Praseodym wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit bedeutenden Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. Praseodym ist ein typisches Produkt der Nukleosynthese leichter Lanthanoide, obwohl seine Produktion etwas weniger effizient ist als die des benachbarten Cer.
Die kosmische Häufigkeit von Praseodym beträgt etwa 1,8×10⁻¹¹ der Häufigkeit von Wasserstoff in Atomzahl, was es etwa 65-mal weniger häufig als Cer im Universum macht. Diese relativ geringe Häufigkeit erklärt sich durch die weniger günstige Position von Praseodym auf der Kurve der nuklearen Stabilität. Das einzige Isotop Pr-141 besitzt eine ungerade Anzahl von Protonen und eine magische Anzahl von Neutronen (82), was ihm dennoch eine beträchtliche Stabilität verleiht.
Die Spektrallinien von neutralem (Pr I) und ionisiertem (Pr II) Praseodym sind aufgrund seiner geringen kosmischen Häufigkeit schwer in Sternspektren zu beobachten. Praseodym wird dennoch als ergänzender Tracer für die chemische Anreicherung von Lanthanoiden in Sternen verwendet. Das Praseodym-Neodym-Verhältnis in metallarmen Sternen liefert Einschränkungen für die relativen Beiträge der s- und r-Prozesse in der galaktischen Geschichte.
Einige chemisch peculiare Sterne, insbesondere Ap-Sterne und s-Prozess-angereicherte Riesen, zeigen leicht erhöhte Praseodym-Häufigkeiten im Vergleich zu normalen Sternen. Diese Variationen werden der Nukleosynthese des s-Prozesses in AGB-Sternen oder atmosphärischen Diffusionsprozessen in stark magnetischen Ap-Sternen zugeschrieben. Die spektroskopische Beobachtung von Praseodym in diesen Objekten erfordert Teleskope mit großer Öffnung und Hochauflösungs-Spektrometer aufgrund der Schwäche der Linien.
Praseodym leitet seinen Namen von den griechischen Wörtern prasios (grün) und didymos (Zwilling) ab, in Anspielung auf die charakteristische grüne Farbe seiner Salze und die Tatsache, dass es aus Didym isoliert wurde, einer Mischung von Seltenen Erden, die zuvor als ein einziges Element betrachtet wurde. Der Name bedeutet wörtlich "grüner Zwilling" und unterscheidet Praseodym von Neodym, dem "neuen Zwilling".
1885 zeigte der österreichische Chemiker Carl Auer von Welsbach (1858-1929), dass Didym, das 1841 von Carl Gustaf Mosander entdeckt wurde, kein einfaches Element, sondern eine Mischung aus zwei verschiedenen Elementen war. Durch wiederholte fraktionierte Kristallisation von Nitraten gelang es Welsbach, Didym in zwei Komponenten zu trennen: Praseodym, das grüne Salze bildet, und Neodym, das violett-rosa Salze bildet. Diese bemerkenswerte Entdeckung zeugte von der außergewöhnlichen experimentellen Fähigkeit, die erforderlich war, um Seltene Erden mit fast identischen chemischen Eigenschaften zu trennen.
Die Isolierung von reinem Praseodym-Metall erwies sich als extrem schwierig aufgrund seiner hohen Reaktivität und der anhaltenden Verunreinigung durch Neodym. Die ersten Proben von Praseodym-Metall wurden Anfang des 20. Jahrhunderts durch elektrolytische Reduktion von geschmolzenem Chlorid oder chemische Reduktion mit metallischem Calcium gewonnen. Erst mit der Entwicklung moderner Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionstechniken in den 1950er-1960er Jahren wurde die Produktion von hochreinem Praseodym wirtschaftlich tragbar.
Praseodym ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 9,2 ppm vorhanden, was es zum 39. häufigsten Element auf der Erde macht, vergleichbar mit Bor. Obwohl es viel weniger häufig als Cer ist, ist Praseodym häufiger als Silber, Gold oder Platin. Die wichtigsten Praseodym-haltigen Erze sind Bastnäsit ((Ce,La,Pr,Nd)CO₃F) und Monazit ((Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄), in denen Praseodym etwa 4-5% des Gehalts an Seltenen Erden ausmacht.
