Prazeodijum

Prazeodijum
Opšta svojstva
Ime, simbol	prazeodijum, Pr
Izgled	sivkasto beo
U periodnome sistemu
cerijum ← prazeodijum → neodijum	‍
Atomski broj (Z)	59
Grupa, perioda	grupa N/D, perioda 6
Blok	f-blok
Kategorija	lantanoid
Rel. at. masa (Ar)	140,90766(2)
El. konfiguracija
po ljuskama	2, 8, 18, 21, 8, 2
Fizička svojstva
Agregatno stanje	čvrsto
Tačka topljenja	1208 K (935 °‍C, 1715 °F)
Tačka ključanja	3403 K (3130 °‍C, 5666 °F)
Gustina pri s.t.	6,77 g/cm3
tečno st., na t.t.	6,50 g/cm3
Toplota fuzije	6,89 kJ/mol
Toplota isparavanja	331 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet	27,20 J/(mol·K)
Atomska svojstva
Elektronegativnost	1,13
Energije jonizacije	1: 527 kJ/mol ; 2: 1020 kJ/mol ; 3: 2086 kJ/mol
Atomski radijus	182 pm
Kovalentni radijus	203±7 pm
	Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura	dupla zbijena heksagonalna; (dHCP)
Brzina zvuka tanak štap	2280 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje	α, poli: 6,7 µm/(m·K) (na s.t.)
Topl. vodljivost	12,5 W/(m·K)
Elektrootpornost	α, poli: 0,700 µΩ·m (na s.t.)
Magnetni raspored	paramagnetičan
Magnetna susceptibilnost (χmol)	+5010,0·10−6 cm3/mol(293 K)
Jangov modul	α form: 37,3 GPa
Modul smicanja	α form: 14,8 GPa
Modul stišljivosti	α form: 28,8 GPa
Poasonov koeficijent	α form: 0,281
Vikersova tvrdoća	250–745 MPa
Brinelova tvrdoća	250–640 MPa
CAS broj	7440-10-0
Istorija
Otkriće	Karl Auer (1885)
Glavni izotopi
ε	142Ce
	reference • Vikipodaci

Prazeodijum (Pr, lat. praseodymium), je hemijski elemenat iz grupe lantanoida.^[7]^[8] Ime je dobio od grčkih reči πρασιoς (prasios) i διδυμoς (didymos) koje zajedno imaju značenje „zeleni blizanac“.

Prazeodijum je zastupljen u Zemljinoj kori u količini od 9,5 ppm (engl. parts per million).^[9] Najvažniji minerali prazeodijuma su: monacit (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr)PO₄ i (Ce,La,Nd,Y,Pr)CO₃F

Istorija

Prazeodijum

Godine 1751. švedski mineralog Aksel Kronstedt otkrio je jedan teški mineral u rudniku kod Bastnasa, kasnije nazvan cerit. Trideset godina kasnije, petnaestogodišnji dečak Vilhelm Hisinger, čija porodica je bila vlasnik rudnika, poslao je uzorak tog minerala hemičaru Karlu Vilhelmu Šelu, koji nije pronašao ni jedan novi element u tom mineralu. Godine 1803. nakon što je Hisiger odrastao i postao metalurg, vratio je mineral Bercelijusu koji je iz njega izolovao novi oksid, davši mu naziv cerija, prema patuljastoj planeti Cereri, otkrivenoj dve godine ranije.^[10] Retku zemlju ceriju istovremeno i nezavisno od njega izolovao je i Martin Hajnrih Klaprot u Nemačkoj.^[11] Između 1839. i 1843. švedski hirurg i hemičar Karl Gustaf Mosander dokazao je da je cerija smeša određenih oksida. On je razdvojio još dva oksida iz nje, te ih nazvao lantana i didima.^[12]

Per Teodor Kliv je 1874. primetio da se kod didima radi zapravo o dva elementa. Iz didima, koji je dobio iz minerala samarskita, Lekok de Buabodran je 1879. izdvojio element samarijum. Godine 1885. Karlu Aueru je uspelo da razdvoji didim na elemente prazeodijum i neodijum, koji grade soli različitih boja.^[13]

