Praseodym
Vorlage:Infobox Chemisches Element
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 Vorlage:Lang (mit Nebenform Vorlage:Lang) bedeutet „grün“, Vorlage:Lang „doppelt“ oder „Zwilling“.
Geschichte
1838 entdeckte Carl Gustav Mosander in Cerit ein neues Element, das er Lanthan nannte. Mosander untersuchte das Lanthan weiter und konnte 1840 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 Vorlage:Lang „Zwilling“ (sc. des Lanthans).<ref>Carl Gustav Mosander: Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lanthanium und Didymium, sowie über die mit der Yttererde vorkommenden neuen Metalle Erbium und Terbium. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 60, 1843, S. 297–315 (Digitalisat in der deutschen Wikisource).</ref> 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.<ref>Levy Tansjö: Carl Gustav Mosander and his research of rare earths. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 42–49.</ref>
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.<ref>M. Delafontaine: La didyme de la cérite est probablement un mélange de plusiers corps. In: Comptes Rendus. Band 78, 1878, S. 634–635 (Vorlage:Gallica).</ref> 1879 konnte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Samarium aus Didym isolieren.<ref>Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Recherches sur le samarium, radical d’une terre nouvelle extraite de la samarskite. In: Comptes Rendus. Band 89, 1879, S. 212–214 (Vorlage:Gallica).</ref><ref>F. Szabadvary, C. Evans: The 50 Years following Mosander. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 59–60.</ref> 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.<ref>Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 37–39.</ref>
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 Vorlage:Lang (mit Nebenform Vorlage:Lang) „grün“ Praseodym (quasi „grüner Zwilling“), das zweite nach dem griechischen Vorlage:Lang „neu“ Neodym (quasi „neuer Zwilling“).<ref>Carl Auer v. Welsbach: Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente. In: Monatshefte für Chemie. 6 (1), 1885, S. 477–491, hier S. 490; Vorlage:DOI.</ref><ref>Gerd Meyer: Die (ungleichen) Didymium-Zwillinge: Praseodym und Neodym. In: Chemie in unserer Zeit. 2001, Band 35, Nummer 2, S. 116–123, Vorlage:DOI.</ref>
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 konnte 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.<ref>W. Muthmann, L. Weiss: I. Untersuchungen über die Metalle der Cergruppe. In: Justus Liebig s Annalen der Chemie. 1904, Band 331, Nummer 1, S. 1–46 Vorlage:DOI.</ref>
Erstmals verwendet wurde Praseodym 1927, als die Auergesellschaft zum 70. Geburtstag von Carl Auer von Welsbach zwei Glasvasen herstellte, die mit Praseodym und Neodym grün beziehungsweise violett gefärbt waren.<ref>Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 37–39.</ref> Ab 1929 stellte Moser unter dem Markennamen Prasemit auch kommerziell Vasen her, die mit Praseodym gefärbt waren.<ref>Jan Mergl, Lenka Merglová Pánková: Moser 1857-2017. 1. Auflage, Moser, ISBN 978-80-270-1135-3, S. 123 (online).</ref>
Vorkommen
Praseodym ist mit einem Gehalt von 9,2 ppm in der kontinentalen Erdkruste auf der Erde ein seltenes Element. Seine Häufigkeit ist vergleichbar mit der von anderen Elementen wie Thorium oder Bor. Unter den Seltenerdmetallen sind die anderen leichten Seltenen Erden Cer, Neodym und Lanthan sowie Yttrium und Scandium häufiger, Samarium, Gadolinium und Dysprosium etwas seltener.<ref name="CRC">Vorlage:CRC Handbook</ref> Wie die anderen Lanthanoide ist Praseodym ein lithophiles Element, das vorwiegend in der Lithosphäre der Erde zu finden ist. Geochemisch wirkt Praseodym als ein inkompatibles Element, das sich beim teilweisen Schmelzen und der fraktionierten Kristallisation von Magma bevorzugt in der Schmelze anreichert. Es ist daher stärker in der kontinentalen Erdkruste im Vergleich zum Erdmantel konzentriert.<ref name="EncyclGeochem">Scott M. McLennan: Praseodymium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 1257–1258.</ref>