Die weltweite Produktion von Praseodym-Oxiden beträgt etwa 4000 bis 5000 Tonnen pro Jahr. China dominiert die Produktion mit etwa 85-90% des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Australien und Myanmar. Diese extreme geografische Konzentration macht Praseodym zu einem strategisch kritischen Element, insbesondere für die Hochleistungs-Permanentmagnetindustrie.
Praseodym-Metall wird hauptsächlich durch Reduktion von Praseodym-Oxid (Pr₆O₁₁) mit metallischem Calcium bei hoher Temperatur in inerter Atmosphäre oder durch Elektrolyse von geschmolzenem Praseodym-Chlorid in einem Salzschmelzbad hergestellt. Die jährliche weltweite Produktion von Praseodym-Metall beträgt etwa 1000 bis 1500 Tonnen. Das Recycling von Praseodym aus gebrauchten Magneten bleibt begrenzt und macht weniger als 1% des Gesamtangebots aus, obwohl die Recyclingbemühungen mit steigenden Preisen und Versorgungsbedenken zunehmen.
Praseodym (Symbol Pr, Ordnungszahl 59) ist das dritte Element der Lanthanoid-Reihe und gehört zu den Seltenen Erden des f-Blocks des Periodensystems. Sein Atom hat 59 Protonen, normalerweise 82 Neutronen (für das einzige stabile Isotop \(\,^{141}\mathrm{Pr}\)) und 59 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f³ 6s².
Praseodym ist ein weiches, dehnbares und schmiedbares silbergraues Metall mit einem leichten gelb-grünen Schimmer. Es oxidiert schnell an der Luft und bildet eine charakteristische grüne Oxidschicht, die sich allmählich zersetzt und dem darunter liegenden Metall keinen Schutz bietet. Praseodym kristallisiert bei Raumtemperatur in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (HD), die bei hoher Temperatur (etwa 795 °C) in eine kubisch raumzentrierte Struktur (KRZ) übergeht.
Praseodym schmilzt bei 931 °C (1204 K) und siedet bei 3520 °C (3793 K). Seine Dichte beträgt 6,77 g/cm³, ähnlich wie die von Cer. Praseodym ist ein guter Leiter für Elektrizität und Wärme, mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die etwa 10-mal niedriger ist als die von Kupfer. Praseodym zeigt interessante magnetische Eigenschaften: Es ist bei Raumtemperatur paramagnetisch und wird unter 25 K antiferromagnetisch.
Praseodym ist ein hochreaktives Metall, das an feuchter Luft schnell oxidiert und in Form von Spänen oder feinem Pulver spontan entzündet. Es reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Praseodym-Hydroxid und Wasserstoffgas. Praseodym muss unter Mineralöl oder in inerter Atmosphäre aufbewahrt werden, um Oxidation zu verhindern. Die Reaktivität von Praseodym ist typisch für leichte Lanthanoide und etwas höher als die von Neodym.
Schmelzpunkt von Praseodym: 1204 K (931 °C).
Siedepunkt von Praseodym: 3793 K (3520 °C).
Praseodym ist bei Raumtemperatur paramagnetisch und wird unter 25 K antiferromagnetisch.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Praseodym-141 — \(\,^{141}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 82 | 140,907653 u | 100 % | Stabil | Einziges natürliches Isotop von Praseodym, monoisotopisch. Magische Neutronenzahl (82). |
| Praseodym-142 — \(\,^{142}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 83 | 141,910045 u | Synthetisch | ≈ 19,12 Stunden | Radioaktiv (β⁻). Wird in der nuklearen Forschung und als Tracer in der experimentellen Medizin verwendet. |
| Praseodym-143 — \(\,^{143}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 84 | 142,910817 u | Synthetisch | ≈ 13,57 Tage | Radioaktiv (β⁻). Bedeutendes Spaltprodukt, wird in Kernspaltungsstudien verwendet. |
| Praseodym-144 — \(\,^{144}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 85 | 143,913305 u | Synthetisch | ≈ 17,28 Minuten | Radioaktiv (β⁻). Zerfallsprodukt von Ce-144, schneller Übergangsschritt zu stabilem Nd-144. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Praseodym hat 59 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration ist [Xe] 4f³ 6s², typisch für leichte Lanthanoide, bei denen die 4f-Unterschale schrittweise gefüllt wird. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(21) P(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f³ 5s² 5p⁶ 6s².
