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プラセオジムは、主に漸近巨星分枝（AGB）星におけるs過程（遅い中性子捕獲）によって恒星内で合成され、超新星や中性子星の合体時のr過程（速い中性子捕獲）からも重要な寄与を受けます。プラセオジムは軽ランタノイドの核合成の典型的な産物ですが、その生成効率は隣接するセリウムよりやや低くなっています。
プラセオジムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約1.8×10⁻¹¹倍であり、宇宙においてセリウムの約65分の1の存在量です。この比較的低い存在度は、プラセオジムが核安定性曲線上で不利な位置にあるためです。唯一の同位体Pr-141は奇数の陽子と魔法数の中性子（82）を持ち、相当な安定性を有しています。
中性プラセオジム（Pr I）とイオン化プラセオジム（Pr II）のスペクトル線は、その宇宙存在度の低さから恒星スペクトルで観測することが困難です。しかしながら、プラセオジムはランタノイドの化学的濃縮のトレーサーとして補完的に使用されます。金属に乏しい恒星におけるプラセオジムとネオジムの比率は、銀河の歴史におけるs過程とr過程の相対的な寄与に制約を与えます。
一部の化学的に特異な恒星、特にAp星やs過程に富んだ巨星は、通常の恒星に比べてプラセオジムの存在量がわずかに高くなっています。これらの変動は、AGB星におけるs過程の核合成、または強磁場Ap星における大気拡散過程に起因します。これらの天体におけるプラセオジムの分光観測には、線の弱さのために大口径の望遠鏡と高分解能分光計が必要です。
プラセオジムの名前は、ギリシャ語のprasios（緑）とdidymos（双子）に由来し、その塩の特徴的な緑色と、以前は単一元素と考えられていたジジムから分離されたことにちなんでいます。名前は文字通り「緑の双子」を意味し、プラセオジムを「新しい双子」であるネオジムと区別しています。
1885年、オーストリアの化学者カール・アウエル・フォン・ヴェルスバッハ（1858-1929）は、1841年にカール・グスタフ・モサンダーによって発見されたジジムが単一元素ではなく、2つの異なる元素の混合物であることを実証しました。硝酸塩の分別結晶を繰り返すことで、ヴェルスバッハはジジムを緑色の塩を形成するプラセオジムと、紫がかったピンク色の塩を形成するネオジムに分離することに成功しました。この注目すべき発見は、化学的性質がほぼ同一の希土類元素を分離するために必要な例外的な実験技術を示しています。
純粋なプラセオジム金属の単離は、その高い反応性とネオジム不純物の持続的な存在により、極めて困難でした。最初のプラセオジム金属サンプルは、20世紀初頭に溶融塩化物の電気分解または金属カルシウムによる化学還元によって得られました。高純度プラセオジムの生産が経済的に実現可能になったのは、1950年代から1960年代にかけてイオン交換と溶媒抽出の現代技術が開発されてからです。
プラセオジムは地殻中に平均約9.2 ppmの濃度で存在し、地球上で39番目に豊富な元素であり、ホウ素と同程度です。セリウムよりはるかに少ないですが、銀、金、白金よりは豊富です。プラセオジムを含む主な鉱石は、バストネサイト（(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F）とモナザイト（(Ce,La,Pr,Nd,Th)PO₄）であり、プラセオジムは希土類含有量の約4-5％を占めています。
プラセオジム酸化物の世界生産量は年間約4000から5000トンです。中国が世界総生産量の約85-90％を占め、次いでアメリカ、オーストラリア、ミャンマーが続きます。この極端な地理的集中は、プラセオジムを戦略的に重要な元素、特に高性能永久磁石産業にとって重要なものにしています。
プラセオジム金属は、主に不活性雰囲気中で高温の金属カルシウムによるプラセオジム酸化物（Pr₆O₁₁）の還元、または溶融プラセオジム塩化物の電気分解によって生産されます。プラセオジム金属の世界年間生産量は約1000から1500トンです。使用済み磁石からのプラセオジムのリサイクルは限られており、総供給量の1％未満ですが、価格上昇と供給懸念に伴いリサイクルの取り組みが強化されています。