Osobine

Kristalna struktura prazeodijuma

Fizičke osobine

Prazeodijum je duktilni metal čija se tvrdoća može uporediti sa srebrom.^[14] Njegovih 59 elektrona je organizovano u konfiguraciju [Xe]4f³6s². Teoretski, svih pet spoljašnjih elektrona bi se moglo ponašati kao valentni elektroni, međutim da bi svih pet bili valentni potrebni su ekstremni uslovi. Obično, prazeodijum daje do tri, a retko četiri elektrona u svojim jedinjenjima. On je prvi među lantanoidima sa elektronskom konfiguracijom koja odgovara Aufbau principu, koji predviđa da 4f orbitale imaju niže energetske nivoe od 5d orbitala. Ova pojava se javlja kod lantana i cerijuma, jer se nagla kontrakcija 4f orbitala ne javlja se sve do nakon lantana, a kod cerijuma nije dovoljno snažna da bi sprečila zauzimanje 5d podljuske. Ipak, prazeodijum u čvrstom stanju ima konfiguraciju [Xe]4f²5d¹6s², sa jednim elektronom u 5d podljusci kao i svi ostali trovalentni lantanoidi (svi osim evropijuma i iterbijuma, koji su dvovalentni u metalnom stanju).

Prazeodijum je meki, srebreno-sjajni paramagnetični metal, koji spada u lantanoide i metale retkih zemalja. Izložen vazduhu, nešto više je otporan na oksidaciju (koroziju) od evropijuma, lantana ili cerijuma, ali se prekriva bledo zelenim slojem oksida koji se ljušti. Pri temperaturi od 798°C prelazi iz heksagonalne strukture α-Pr u kubnu prostorno-centriranu β-Pr strukturu.

Hemijske osobine

Pri visokim temperaturama, prazeodijum gori dajući seskvioksid Pr₂O₃. Sa vodom reaguje gradeći prazeodijum hidroksid (Pr(OH)₃) istiskajući iz nje vodonik. U svojim jedinjenjima, on se nalazi u tro- i četvorovalentnom stanju, pri čemu se trovalentni oksidacioni broj javlja mnogo češće. Joni Pr(III) su zeleno-žuti, dok su joni Pr(IV) bez boje. Pod posebnim reduktivnim uslovima može se dobiti i dvovalentni prazeodijum npr. u prazeodijum(II,III) jodidu (Pr₂I₅).

Metal prazeodijum polako potamni na vazduhu, formirajući ljuskavi oksidni sloj poput gvozdene rđe; uzorak prazeodijuma veličine jednog centimetra potpuno korodira za oko godinu dana.^[15] On lako sagoreva na 150 °C formirajući prazeodijum(III,IV) oksid, nestehiometrijsko jedinjenje približne kompozicije Pr₆O₁₁:^[16]

12 Pr + 11 O₂ → 2 Pr₆O₁₁

Ono se može redukovati do prazeodijum(III) oksida (Pr₂O₃) pomoću vodoničnog gasa.^[17] Tamno obojeni prazeodijum(IV) oksid, PrO₂, predstavlja u najvećoj meri oksidovani produkat sagorevanja prazeodijuma i nastaje jedino reakcijom prazeodijuma sa čistim kiseonikom na 400 °C i 282 bar.^[17] Reaktivnost prazeodijuma je u skladu sa periodnim trendovima, jer je jedan od prvih i stoga jedan od najvećih lantanida.^[18] Na 1000 °C, mnogi prazeodijumski oksidi sa kompozicijom PrO_2−x postoje kao neuređene, nestehiometrijske faze sa 0 < x < 0.25, ali pri 400–700 °C oksidni defekti postaju uređeni, kreirajući faze sa hemijskom formulom Pr_nO_2n−2 sa n = 4, 7, 9, 10, 11, 12, i ∞. Ove faze PrO_y se ponekad obeležavaju α i β′ (nestehiometrijske), β (y = 1.833), δ (1.818), ε (1.8), ζ (1.778), ι (1.714), θ, i σ.^[19]

Izotopi

Prazeodijum u prirodi se sastoji samo iz jednog stabilnog izotopa ¹⁴¹Pr.^[20] Osim njega, poznato je još 38 drugih radioaktivnih izotopa, pri čemu su izotopi ¹⁴³Pr i ¹⁴²Pr sa vremenima poluraspada od 13,57 dana i 19,12 sati, najduže živući. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 6 sati, a većina od njih čak i manje od 33 sekunde. Takođe postoji šest nuklearnih izomera od kojih su najstabilniji ^138mPr (t_½ 2,12 sati), ^142mPr (t_½ 14,6 minuta) i ^134mPr (t_½ 11 minuta).

