Празеодим

Празеодим: факты и фактики

ПразеодимВстречается ли празеодим в сво­бодном виде?

В свободном виде в природе празеодим не встречается, поскольку медленно окисляется на воз­духе с формированием хлопьев рыхлого оксида Рr6O11 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.

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 нагрузки. 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. 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. Так, в их разновидности с твердым электролитом, работающей при 600оС, 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.

Может ли пригодиться радиоак­тивный празеодим?

ПразеодимРадиоизотопы с начала атомной эры используют в медицине для уничтожения раковых клеток внутри организма. Для этого нужно, чтобы изотопы радиоактивного элемента испускали только бета-лучи — электроны — и давали немного гам­ма-лучей. Электроны очень быстро те­ряют энергию и практически не вредят здоровым тканям, гамма-лучи же легко пронизывают весь организм, вызывая многочисленные повреждения. Однако небольшое гамма-излучение позволяет легко выявить, в каком месте сосредо­точился радиоактивный препарат.

Тяжелые, наполненные нуклонами ядра лантаноидов — отличные претен­денты на роль таких медицинских изо­топов: добавь в ядро один нейтрон, и тот в силу известного правила радиоактив­ности, связывающего число протонов и нейтронов в стабильном ядре, быстро превратится в протон и электрон, выле­тающий прочь из атома. И действитель­но, сразу за неодимом в таблице стоит радиоактивный прометий, у которого вообще нет стабильных изотопов.

У празеодима радиоактивный изо­топ Pr-142, способный давать мягкое бета-облучение с малым количеством гамма-квантов, получают либо в реак­торе, либо в ускорителе, обрабатывая нейтронами мишень из стабильного Pr-141. Он отличается от многих других медицинских радиоактивных изотопов небольшим периодом полураспада (19,12 часов) и отдачей 90% дозы за 2,68 суток, то есть источник получает­ся интенсивный и маложивущий. Для сравнения, иттрий-90 имеет период полураспада 64 часа, а фосфор-32 — 14 дней. Гамма лучи уносят лишь 3% энергии радиоактивного распада, что наносит минимальный вред соседним тканям, а бета-электроны проникают в ткань на 3 см. Такой препарат не требует специальных защитных мер, празеодим можно помещать в стеклянные зерна и работать с ним в обычной операци­онной. Параметры празеодимового источника позволяют применять его для уничтожения клеток рака простаты — в этом случае в опухоль внедряют упомянутые зерна. Если же использовать наночастицы оксида радиоактивного празеодима Pr2O3 — тогда получится оружие двойного действия против рака легкого: сна­чала празеодим действует на клетки опухоли радиацией, а потом, превра­тившись в оксид неодима, вызывает их самоуничтожение.

Радиоактивные препараты празео­дима можно применять и в радиохи­рургии при лечении артериовенозной мальформации, когда возникает прямая связь между веной и артерией, а также для разрушения уплотнений, образую­щихся при ревматоидном артрите.

Какие наноустройства можно сде­лать из празеодима?

Нанотехнологи хотят воспользоваться способностью празеодима излучать ультрафиолет. Для этого нужно сначала в несколько шагов переместить электрон с f-подуровня на вышележащий d-подуровень, а затем обеспечить его спуск. Наверх электрон загоняют светом оранжевого лазера, при падении он дает ультрафиолет. Если имплантировать отдельные ионы празеодима в нанокристалл иттрий- алюминиевого граната, то получится компактный излучатель ультрафиолета. При определенном искусстве можно сделать даже одноатомный излучатель. Для этого, правда, нужно тщательно очистить сам гранат — вместе с иттрием туда попадает немало атомов празео­дима. Такой излучатель, особенно если имплантированные атомы разместить в виде узора, например сетки, пригодит­ся и для производства наноструктур, и для работы с живым материалом. В первом случае на такой кристалл на­носят слой фоторезиста, освещают лазером, тот вызывает свечение атомов празеодима, и вокруг каждого из них фоторезист полимеризуется в виде полусферы. Во втором случае бактерии, нанесенные на поверхность кристалла, погибают при оранжевом, безвредном для человека, облучении — такой из­лучатель пригодится и для медиков, и для биологов.

Флюоресценция с использованием f-электронов дает возможность созда­вать и светящиеся зонды для исследо­вания крупных молекул, например ДНК. Дело в том, что внешнее поле сильно влияет на геометрию электронных об­лаков, а стало быть, и на параметры свечения. Чтобы этим воспользовать­ся, ион празеодима прикрепляют к какой-то малой органической молекуле. Когда она присоединится к ДНК, ион изменит характер своего свечения и, глядя на него, исследователь сможет узнать, как осуществляется эта связь.

Еще одна перспективная область для празеодима — квантовые ком­пьютеры. Его ядро обладает спином, направление которого можно менять с помощью излучения. В этом состоянии ядро празеодима может пребывать долго, десятки секунд. Узнать же о направлении ядерного спина можно, изучая кванты света, испущенные этим атомом при флюоресценции. Более того, можно организовать взаимодействие празеодимовых кубитов, даже если они расположены на расстоянии в десятки нанометров друг от друга, что подсказывает интересные идеи для разработки твердотельного квантового компьютера.

А.Мотыляев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>