プラセオジム（記号Pr、原子番号59）は、ランタノイド系列の3番目の元素であり、周期表のfブロックに属する希土類元素です。その原子は59個の陽子、通常82個の中性子（唯一の安定同位体 \(\,^{141}\mathrm{Pr}\) の場合）、および電子配置[Xe] 4f³ 6s²の59個の電子を持ちます。
プラセオジムは、軟らかく、延性と展性に富み、わずかな黄緑色の光沢を持つ銀白色の金属です。空気中で急速に酸化し、特徴的な緑色の酸化物層を形成しますが、この層は徐々に剥離し、下地の金属を保護しません。プラセオジムは室温で六方最密充填（HCP）構造をとり、高温（約795 °C）で体心立方構造（BCC）に変化します。
プラセオジムの融点は931 °C（1204 K）、沸点は3520 °C（3793 K）です。その密度は6.77 g/cm³で、セリウムと同様です。プラセオジムは電気と熱の良導体であり、電気伝導率は銅の約10分の1です。プラセオジムは興味深い磁気特性を示し、室温では常磁性であり、25 K以下では反強磁性になります。
プラセオジムは高反応性の金属であり、湿った空気中で急速に酸化し、細かい削りくずや粉末の形では自然発火します。水と激しく反応し、プラセオジム水酸化物と水素ガスを生成します。プラセオジムは酸化を防ぐため、鉱物油中または不活性雰囲気中で保存する必要があります。プラセオジムの反応性は軽ランタノイドに典型的であり、ネオジムよりやや高いです。
プラセオジムの融点：1204 K（931 °C）。
プラセオジムの沸点：3793 K（3520 °C）。
プラセオジムは室温で常磁性であり、25 K以下で反強磁性になります。
| 同位体 / 記号 | 陽子 (Z) | 中性子 (N) | 原子質量 (u) | 天然存在比 | 半減期 / 安定性 | 崩壊 / 備考 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| プラセオジム-141 — \(\,^{141}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 82 | 140.907653 u | 100 % | 安定 | プラセオジムの唯一の天然同位体、単一同位体。魔法数の中性子（82）。 |
| プラセオジム-142 — \(\,^{142}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 83 | 141.910045 u | 合成 | ≈ 19.12 時間 | 放射性（β⁻）。核研究および実験医学のトレーサーとして使用。 |
| プラセオジム-143 — \(\,^{143}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 84 | 142.910817 u | 合成 | ≈ 13.57 日 | 放射性（β⁻）。重要な核分裂生成物、核分裂研究に使用。 |
| プラセオジム-144 — \(\,^{144}\mathrm{Pr}\,\) | 59 | 85 | 143.913305 u | 合成 | ≈ 17.28 分 | 放射性（β⁻）。Ce-144の崩壊生成物、安定なNd-144への速い過渡的ステップ。 |
注記：
電子殻： 電子が原子核の周りにどのように配置されているか。
プラセオジムは59個の電子を6つの電子殻に分布させています。その電子配置は[Xe] 4f³ 6s²であり、軽ランタノイドに典型的で、4fサブシェルが徐々に満たされていきます。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(21) P(2)とも表記でき、完全には1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f³ 5s² 5p⁶ 6s²となります。
K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布し、完全な殻で貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布し、完全な殻で電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布し、安定で完全な構造を形成します。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁶ 4f³ 5d⁰に21個の電子が分布し、3個の4f電子がプラセオジムの化学を特徴づけます。