Izotopi se kreću u pogledu atomskih masa između 120,955 (¹²¹Pr) i 158,955 (¹⁵⁹Pr).

Rasprostranjenost

Prazeodijum se u prirodnom obliku javlja samo u svojim jedinjenjima, najčešće zajedno sa drugim lantanoidima, odnosno mineralima:

ceritom
monacitom ((Ce,La,Th,Nd,Y,Pr)PO₄)
bastnesitom (Ce,La,Nd,Y,Pr)CO₃F i
mišmetalom, koji sadrži od 3 do 5% prazeodijuma.

Njegova količina u zemljištu kreće se između 1 i 15 ppm (eng. part per million) odnosno od 0,0001% do 0,0015%. Njegov udeo u morskoj vodi iznosi 1 ppt (eng. part per trillion) odnosno 1 • 10^-10%. Prazeodijuma u atmosferi gotovo da i nema.^[10] Svetske rezerve prazeodijuma se procenjuju na oko 4 miliona tona.

Dobijanje

Kao i kod svih drugih lantanoida, prvo se ruda obogaćuje flotacijom, zatim se metali prevode u odgovarajuće halogenide, te se zatim razdvajaju raznim tehnikama kao što su frakciona kristalizacija, jonsko-izmenjivačka tehnika ili ekstrakcija.

Metalni prazeodijum se dobija elektrolizom rastvoreni soli ili redukcijom sa kalcijumom.

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

Upotreba

Prazeodijum se koristi u legurama sa magnezijumom za proizvodnju vrlo čvrstih materijala za avionske motore. Legure sa kobaltom i željezom su vrlo snažni stalni magneti. Jedinjenja prazeodijuma se koriste u industriji stakla i emajla za njihovo bojenje (na primer kod zeleno obojenih reflektorskih stakala za osvetljavanje). Njegova jedinjenja takođe poboljšavaju apsorpciju ultraljubičastog zračenja, što se koristi za izradu zaštitnih stakala za oči pri zavarivanju.

Jedinjenja

Oksidi

zeleni prazeodijum(III) oksid (Pr₂O₃)
smeđe-crni prazeodijum(III,IV) oksid (Pr₆O₁₁)
gotovo crni prazeodijum(IV) oksid (PrO₂)

Halogenidi

Poznat je veći broj halogenida raznih oksidacijskih stanja, na primer prazeodijum(III) fluorid (PrF₃), prazeodijum(IV) fluorid (PrF₄), prazeodijum(III) hlorid (PrCl₃), prazeodijum(III) bromid (PrBr₃), prazeodijum(III) jodid (PrI₃), prazeodijum(II,III) jodid (Pr₂I₅) i drugi. Trovalentni halogenidi grade različite hidrate.

Osim toga, postoje i mnogi fluoridni kompleksi kao što je K₂[PrF₆] gde je Pr četvorovalentan.

Druga jedinjenja

Binarna jedinjenja prazeodijuma su npr. prazeodijum(III) sulfid (Pr₂S₃), prazeodijum nitrid (PrN) i prazeodijum fosfid (PrP).

Pored toga, prazeodijum je prisutan i u raznim solima, kao što je higroskopni prazeodijum(III) nitrat (Pr(NO₃)₃ · x H₂O), te lepo kristalisani prazeodijum(III) sulfat (Pr₂(SO₄)₃ · 8 H₂O).