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile und vollständige Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 21 Elektronen, verteilt als 5s² 5p⁶ 4f³ 5d⁰. Die drei 4f-Elektronen charakterisieren die Chemie von Praseodym.
P-Schale (n=6): enthält 2 Elektronen in der 6s²-Unterschale. Diese Elektronen sind die äußeren Valenzelektronen von Praseodym.
Praseodym hat effektiv 5 Valenzelektronen: drei 4f³-Elektronen und zwei 6s²-Elektronen. Der dominierende Oxidationszustand ist +3, charakteristisch für alle Lanthanoide, bei dem Praseodym seine beiden 6s-Elektronen und ein 4f-Elektron verliert, um das Pr³⁺-Ion mit der Konfiguration [Xe] 4f² zu bilden. Dieses Pr³⁺-Ion ist für die charakteristische grüne Farbe der Praseodym-Salze und -Lösungen verantwortlich.
Der +4-Zustand existiert ebenfalls, ist aber viel weniger stabil als beim benachbarten Cer. Pr⁴⁺ (Konfiguration [Xe] 4f¹) ist ein starkes Oxidationsmittel und existiert nur in einigen festen Verbindungen wie dem Oxid Pr₆O₁₁ (eine Mischung aus Pr³⁺ und Pr⁴⁺) und dem Fluorid PrF₄. In wässrigen Lösungen ist Pr⁴⁺ extrem instabil und reduziert sich schnell zu Pr³⁺, indem es Wasser oxidiert. Die Chemie von Praseodym ist daher im Wesentlichen die Chemie des Pr³⁺-Ions.
Praseodym-Verbindungen mit dem Oxidationszustand +2 wurden unter extremen Bedingungen (Festphasen-Halogenide) synthetisiert, aber diese Verbindungen sind außerordentlich instabil und oxidieren sofort. Der +2-Zustand hat keine praktische Relevanz in der Chemie von Praseodym.
Praseodym ist sehr reaktiv mit Sauerstoff und oxidiert schnell an der Luft, wobei sich eine charakteristische grüne Schicht aus Praseodym(III)-oxid (Pr₂O₃) bildet, die rissig wird und abblättert und kontinuierlich frisches Metall der Oxidation aussetzt. Bei hohen Temperaturen verbrennt Praseodym in der Luft mit einer hellen weißen Flamme und bildet ein gemischtes Oxid Pr₆O₁₁, das sowohl Pr³⁺ als auch Pr⁴⁺ enthält: 6Pr + 11O₂ → 2Pr₆O₁₁. Feines Praseodym-Pulver ist pyrophor und entzündet sich bei Raumtemperatur spontan.
Praseodym reagiert langsam mit kaltem Wasser, aber schnell mit heißem Wasser oder Dampf unter Bildung von grünem Praseodym(III)-hydroxid und Freisetzung von Wasserstoffgas: 2Pr + 6H₂O → 2Pr(OH)₃ + 3H₂↑. Diese Reaktion beschleunigt sich bei hohen Temperaturen beträchtlich und kann mit kochendem Wasser gewalttätig werden. Praseodym(III)-hydroxid ist eine mäßig starke Base, die leicht aus wässrigen Lösungen als blassgrüner gallertartiger Feststoff ausfällt.
Praseodym reagiert heftig mit Halogenen unter Bildung farbiger Trihalogenide: 2Pr + 3Cl₂ → 2PrCl₃ (grün). Praseodym(IV)-fluorid PrF₄ kann durch direkte Fluorierung bei hoher Temperatur gewonnen werden. Praseodym löst sich leicht in Säuren, sogar in verdünnten, unter Wasserstoffentwicklung: 2Pr + 6HCl → 2PrCl₃ + 3H₂↑, wobei charakteristische grüne Pr³⁺-Lösungen entstehen.
