Когда впервые слышишь название «празеодим»,
невольно задумываешься, что у химиков, дающих имена элементам, иногда случаются
творческие кризисы. Но, как оказалось, это имя, данное более ста лет назад,
удивительно точно отражает суть этого металла. Давайте разберемся, что же это
за элемент, почему он так тесно связан с неодимом и где мы можем встретить его
в повседневной жизни.
Празеодим — это химический элемент с атомным номером 59,
принадлежащий к семейству лантаноидов. Он — ближайший «сосед» неодима
в периодической таблице, и история их открытия неразрывно связана. В 1885 году
ученые, работая с так называемым «дидимом» (который, как выяснилось
позже, был смесью элементов), смогли разделить его на празеодим и неодим.
Внешность обманчива: сходства и различия
Внешне празеодим — типичный представитель редкоземельных
металлов. Это серебристо-серый металл, очень похожий на неодим по своим
физическим свойствам, таким как плотность и температура плавления. Химическое
поведение празеодима также во многом повторяет неодим: он довольно быстро
окисляется на воздухе, образуя зеленоватый порошок оксида. Однако, в отличие от
неодима, празеодим окисляется заметно быстрее. Зачищенная до блеска поверхность
празеодима уже через пару часов становится темно-серой и матовой.
Празеодим реагирует и с кислотами, образуя соли
светло-зеленого цвета. Именно этот цвет и послужил основой для его названия:
«празиос» в переводе с греческого означает
«светло-зеленый».
На первый взгляд, празеодим и неодим кажутся практически
неотличимыми, но это не так. Даже в металлическом виде их можно легко
распознать. Главное отличие — скорость окисления и цвет образующегося оксида.
Если неодим покрывается голубовато-розовым оксидом, то празеодим —
светло-зеленым.
Интересно, что в зависимости от условий окисления празеодим
может образовывать разные оксиды. Например, при сжигании порошка металла
получается оксид темно-коричневого цвета с необычной формулой Pr6O11, также
известный как оксид празеодима. Похожий оксид с такой же необычной формулой
среди лантаноидов образует только тербий. Этот же темный оксид получается и при
термическом разложении соединений празеодима, например при нагревании его
гидроксида.
Уникальные свойства: парамагнетизм до абсолютного нуля
Празеодим обладает рядом интересных свойств. Как и другие
лантаноиды, он является парамагнетиком, то есть слабо притягивается магнитом.
Однако, в отличие от многих других редкоземельных элементов, празеодим не
переходит в ферро- или антиферромагнитное состояние при низких температурах,
оставаясь парамагнетиком даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (1
градус Кельвина).
Содержание празеодима в земной коре составляет около 9
граммов на тонну. Это примерно в 3-4 раза меньше, чем неодима. По
распространенности среди лантаноидов он занимает четвертое место. Важно
отметить, что празеодим практически всегда встречается в месторождениях вместе
с неодимом, причем в соотношении примерно 1:3.
Сложности разделения и поиск применения
Впервые в чистом виде металлический празеодим был получен в
1931 году, на 6 лет позже неодима. Это связано со сложностью разделения этих
двух элементов, чьи химические свойства очень близки.
После того как ученые научились разделять празеодим и
неодим, возник вопрос: куда девать празеодим, который получается в довольно
больших количествах как побочный продукт? Сначала, как и неодим, его пробовали
использовать для окрашивания стекла в декоративных целях, придавая ему
светло-зеленый оттенок. Однако оказалось, что это слишком дорогой способ, так
как получить такой же цвет можно с помощью гораздо более дешевых веществ,
например соединений железа.
Затем было обнаружено, что празеодимовое стекло, как и
неодимовое, поглощает желтую часть спектра. Это привело к идее использовать эти
два элемента совместно в стекле.
Воскрешение «дидима»: дидимовое стекло
Стекло, легированное одновременно празеодимом и неодимом,
стали называть дидимовым — в честь той самой смеси элементов, из которой они
были впервые выделены. Интересно, что дидимовое стекло иногда оказывается
предпочтительнее, чем чистое неодимовое. Оно более бесцветное и, помимо
использования в солнцезащитных очках, применяется в самых разных областях,
например стеклодувами и сварщиками для защиты глаз от вредного излучения.
Кроме того, дидимовое стекло получается дешевле, чем чистое
неодимовое, так как разделение празеодима и неодима — процесс трудоемкий и
дорогостоящий. Использование их в природной смеси заметно снижает себестоимость
изделий.
Неодимовые магниты: секрет кроется в празеодиме
Но самое широкое применение празеодим нашел не в стекольной
промышленности. Львиная доля производимого празеодима используется в
производстве магнитов.
В 70-е годы празеодим, наряду с самарием и неодимом, уже
входил в состав некоторых видов ферромагнитных материалов. После создания
оптимального состава неодимового магнита (Nd2Fe14B) выяснилось, что замена
части неодима празеодимом практически не ухудшает его магнитные свойства. Более
того, в некоторых составах, например при замене части железа кобальтом,
добавление празеодима даже улучшает температурные характеристики магнита.
Поэтому сейчас чистые неодимовые магниты применяются только
в узких областях. В промышленном производстве в основном используется смесь
неодима с празеодимом, как правило в соотношении 3:1 (три части неодима на одну
часть празеодима). Однако это соотношение может варьироваться в зависимости от
состава месторождения. Так что, держа в руках неодимовый магнит, будьте уверены,
что в нем присутствует и празеодим.
Еще одна область применения празеодима — металлургия. Здесь
он часто используется в смеси с неодимом, церием и лантаном. Например, сплав
ферроцерий (используемый в кремнях для зажигалок) содержит около 5% празеодима.
Таким образом, можно с уверенностью сказать, что многие из
нас держали празеодим в руках либо в виде кремня в зажигалке, либо в составе
неодимовых магнитов в каком-либо устройстве.
Перспективы празеодима: наука и технологии будущего
Несмотря на то что празеодим чаще всего используется в смеси
с неодимом, существуют и области применения, где он проявляет свою
уникальность. В основном это относится к научным и перспективным разработкам.
Например, легированный празеодимом кристалл силиката иттрия
способен замедлять свет до скорости в несколько сотен метров в секунду.
Соединение празеодима с никелем (никелит празеодима) обладает сильным
магнитокалорическим эффектом, который позволил ученым достичь температуры 0,001
К, то есть почти абсолютного нуля. Кристалл фторида иттрия-лития, легированный
празеодимом, является активной средой твердотельного лазера, излучающего на
разных длинах волн в видимом спектре. С помощью празеодима можно создать компактный
лазер необычного цвета. Оксид празеодима является перспективным материалом в
качестве катализатора окисления угарного газа до углекислого.
Как видите, празеодим обладает множеством уникальных
свойств, но широкого применения эта уникальность пока не нашла. В тех областях,
где он применяется массово, празеодим в основном является «полезным
спутником» неодима, улучшая его свойства или снижая стоимость конечного
продукта.
Тем не менее, у празеодима есть большой потенциал. В случае
необходимости нарастить производство чистого празеодима можно в десятки раз.
Возможно, в будущем мы увидим новые области применения этого интересного
элемента.
Изображение в превью:
Источник: mistral.ai