Prazeodijum(III) sulfat oktahidrat
Prazeodijum(III) hlorid heptahidrat

Reference

^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
^ Zhang, Yiming; Julian R. G. Evans; Shoufeng Yang (2011). „Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks”. Journal of Chemical & Engineering Data. 56: 328—337. doi:10.1021/je1011086.
^ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2, arhivirano sa originala 8. januara 2016.
^ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013, pristupljeno 7. oktobra 2017.
^ Jackson, M. (2000). „Magnetism of Rare Earth” (PDF). The IRM quarterly. 10 (3): 1. Arhivirano iz originala (PDF) 12. 07. 2017. g. Pristupljeno 25. 05. 2019.
^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
^ Binder, Harry H. der chemischen Elemente (1999). Lexikon. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 978-3-7776-0736-8.
^ ^a ^b John, Emsley (2011). Nature's Building Blocks. Oxford University Press. str. 120—125. ISBN 9780198503408.
^ Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). Weinheim: VCH. str. 1424—1579. ISBN 978-3-527-26169-7.
^ Weeks Mary Elvira (1932). „The Discovery of the Elements: XI. Some Elements Isolated with the Aid of Potassium and Sodium:Zirconium, Titanium, Cerium and Thorium”. The Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231—1243. Bibcode:1932JChEd...9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231.
^ Carl Auer v. Welsbach (1885). „Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente”. Monatshefte für Chemie. 6 (1): 477—491. doi:10.1007/BF01554643.
^ Weast, Robert C. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. E—129 — E—145. ISBN 978-0-8493-0470-5.
^ „Rare-Earth Metal Long Term Air Exposure Test”. Pristupljeno 8. 8. 2009.
^ „Chemical reactions of Praseodymium”. Webelements. Pristupljeno 9. 7. 2016.
^ ^a ^b Greenwood and Earnshaw, pp. 1238–9
^ Greenwood and Earnshaw, pp. 1235–8
^ Greenwood and Earnshaw, pp. 643–4
^ Cameron, A. G. W. (1973). „Abundance of the Elements in the Solar System” (PDF). Space Science Reviews. 15 (1): 121—146. Bibcode:1973SSRv...15..121C. doi:10.1007/BF00172440. Arhivirano iz originala (PDF) 21. 10. 2011. g.

Literatura

John, Emsley (2011). Nature's Building Blocks. Oxford University Press. str. 120—125. ISBN 9780198503408.

Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-960563-7.
Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
R. J. Callow, The Industrial Chemistry of the Lanthanons, Yttrium, Thorium and Uranium, Pergamon Press, 1967.

Spoljašnje veze

[CIAAW2016-1] Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.

[Zhang-2] Zhang, Yiming; Julian R. G. Evans; Shoufeng Yang (2011). „Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks”. Journal of Chemical & Engineering Data. 56: 328—337. doi:10.1021/je1011086.

[IUPAC-3] IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2, arhivirano sa originala 8. januara 2016.

[CIAAW-4] CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013, pristupljeno 7. oktobra 2017.

[jackson-5] Jackson, M. (2000). „Magnetism of Rare Earth” (PDF). The IRM quarterly. 10 (3): 1. Arhivirano iz originala (PDF) 12. 07. 2017. g. Pristupljeno 25. 05. 2019.

[6] Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.

[ParkesNeorganskaHemija-7] Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

[Housecroft3rd-8] Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.

[Harry_H._Binder-9] Binder, Harry H. der chemischen Elemente (1999). Lexikon. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 978-3-7776-0736-8.

[Nature's_Building_Blocks-10] John, Emsley (2011). Nature's Building Blocks. Oxford University Press. str. 120—125. ISBN 9780198503408.

[Greenwood-11] Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). Weinheim: VCH. str. 1424—1579. ISBN 978-3-527-26169-7.

[Weeks-12] Weeks Mary Elvira (1932). „The Discovery of the Elements: XI. Some Elements Isolated with the Aid of Potassium and Sodium:Zirconium, Titanium, Cerium and Thorium”. The Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231—1243. Bibcode:1932JChEd...9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231.

[auerov-13] Carl Auer v. Welsbach (1885). „Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente”. Monatshefte für Chemie. 6 (1): 477—491. doi:10.1007/BF01554643.

[weastrc-14] Weast, Robert C. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. E—129 — E—145. ISBN 978-0-8493-0470-5.

[15] „Rare-Earth Metal Long Term Air Exposure Test”. Pristupljeno 8. 8. 2009.

[webelements-16] „Chemical reactions of Praseodymium”. Webelements. Pristupljeno 9. 7. 2016.

[Greenwood1238-17] Greenwood and Earnshaw, pp. 1238–9

[Greenwood1235-18] Greenwood and Earnshaw, pp. 1235–8

[Greenwood643-19] Greenwood and Earnshaw, pp. 643–4

[Cameron-20] Cameron, A. G. W. (1973). „Abundance of the Elements in the Solar System” (PDF). Space Science Reviews. 15 (1): 121—146. Bibcode:1973SSRv...15..121C. doi:10.1007/BF00172440. Arhivirano iz originala (PDF) 21. 10. 2011. g.

[7]

[8]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]