Praseodym reagiert mit Schwefel zu Praseodym-sulfid (Pr₂S₃), mit Stickstoff bei hoher Temperatur zu Nitrid (PrN), mit Kohlenstoff zu Carbid (PrC₂) und mit Wasserstoff zu Hydrid (PrH₂ oder PrH₃). Alle Pr³⁺-Verbindungen zeigen eine charakteristische grüne Färbung, eine distinctive Eigenschaft, die die einfache Identifizierung von Praseodym ermöglicht.
Die intensive grüne Farbe der Praseodym(III)-Verbindungen stammt von f-f-Elektronenübergängen innerhalb der 4f²-Konfiguration. Diese Übergänge sind durch Spin-Bahn-Kopplung teilweise erlaubt und erzeugen charakteristische Absorptionsbanden im sichtbaren Spektrum. Praseodym-dotierte Gläser und Kristalle absorbieren stark im Gelben und übertragen bevorzugt Grün und Blau, was den charakteristischen grünen Farbton erzeugt. Diese optische Eigenschaft wird bei der Herstellung von gefärbten Gläsern und speziellen optischen Filtern ausgenutzt.
Die dominierende Anwendung von Praseodym, die etwa 50-60% des weltweiten Verbrauchs ausmacht, ist seine Verwendung in Permanentmagneten vom Typ Nd-Fe-B (Neodym-Eisen-Bor). Praseodym wird in der Formulierung dieser Magnete teilweise durch Neodym ersetzt, typischerweise in Anteilen von 10-30% Praseodym zu 70-90% Neodym, wodurch (Nd,Pr)-Fe-B-Magnete entstehen.
Praseodym verbessert die thermische Stabilität von Nd-Fe-B-Magneten deutlich, erhöht ihre maximale Betriebstemperatur (Curie-Temperatur) und verringert den negativen Temperaturkoeffizienten, der dazu führt, dass reine Neodym-Magnete bei Erwärmung an magnetischer Kraft verlieren. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Automobilanwendungen, insbesondere für Elektro- und Hybridfahrzeugmotoren, die bei hohen Temperaturen (120-180 °C) betrieben werden.
(Nd,Pr)-Fe-B-Magnete sind essenziell für Elektrofahrzeugmotoren, Windturbinen-Generatoren, Festplatten, industrielle Servomotoren, Lenksysteme für Raketen und viele Verteidigungs- und Luftfahrtanwendungen. Ein typisches Elektrofahrzeug enthält 0,5-2 kg leichte Seltene Erden (Neodym und Praseodym kombiniert) in seinem Motor. Die teilweise Substitution von Neodym durch Praseodym ermöglicht auch eine Kostenoptimierung, wenn die relativen Preise der beiden Elemente schwanken, wobei Praseodym bei gleicher Leistung generalmente 10-30% günstiger ist als Neodym.
Praseodym wird seit über einem Jahrhundert als Farbmittel verwendet, um intensiv gelblich-grüne Gläser und keramische Emaille herzustellen. Praseodym-Salze, die dem geschmolzenen Glas in Konzentrationen von 0,5-3% zugesetzt werden, erzeugen eine Palette von Tönen, die von blass gelb-grün bis zu tiefem Smaragdgrün reichen, je nach Konzentration und Zusammensetzung der Glasmatrix. Diese Färbung ist bei hohen Temperaturen stabil und widerstandsfähig gegen UV-Ausbleichen, im Gegensatz zu organischen Farbstoffen.
Eine wichtige technische Anwendung von Praseodym ist die Herstellung von Schutzgläsern für Schweißer, Glasbläser und Metallurgen. Didym-Gläser (Praseodym-Neodym-Mischung) absorbieren die intensiven gelben Wellenlängen, die von Natrium in Flammen und Lichtbögen emittiert werden (Natrium-D-Linie bei 589 nm), und reduzieren so die Blendung erheblich und schützen die Augen der Arbeiter. Diese Gläser übertragen etwa 70-80% des gesamten sichtbaren Lichts, blockieren aber gezielt die störenden gelben Linien.
