементных продуктов.
Празеодимовый сплав неодима(празеодим (металлический неодим)стал самостоятельным продуктом, который может использоваться как в качестве материала для постоянных магнитов, так и в качестве модифицирующей добавки для сплавов цветных металлов. Активность, селективность и стабильность катализатора крекинга нефти можно улучшить путем добавления концентрата празеодима и неодима в молекулярное сито Y-цеолита. В качестве добавки для модификации пластика добавление празеодима и неодима к политетрафторэтилену (ПТФЭ) может значительно улучшить износостойкость ПТФЭ.
Редкая земляМатериалы с постоянными магнитами сегодня являются самой популярной областью применения редкоземельных элементов. Празеодим сам по себе не является выдающимся материалом для постоянных магнитов, но является отличным синергетическим элементом, который может улучшить магнитные свойства. Добавление соответствующего количества празеодима может эффективно улучшить характеристики материалов постоянных магнитов. Он также может улучшить антиоксидантные характеристики (стойкость к воздушной коррозии) и механические свойства магнитов и широко используется в различных электронных устройствах и двигателях.
Празеодим также можно использовать для шлифовки и полировки материалов. Как мы все знаем, полировальный порошок на основе чистого церия обычно светло-желтого цвета, который является высококачественным полировальным материалом для оптического стекла и заменил красный порошок оксида железа, который имеет низкую эффективность полировки и загрязняет производственную среду. Люди обнаружили, что празеодим обладает хорошими полирующими свойствами. Полировальный порошок редкоземельных элементов, содержащий празеодим, будет иметь красновато-коричневый цвет, также известный как «красный порошок», но этот красный цвет не является красным оксидом железа, а из-за присутствия оксида празеодима цвет полировального порошка редкоземельных элементов становится темнее. Празеодим также использовался в качестве нового шлифовального материала для изготовления корундовых шлифовальных кругов, содержащих празеодим. По сравнению с белым глиноземом эффективность и долговечность могут быть повышены более чем на 30% при шлифовании углеродистой конструкционной стали, нержавеющей стали и жаропрочных сплавов. Чтобы снизить затраты, в прошлом в качестве сырья часто использовались материалы, обогащенные празеодимом и неодимом, отсюда и название празеодим-неодим-корундовый шлифовальный круг.
Силикатные кристаллы, легированные ионами празеодима, использовались для замедления световых импульсов до нескольких сотен метров в секунду.
Добавление оксида празеодима к силикату циркония приобретет ярко-желтый цвет и может быть использовано в качестве керамического пигмента – празеодима желтого. Празеодим желтый (Zr02-Pr6Oll-Si02) считается лучшим желтым керамическим пигментом, который остается стабильным до 1000 ℃ и может использоваться для одноразовых или дожигательных процессов.
Празеодим также используется в качестве красителя для стекла, он имеет насыщенные цвета и имеет большой потенциал рынка. Можно производить изделия из празеодимового зеленого стекла ярко-зеленого цвета лука-порея и зеленого лука, которые можно использовать для производства зеленых фильтров, а также для изготовления стекла для декоративно-прикладного искусства. Добавив в стекло оксиды празеодима и оксида церия, можно использовать их в качестве очков для сварки. Сульфид празеодима также можно использовать в качестве зеленого красителя для пластика.
Время публикации: 29 мая 2023 г.