Prazeodij

 

Godine 1751. švedski mineralog Axel Fredrik Cronstedt otkrio je jedan teški mineral u rudniku kod Bastnäsa, kasnije nazvan cerit. Trideset godina kasnije, petnaestogodišnji dječak Vilhelm Hisinger, čija porodica je bila vlasnik rudnika, poslao je uzorak tog minerala hemičaru Carlu Scheeleu, a koji nije pronašao niti jedan novi element u tom mineralu. Godine 1803. nakon što je Hisiger odrastao i postao metalurg, vratio je mineral Berzeliusu koji je iz njega izolirao novi oksid, davši mu naziv cerija, prema patuljastoj planeti Cereri, otkrivenoj dvije godine ranije.^[7] Rijetku zemlju ceriju istovremeno i nezavisno od njega izolirao je i Martin Heinrich Klaproth u Njemačkoj.^[4] Između 1839. i 1843. švedski hirurg i hemičar Carl Gustaf Mosander dokazao je da je cerija smjesa određenih oksida. On je razdvojio još dva oksida iz nje, te ih nazvao lantana i didymia.^[8]

Per Teodor Cleve je 1874. primijetio da se kod didyma radi zapravo o dva elementa. Iz didyma, koji je dobio iz minerala samarskita, Lecoq de Boisbaudran je 1879. izdvojio element samarij. Godine 1885. Carl Auer von Welsbachu je uspjelo razdvojiti didym na elemente prazeodij i neodij, koji grade soli različitih boja.^[9]

 

Prazeodij je duktilni metal čija se tvrdoća može uporediti sa srebrom.^[5] Njegovih 59 elektrona je organizirano u konfiguraciju [Xe]4f³6s². Teoretski, svih pet vanjskih elektrona bi se moglo ponašati kao valentni elektroni, međutim da bi svih pet bili valentni potrebni su ekstremni uslovi. Obično, prazeodij daje do tri a rijetko četiri elektrona u svojim spojevima. 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 cerija, jer se ne nagla kontrakcija 4f orbitala ne javlja se sve do nakon lantana, a kod cerija nije dovoljno snažna da bi spriječila zauzimanje 5d podljuske. Ipak, prazeodij u čvrstom stanju ima konfiguraciju [Xe]4f²5d¹6s², sa jednim elektronom u 5d podljusci kao i svi ostali trovalentni lantanoidi (svi osim europija i iterbija, koji su dvovalentni u metalnom stanju).

Prazeodij je mehki, srebreno-sjajni paramagnetični metal, koji spada u lantanoide i metale rijetkih zemalja. Izložen zraku, nešto bolje je otporan na oksidaciju (koroziju) od europija, lantana ili cerija, ali se prekriva blijedo zelenim slojem oksida koji se ljušti. Pri temperaturi od 798 °C prelazi iz heksagonalne strukture α-Pr u kubičnu prostorno-centriranu β-Pr strukturu.

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

Prazeodij u prirodi se sastoji samo iz jednog stabilnog izotopa ¹⁴¹Pr. 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, respektivno, najduže živući. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 6 sati, a većina od njih čak i manje od 33 sekunde. Također 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).

Prazeodij se u prirodnom obliku javlja samo u svojim spojevima, 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 % prazeodija.

Njegova količina u zemljištu kreće se između 1 i 15 ppm (eng. part per million) odnosno od 0,0001% do 0,0015%. Njegov udio u morskoj vodi iznosi 1 ppt (eng. part per trillion) odnosno 1 • 10⁻¹⁰%. Prazeodija u atmosferi gotovo da i nema.^[7] Svjetske rezerve prazeodija se procjenjuju na oko 4 miliona tona.

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, ionsko-izmjenjivačka tehnika ili ekstrakcija.

Metalni prazeodij se dobija elektrolizom istopljenih soli ili redukcijom sa kalcijem.

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

Prazeodij se koristi u legurama sa magnezijem za proizvodnju vrlo čvrstih materijala za avionske motore. Legure sa kobaltom i željezom su vrlo snažni stalni magneti. Spojevi prazeodija se koriste u industriji stakla i emajla za njihovo bojenje (naprimjer kod zeleno obojenih reflektorskih stakala za osvjetljavanje). Njegovi spojevi također poboljšavaju apsorpciju ultraljubičastog zračenja što se koristi za izradu zaštitnih stakala za oči pri zavarivanju.

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

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

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

Binarni spojevi prazeodija su npr. prazeodij(III)-sulfid (Pr₂S₃), prazeodij-nitrid (PrN) i prazeodij-fosfid (PrP).

Pored toga, prazeodij je prisutan i u raznim solima, kao što je higroskopski prazeodij(III)-nitrat (Pr(NO₃)₃ · x H₂O), te lijepo kristalizirani prazeodij(III)-sulfat (Pr₂(SO₄)₃ · 8 H₂O).

•  
  Prazeodij(III)-sulfat oktahidrat
•  
  Prazeodij(III)-hlorid heptahidrat