P殻 (n=6)：6s²サブシェルに2個の電子を含み、これらがプラセオジムの最外殻価電子です。
プラセオジムは実効的に5個の価電子を持ちます：3個の4f³電子と2個の6s²電子。支配的な酸化状態は+3であり、これはすべてのランタノイドに共通で、プラセオジムが2個の6s電子と1個の4f電子を失い、[Xe] 4f²の配置を持つPr³⁺イオンを形成します。このPr³⁺イオンがプラセオジムの塩と溶液の特徴的な緑色の原因です。
+4状態も存在しますが、隣接するセリウムよりはるかに不安定です。Pr⁴⁺（配置[Xe] 4f¹）は強力な酸化剤であり、Pr₆O₁₁酸化物（Pr³⁺とPr⁴⁺の混合物）やPrF₄フッ化物などの固体化合物にのみ存在します。水溶液中ではPr⁴⁺は極めて不安定で、水を酸化しながら迅速にPr³⁺に還元されます。したがって、プラセオジムの化学は本質的にPr³⁺イオンの化学です。
プラセオジムの+2酸化状態の化合物は極端な条件下（固相ハロゲン化物）で合成されていますが、これらの化合物は非常に不安定で瞬時に酸化します。+2状態はプラセオジムの化学において実用的な関連性はありません。
プラセオジムは酸素と非常に反応性が高く、空気中で急速に酸化し、特徴的な緑色のプラセオジム(III)酸化物（Pr₂O₃）層を形成します。この層は割れて剥離し、新鮮な金属を継続的に酸化に曝します。高温では、プラセオジムは空気中で白熱した明るい炎を上げて燃焼し、Pr³⁺とPr⁴⁺の両方を含む混合酸化物Pr₆O₁₁を生成します：6Pr + 11O₂ → 2Pr₆O₁₁。プラセオジムの細かい粉末は発火性であり、室温で自然発火します。
プラセオジムは冷水とゆっくり反応しますが、熱水や蒸気とは急速に反応し、緑色のプラセオジム(III)水酸化物と水素ガスを生成します：2Pr + 6H₂O → 2Pr(OH)₃ + 3H₂↑。この反応は高温で著しく加速し、沸騰水では激しくなる可能性があります。プラセオジム(III)水酸化物は中程度の強さの塩基であり、水溶液から容易に淡い緑色のゼリー状の固体として沈殿します。
プラセオジムはハロゲンと激しく反応し、着色したハロゲン化物を形成します：2Pr + 3Cl₂ → 2PrCl₃（緑）。プラセオジム(IV)フッ化物PrF₄は高温での直接フッ素化によって得られます。プラセオジムは希酸でも容易に溶解し、水素を発生します：2Pr + 6HCl → 2PrCl₃ + 3H₂↑、これによりPr³⁺の特徴的な緑色溶液が生成されます。
プラセオジムは硫黄と反応して硫化プラセオジム（Pr₂S₃）を、高温の窒素と反応して窒化物（PrN）を、炭素と反応して炭化物（PrC₂）を、水素と反応して水素化物（PrH₂またはPrH₃）を形成します。すべてのPr³⁺化合物は特徴的な緑色を示し、プラセオジムを容易に識別できる特徴的な性質です。
プラセオジム(III)化合物の強い緑色は、4f²配置内のf-f電子遷移に由来します。これらの遷移はスピン軌道結合によって部分的に許容され、可視スペクトルに特徴的な吸収帯を生成します。プラセオジムをドープしたガラスと結晶は黄色を強く吸収し、緑と青を優先的に透過するため、独特の緑色を呈します。この光学的性質は、着色ガラスや特殊な光学フィルターの製造に利用されています。
プラセオジムの主要な応用は、世界消費量の約50-60％を占めるNd-Fe-B（ネオジム-鉄-ホウ素）型永久磁石での使用です。プラセオジムはこれらの磁石の配合においてネオジムの一部が置き換えられ、通常、プラセオジム10-30％とネオジム70-90％の割合で(Nd,Pr)-Fe-B磁石が形成されます。
プラセオジムはNd-Fe-B磁石の熱安定性を著しく向上させ、最大作動温度（キュリー温度）を高め、純粋なネオジム磁石が加熱時に磁力を失う負の温度係数を低減します。この特性は、高温（120-180 °C）で動作する電気自動車およびハイブリッド車のモーターなどの自動車応用にとって重要です。
(Nd,Pr)-Fe-B磁石は、電気自動車のモーター、風力タービン発電機、ハードディスク、産業用サーボモーター、ミサイル誘導システム、および多くの防衛および航空宇宙応用に不可欠です。典型的な電気自動車には、モーターに0.5-2 kgの軽希土類（ネオジムとプラセオジムの組み合わせ）が含まれています。ネオジムの一部をプラセオジムで置き換えることで、2つの元素の相対価格が変動する際にコストを最適化することも可能であり、プラセオジムは同等の性能でネオジムより10-30％安価です。
