Химические элементы: Празеодим (Pr)

[annum_per_annum]

"Встречается ли празеодим в свободном виде?
В свободном виде в природе празеодим не встречается, поскольку медленно окисляется на воздухе с формированием хлопьев рыхлого оксида Pr₆O₁₁ черного цвета. Глядя на эту формулу, нетрудно заметить, что валентность металла в соединении странная, больше трех, но меньше четырех. Считается, что это не индивидуальное соединение. Подвижность электронов у него высокая, что играет важную роль при создании катализаторов, датчиков и электронных компонентов. И в то же время он отнюдь не проводник, а хороший изолятор.

Как и положено редкоземельным элементам, встречается празеодим в смеси со своими ближайшими родственниками и отделятся от них с трудом. Его содержание в земной коре 4,5—9 мг/кг, в морской воде – 2,6.10^-6 мг/л. Килограмм этого металла в 2012 году стоил 4700 долларов — примерно как 2,75 унции золота. Применение — несколько тысяч тонн в год.

Как его нашли?
История открытия празеодима сопровождалась чередой ошибок. В 1839 году Карл Мозандер заметил, что открытая ранее цериевая земля неоднородна. Выделенное из нее вещество он назвал лантановой землей. А в 1841 году ему же удалось выделить из последней новую землю. Ввиду исключительной близости свойств этих земель образующий ее химический элемент получил название дидим — «двойник», «близнец» в переводе с греческого. В 1861 году в раннем варианте Периодической таблицы он даже получил символ Di. Однако в 1879 году французский химик Лекок де Буабодран показал, что дидим неоднороден, и выделил из него новый элемент — самарий. Далее оказалось, что спектр дидима зависит от того, из какого минерала его выделили. В 1882 году Богуслав Браунер из Праги нашел еще одну странность дидима: его атомный вес тоже зависел от исходного минерала. Так стало окончательно ясно, что никакого элемента дидима нет, но Браунер не сумел разделить его на составляющие.

Счастье улыбнулось в 1885 году австрийцу Ауэру фон Вельсбаху, большому специалисту по редким землям.

Он заставил дидим взаимодействовать с азотной кислотой и получил его кристаллическую соль. После сотни операций по фракционной кристаллизации, каждая из которых длилась по двое суток, в его руках оказались кристаллы двух солей — зеленоватой и розовой. Металл, образующий первую, он назвал празеодимом — от «празиос дидимос», «зеленый близнец». Вторую соль приписали «новому близнецу» — неодиму. В металлическом виде чистый празеодим получили в 1931 году.

Используют ли сейчас дидим?
Несмотря на, казалось бы, кончину дидима, он продолжает существовать в научной литературе. Видимо, причина в том, что отнюдь не всегда имеет смысл разделять два столь близких металла. Так, в 2011 году исследователи, анализирующие состояние переработки редкоземельных элементов, отмечали, что в Калифорнии получают из руды лантановый концентрат и дидим: четверть празеодима и три четверти неодима.

Где сегодня применяют этот металл?
У празеодима, как и у родственных ему лантанидов, есть два достоинства, ставшие причиной его использования. Это способность к сильной люминесценции за счет перехода электронов между f- и d-подуровнями, которые дают, в частности, поглощение и излучение в ультрафиолетовой области спектра, а также высокий диамагнетизм.

Содержащее празеодим стекло идет на изготовление очков, защищающих от ультрафиолета глаза сварщиков и плавщиков стекла. При этом стекло с оксидом празеодима практически бесцветно, хотя в большом объеме имеет зеленоватый цвет. Свое место нашел этот элемент и в производстве ярко-желтых пигментов для керамики. В магнитожесткие сплавы системы неодим—железо—бор — именно из них делают, в частности, сердечники генераторов ветряков — празеодим входит, как правило, в качестве добавки к брату. Ведь неодим в природе встречается гораздо чаще — у лантаноидов есть специфическое правило четности: содержание элементов с четными номерами в несколько раз больше, чем с нечетными.

Впрочем, разрабатывают и магнитные сплавы только с празеодимом, а еще он значительно повышает прочность и твердость магниевых, алюминиевых и титановых сплавов. Однако в XXI веке празеодим может приобрести новые профессии. Вот несколько примеров.


Скан страницы из книги Теодора Грея "Элементы: путеводитель по периодической системе".

Как празеодим применить в электротехнике?
Суперконденсаторы считают незаменимыми устройствами для электромобилей, для энергетических систем будущего, которые будут основаны на ветре и солнечном свете, в общем везде, где возникают пиковые нагрузки, которые надо сглаживать. Суперконденсатор способен быстро отдавать накопленное электричество и это продлевает в разы срок жизни аккумуляторов, которые хорошо себя чувствуют при постоянной нагрузке. Для создания суперконденсатора требуются электроды с большой удельной поверхностью. Сейчас их делают из пористого углерода, однако возможен и другой подход — наночастицы проводящего полимера. Именно такие частицы, с ядром из оксида празеодима и внешним слоем из полипиррола, получили в 2011 году («Electrochimica Acta», 2011, 58, 193–202) . Проводимость электрода из таких частиц, нанесенных на никелевую губку, была в полтора раза больше, чем у чистого полипиррола, и способность к накоплению электричества значительно меньше менялась после многих циклов заряда-разрядки.

Пытаются пристроить празеодим и в топливные элементы («Journal of Power Sources», 2011, 196, 4, 1872–1879). Так, в их разновидности с твердым электролитом, работающей при 600^оС, применяют катод из сплава на основе церия и лантана. Его замена на никелит празеодима показала: сопротивление катода можно уменьшить в десять раз, что благоприятно скажется на судьбе такого элемента". (Полный вариант статьи читайте в январском номере "Химии и жизни" за 2013 год).