Praseodym wird als Dotierstoff in optischen Fasern verwendet, um Praseodym-dotierte Faserverstärker (PDFA) herzustellen, die im 1,3-μm-Band arbeiten, einem wichtigen Bereich für die optische Telekommunikation. Obwohl sie weniger verbreitet sind als Erbium-dotierte Verstärker (EDFA), sind PDFA für bestimmte spezielle Anwendungen essenziell, die eine Verstärkung in diesem Wellenlängenband erfordern. Praseodym wird auch in dotierten YAG-Laserkristallen verwendet, um spezifische Wellenlängen im sichtbaren und nahen Infrarot zu erzeugen.
Praseodym macht etwa 4-5% der typischen Zusammensetzung von Mischmetall aus, einer Legierung aus leichten Seltenen Erden, die hauptsächlich für Feuerzeugsteine und als metallurgischer Zusatzstoff verwendet wird. Obwohl es im Vergleich zu Cer (45-50%) und Lanthan (25%) eine untergeordnete Rolle spielt, trägt Praseodym zu den pyrophoren Eigenschaften der Legierung und ihrer Fähigkeit bei, Stähle zu entschwefeln.
Neben Mischmetall wird Praseodym in verschiedenen speziellen Metalllegierungen verwendet. Praseodym-Nickel-Legierungen (PrNi₅) zeigen interessante magnetische Eigenschaften und werden für die Wasserstoffspeicherung untersucht. Magnetostriktive Legierungen, die Praseodym enthalten, werden in Ultraschallwandlern und Präzisionsaktuatoren eingesetzt. Praseodym verbessert auch die mechanischen Eigenschaften bestimmter Aluminium- und Magnesiumlegierungen, wenn es in kleinen Mengen (0,1-0,5%) zugesetzt wird.
Praseodym und seine Verbindungen weisen eine geringe bis mäßige Toxizität auf, ähnlich wie andere leichte Lanthanoide. Lösliche Praseodym-Verbindungen können bei direkter Exposition Haut-, Augen- und Atemwegsreizungen verursachen. Das Einatmen von Praseodym-Staub kann zu Lungenreizungen führen, obwohl keine spezifischen Fälle von Praseodym-Pneumokoniose bei exponierten Arbeitern dokumentiert wurden.
Die Einnahme löslicher Praseodym-Verbindungen kann vorübergehende gastrointestinale Störungen verursachen, einschließlich Übelkeit, Erbrechen und Durchfall. Toxikologische Studien an Tieren zeigen, dass sich Praseodym bei chronischer Exposition hauptsächlich in Leber, Milz und Knochenskelett anreichert. In hohen Dosen kann Praseodym den Calciumstoffwechsel stören und die Leberfunktion beeinträchtigen, obwohl die toxischen Schwellenwerte relativ hoch sind.
Die Toxizität von Praseodym ist mit der von Cer und Neodym vergleichbar und deutlich geringer als die von toxischen Übergangsmetallen wie Blei oder Cadmium. Praseodym zeigt keine signifikante Bioakkumulation in Nahrungsketten und wird relativ schnell aus exponierten Organismen abgebaut oder ausgeschieden. In den verfügbaren Studien wurden keine karzinogenen, mutagenen oder teratogenen Effekte für Praseodym nachgewiesen.
Die Umweltbelastung durch Praseodym stammt hauptsächlich aus dem Bergbau von Seltenen Erden, der metallurgischen Raffination und dem Recycling von Permanentmagneten. Die Praseodym-Konzentrationen in Böden in der Nähe von Seltenen-Erden-Minen können mehrere Dutzend ppm erreichen, das 3-5-fache der natürlichen Hintergrundwerte. Abflüsse von Bergbaustandorten können ebenfalls hohe Konzentrationen von gelöstem Praseodym enthalten.
Arbeitsplatzgrenzwerte für Praseodym sind in den meisten Ländern nicht spezifisch festgelegt, aber allgemeine Empfehlungen für lösliche Seltene-Erden-Verbindungen setzen typischerweise Expositionsgrenzen von 5-10 mg/m³ für einatembaren Staub fest. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) betrachtet Praseodym nicht als prioritären Schadstoff. Die ökotoxikologischen Auswirkungen von Praseodym auf aquatische und terrestrische Ökosysteme bleiben bei typischen Umweltkonzentrationen moderat, obwohl bei hohen Konzentrationen (>100 mg/L) Auswirkungen auf bestimmte empfindliche Arten dokumentiert wurden.