プラセオジムは1世紀以上にわたり、強い黄緑色のガラスやセラミックエナメルの着色剤として使用されてきました。溶融ガラスに0.5-3％の濃度で添加されたプラセオジム塩は、濃度とガラスマトリックスの組成に応じて、淡い黄緑色から深いエメラルドグリーンまでの色調を生成します。この着色は高温で安定し、有機色素とは異なりUVによる退色に耐性があります。
プラセオジムの重要な技術的応用の一つは、溶接工、ガラス職人、冶金技術者用の保護メガネの製造です。ジジムガラス（プラセオジム-ネオジム混合物）は、炎や電気アーク中のナトリウムによって放出される強い黄色波長（ナトリウムのD線589 nm）を強く吸収し、まぶしさを大幅に低減し、作業者の目を保護します。これらのガラスは全可視光の約70-80％を透過しながら、特定の黄色線を選択的に遮断します。
プラセオジムは、1.3 μm帯域で動作するプラセオジムドープファイバー増幅器（PDFA）を作成するための光ファイバーのドーパントとして使用されます。この帯域は光通信に重要であり、エルビウムドープ増幅器（EDFA）ほど一般的ではありませんが、PDFAはこの波長帯域での増幅を必要とする特定の専門応用に不可欠です。プラセオジムはまた、可視および近赤外線領域で特定の波長を生成するためのプラセオジムドープYAGレーザー結晶にも使用されています。
プラセオジムは、主にライター石および冶金添加剤として使用される軽希土類合金であるミシュメタルの典型的な組成の約4-5％を占めています。セリウム（45-50％）やランタン（25％）に比べて少量ですが、プラセオジムは合金の発火性および鋼の脱硫能力に寄与しています。
ミシュメタル以外にも、プラセオジムはさまざまな特殊金属合金に使用されています。プラセオジム-ニッケル合金（PrNi₅）は興味深い磁気特性を示し、水素貯蔵のために研究されています。プラセオジムを含む磁歪合金は、超音波トランスデューサおよび精密アクチュエータに使用されています。プラセオジムはまた、アルミニウムおよびマグネシウム合金の機械的特性を改善し、少量（0.1-0.5％）添加されます。
プラセオジムおよびその化合物は、他の軽ランタノイドと同様に、低から中程度の毒性を示します。可溶性プラセオジム化合物は、直接曝露時に皮膚、眼、呼吸器系の刺激を引き起こす可能性があります。プラセオジム粉塵の吸入は肺の刺激を引き起こす可能性がありますが、プラセオジムに曝露された労働者における特定のプラセオジム肺塵症の症例は報告されていません。
可溶性プラセオジム化合物の摂取は、一過性の胃腸障害（吐き気、嘔吐、下痢）を引き起こす可能性があります。動物実験では、プラセオジムが慢性曝露時に主に肝臓、脾臓、骨格に蓄積することが示されています。高用量では、プラセオジムはカルシウム代謝を妨げ、肝機能を障害する可能性がありますが、毒性の閾値は比較的高いです。
プラセオジムの毒性はセリウムやネオジムと同程度であり、鉛やカドミウムなどの有毒な遷移元素よりもはるかに低いです。プラセオジムは食物連鎖における著しい生物濃縮を示さず、曝露された生物から比較的速やかに分解または排出されます。利用可能な研究では、プラセオジムに発がん性、変異原性、または催奇形性の影響は示されていません。
プラセオジムへの環境曝露は、主に希土類鉱山の採掘、冶金精製、および永久磁石のリサイクルに由来します。希土類鉱山近くの土壌中のプラセオジム濃度は数十ppmに達し、自然背景レベルの3-5倍になる可能性があります。鉱山サイトからの流出水には、溶解プラセオジムの高濃度が含まれる可能性もあります。
多くの国では、プラセオジムの職業曝露基準は具体的に設定されていませんが、可溶性希土類化合物に対する一般的な推奨事項では、吸入可能な粉塵の曝露限界を5-10 mg/m³に設定しています。米国環境保護庁（EPA）はプラセオジムを優先汚染物質とは見ていません。プラセオジムの水生および陸生生態系への生態毒性学的影響は、典型的な環境濃度では中程度ですが、高濃度（>100 mg/L）では一部の敏感な種に影響が報告されています。
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