Es sind keine Minerale mit Praseodym als Hauptbestandteil bekannt, das Element kommt stets als Bestandteil von Ceriterden wie Monazit, Bastnäsit oder Allanit vor. Der Praseodymgehalt unterscheidet sich je nach Mineralart und Vorkommen. Besonders praseodymreicher Bastnäsit mit einem Anteil von 6,2 % wurde in Bayan Obo in China gefunden, andere Vorkommen in China oder Mountain Pass (Vereinigte Staaten) enthalten 4–4,5 % des Elementes.<ref>Jihye Kim, Junhyun Choi, Sugyeong Lee: A Review of Rare Earth Elements Recovery from Bastnaesite Ore: From Beneficiation to Metallurgical Processing. In: Journal of Sustainable Metallurgy. Band 11, 2025, S. 773–798, Vorlage:DOI.</ref> Monazit enthält typischerweise etwa 3 % Praseodym<ref>X. Zhu, R. O'Nions: Monazite chemical composition: some implications for monazite geochronology. In: Contributions to Mineralogy and Petrology. Band 137, 1999, S. 351–363, Vorlage:DOI.</ref>, Allanit 1–2 %.<ref>Zhongqing Xiao, Wencai Zhang: Review of allanite: Properties, occurrence and mineral processing technologies. In: Green and Smart Mining Engineering. Band 1, Nr. 1, 2024, S. 40–52, Vorlage:DOI.</ref>
Praseodym ist unter den Lanthanoiden das Element, das nach Cer am leichtesten zum vierwertigen Ion oxidiert werden kann, jedoch ist diese Oxidation deutlich schwieriger als beim Cer. Es kann unter den meisten geologischen Bedingungen auf der Erde oder im Sonnensystem, wie Magma oder heißen hydrothermalen Lösungen, nicht oxidiert werden. Eine Oxidation ist nur dann möglich, wenn eine sowohl kalte als auch stark oxidative Umgebung vorliegt. Vierwertiges Praseodym und damit eine positive Praseodym-Anomalie (mehr Pr als erwartet) konnte in einigen Funden von Stetindit-(Ce) Ce4+(SiO4) und Cerianit-(Ce) Ce4+O2 nachgewiesen werden.<ref>Michael Anenburg, Antony D. Burnham, Jessica L. Hamilton: Quadrivalent praseodymium in planetary materials. In: American Mineralogist. Band 105, 2020, S. 1802–1811, Vorlage:DOI.</ref>
Zu den Orten mit den größten und wichtigsten Vorkommen an Ceriterden zählen Bayan Obo in der Volksrepublik China, Araxá in Brasilien, Amba Dongar in Indien, Mount Weld in Australien, Kuannersuit auf Grönland, Lowosero in Russland sowie die Bear Lodge Mountains in Wyoming und Mountain Pass in Kalifornien, Vereinigte Staaten.<ref>M.P. Smith, K. Moore, D. Kavecsánszki, A.A. Finch, J. Kynicky, F. Wall: From mantle to critical zone: A review of large and giant sized deposits of the rare earth elements. In: Geoscience Frontiers. Band 7, 2016, S. 315–334, doi:10.1016/j.gsf.2015.12.006.</ref> Insbesondere in Bayan Obo befinden sich große Mengen Praseodym. Die Gesamtreserven an Seltenerdelementen in Bayan Obo werden auf 57,1 Millionen Tonnen oder etwa 42 % der Reserven auf der ganzen Welt geschätzt. Von diesen ist der größte Teil Cer, Lanthan und Neodym, aber auch 5 % Praseodym.<ref>Hong-Rui Fan, Kui-Feng Yang, Fang-Fang Hu, Shang Liu, Kai-Yi Wang: The giant Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit, China: Controversy and ore genesis. In: Geoscience Frontiers. Band 7, Nr. 3, 2016, S. 335–344, doi:10.1016/j.gsf.2015.11.005.</ref>
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.
- <math>\mathrm{2\ PrF_3\ +\ 3\ Ca\ \longrightarrow \ 2\ Pr\ +\ 3\ CaF_2}</math>
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 (t½ 2,12 Stunden), 142mPr (t½ 14,6 Minuten) und 134mPr (t½ 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.
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Praseodym(III)-sulfat Octahydrat
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Praseodym(III)-chlorid Heptahydrat
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Weblinks
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Einzelnachweise
<references />