Praseodymium: Het element

Praseodymium is een zacht, zilverachtig, buigzaam en kneedbaar metaal uit de lanthanide groep en behoort tevens tot de zeldzame aardmetalen. Het element is genoemd naar de groene kleur van zijn oxide. Grieks Prasinos: “groen” en didymos: "tweeling", tweeling omdat de op elkaar lijkende praseodymium en neodymium naast elkaar voorkomen in de erts. Het element is reactief en niet in elementaire vorm in de natuur aanwezig maar altijd in verbindingen. In 1885, scheidde de Oostenrijkse chemicus Carl Auer von Welsbach de twee zouten waarvan hij de elementen, praseodymium en neodymium noemde. Het element is pas in 1931 geproduceerd als element.

Plaats in het periodiek systeem

Alle zeldzame chemicaliën hebben vergelijkbare eigenschappen. Net als de meeste zeldzame aardmetalen, vormt praseodymium het gemakkelijkst driewaardig Pr (III)-ionen. Deze zijn geel-groen in een waterige oplossing. Het element wordt gebruikt om zijn magnetische, elektrische, chemische en optische eigenschappen.

Algemene eigenschappen van het element

Chemische eigenschappen van het element

Praseodymium metaal wordt aangetast door de lucht en ontbrandt gemakkelijk bij 150 ° C en vormt praseodymium (III, IV) oxide:

• 12 Pr + 11 O2 → 2 Pr6O11

Praseodymium reageert langzaam met koud water en snel met warm water en vormt dan praseodymium hydroxyde:

• 2 Pr (s) + 6 H2O (l) → 2 Pr(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

Praseodymium metaal reageert met de halogenen:

• 2 Pr (s) + 3 F2 (g) → 2 PrF3 (s) [groen]
• 2 Pr (s) + 3 Cl2 (g) → 2 PrCl3 (s) [groen]
• 2 Pr (s) + 3 Br2 (g) → 2 PrBr3 (s) [groen]
• 2 Pr (s) + 3 I2 (g) → 2 PrI3 (s) [groen]

Fysische eigenschappen van het element

Isotopen van praseodymium

Natuurlijk voorkomende praseodymium bestaat uit een stabiele isotoop, Pr-141. 38 radioisotopen zijn beschreven, de stabielsten zijn Pr-143 met een halveringstijd van 13 dagen en Pr-142 met een halveringstijd van 19 uur, de resterende hebben halveringstijden van minder dan zes uur.

Preodymium heeft ook 15 nucleaire isomeren, de langste levensduur hebben Pr-138m, Pr-134m, en Pr-142m.

Isomeren zijn atoomkernen met hetzelfde aantal neutronen en hetzelfde aantal protonen, echter met verschillende energetische toestanden; bijvoorbeeld Ba-137 en Ba-137m. geldt ook voor chemisch dezelfde formules die verschillende eigenschappen hebben omdat de atomen in het molekuul anders geordend zijn.

Stabielste isotopen van praseodymium

Voorkomen van praseodymium

Praseodymium komt in kleine hoeveelheden voor in de aardkorst, namelijk in de zeldzame (aard)mineralen monaziet en bastnasite, en wordt meestal uit deze ertsen gewonnen door een ionenuitwisseling proces. Er is praktisch geen praseodymium in de atmosfeer.

Verbindingen van praseodymium

In zijn verbindingen komt praseodymium voor in de oxidatietoestanden +2, +3 en +4.
Praseodymium (IV) is een sterke oxidatiemiddel, het oxideert water (H2O) tot elementair zuurstof (O2) en zoutzuur(HCl) tot elementair chloor(Cl). In waterige oplossing, treedt alleen de +3 oxidatietoestand op.

Bekende praseodymium verbindingen

• Fluoride: PrF2, PrF3, PrF4
• Chloride: PrCl3
• Bromide: PrBr3, Pr2Br5
• Iodide: PrI2, PrI3, Pr2I5
• Oxide: PrO2, Pr2O3, Pr6O11
• Sulfide: PrS, Pr2S3
• Sulfaat: Pr2(SO4)3
• Selenide: PrSe
• Telluride: PrTe, Pr2Te3
• Nitride: PrN

Productie van praseodymium

Het element is moeilijk te isoleren als zuiver metaal. De lanthaniden in de natuur zitten in een aantal mineralen, waarvan de belangrijkste zijn, monaziet en bastnaesiet. De gebruikelijke lanthaniden in deze mineralen zijn: cerium, lanthaan, neodymium en praseodymium. Monaziet bevat ook thorium en Ytrrium, deze zijn radioactief en maken de materialhandling gecompliceeerd.
Aanvankelijk worden de metalen geëxtraheerd zoals zouten uit de ertsen door extractie met zwavelzuur (H2SO4), zoutzuur (HCl) en natriumhydroxide (NaOH). Moderne zuiveringstechnieken voor deze lanthanoïde zoutmengsels betrekken selectieve oplossing- extracties en ionuitwisseling chromatografie. Elementaire praseodymium komt tenslotte beschikbaar via de reductie van PrF3 met calcium metaal:

• 2PrF3 + 3CA → 2pr + 3CaF2

Bijzondere kenmerken van praseodymium

• Sommige toepassingen van praseodymium is gebaseerd op de eigenschap dat het geel licht filtert uit lichtbronnen waardoor een helder wit (zon)licht ontstaat.
• Het vormt een schilferige oxidelaag in de lucht. In tegenstelling tot veel metaaloxidelagen beschermt de laag niet het metaal tegen verdere oxidatie. Het element moet onder olie worden opgeslagen.
• Praseodymium reageert met water en vormt praseodymium-hydroxide plus waterstofgas.
• Praseodymium bestaat gewoonlijk als driewaardig ion, Pr3+, in zijn verbindingen.
• De meeste van zijn zouten lichtgroen.

Toepassingen van praseodymium

• In combinatie met neodymium, wordt praseodymium gebruikt voor high-power magneten, bekend om hun sterkte en duurzaamheid.
• Praseodymium fluoride vormt de kern van "koolstofbooglampen" die worden gebruikt in de filmindustrie voor studioverlichting en projectorlichten.
• Praseodymium verbindingen geven glas en emaille een gele kleur.
• Praseodymium is een component van didymium glas, dat wordt gebruikt om bepaalde soorten las- en glasblazers brillen te vervaardigen.
• Silicaat kristallen gedoteerd met praseodymium ionen om een lichtpuls te vertragen tot enkele honderden meters per seconde.
• Praseodymium gelegeerd met nikkel (PrNi5) heeft een sterk magnetocalorisch effect waardoor de wetenschap is geslaagd het absolute nulpunt te benaderen op een duizendste graad na.
• Doping praseodymium in fluoride glas maakt het mogelijk om het als "fiber- optische-versterker" te laten werken.
• Ferrocerium product, bekend als "vuursteen", gebruikt in aanstekers, aanmaakblokjes, enz, bevat circa 4% praseodymium.
• Praseodymium wordt gebruikt in high-intensity permanente magneten, die essentieel zijn in elektrische motoren en generatoren, ze worden tevens gebruikt in hybride auto's en windturbines.
• Praseodymium wordt gebruikt in nikkel-metaal hydride (NiMH) accu's voor hybride auto's. De negatieve elektrode (kathode) in NiMH batterijen is een mengsel van metaalhydriden - mischmetaal hydride bevat praseodymium, neodymium, lanthaan en cerium.
• Praseodymium verbindingen hebben verschillende toepassingen: het oxide wordt gebruikt als "carbon arc" elektroden voor verlichting, het geeft glas mooie gele kleuren. Dit glas filtert de infrarode straling, zodat het wordt gebruikt in de veiligheidsbril die de ogen van lassers beschermen.
• De zouten worden gebruikt om glazuur(emaille) en glas te kleuren.
• Praseodymium wordt toegepast als legeringselement in magnesium om hoge sterkte metaallegeringen te vervaardigen die o.a. worden gebruikt in vliegtuigmotoren..
• praseodymium wordt gebruikt bij het produceren van katalysatoren en polijsten van glas.

Invloed van praseodymium op milieu en gezondheid

Zoals alle zeldzame aardmetalen, heeft praseodymium een matige toxiciteit en heeft geen biologische rol.

• De belangrijkste commerciële ertsen waarin praseodymium- wordt gevonden zijn monaziet en bastnasite.
• De belangrijkste mijngebieden zijn China, de VS, Brazilië, India, Sri Lanka en Australië.
• Reserves van praseodymium worden geschat op circa 2 miljoen ton. De wereldproductie van praseodymium- is ongeveer 2500 ton per Jaar.
• Oplosbare praseodymium zouten zijn zwak giftig bij inname, onoplosbare zouten zijn niet giftig.
• Prasdymium en verbindingen irriteren huid en ogen.
• Praseodymium is vooral gevaarlijk in de werkomgeving, omdat de dampen en gassen kunnen worden ingeademd. Dit kan longembolie veroorzaken, vooral tijdens langdurige blootstelling.
• Praseodymium is een bedreiging voor de lever wanneer het zich ophoopt in het lichaam.
• Praseodymium komt in het milieu terecht door de industries en door het dumpen van huishoudelijke apparaten.
• Praseodymium zal geleidelijk ophopen in de bodem en het water zal dat leiden tot verhoogde concentratie in mens en dier vanwege de voedselketen.
• Bij waterdieren veroorzaakt praseodymium schade aan de cellen, met negatieve gevolgen voor de reproductie en werking van het zenuwstelsel.

Lees verder

• Zeldzame aardmetalen: Bespreking van de zeldzame aardmetalen (special)