原子序数为59的化学元素

拼音注音ㄆㄨˇ粤拼pou2;英語:Praseodymium),是一種化學元素,其化學符號Pr原子序數为59,原子量140.90766 u,属于镧系元素,也是稀土元素之一。

镨   59Pr
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




外觀
银白色、黄绿光泽
概況
名稱·符號·序數镨(praseodymium)·Pr·59
元素類別镧系元素
·週期·不適用 ·6·f
標準原子質量140.90766(2)
电子排布[Xe] 4f3 6s2
2, 8, 18, 21, 8, 2
镨的电子層(2, 8, 18, 21, 8, 2)
歷史
發現卡尔·奥尔·冯·威尔士巴赫(1885年)
物理性質
物態固体
密度(接近室温
6.77 g·cm−3
熔点時液體密度6.50 g·cm−3
熔点1208 K,935 °C,1715 °F
沸點3403 K,3130 °C,5666 °F
熔化热6.89 kJ·mol−1
汽化热331 kJ·mol−1
比熱容27.20 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1771 1973 (2227) (2571) (3054) (3779)
原子性質
氧化态0,[1] +1,[2] +2, +3, +4, +5
(中等碱性的氧化物)
电负性1.13(鲍林标度)
电离能第一:527 kJ·mol−1

第二:1020 kJ·mol−1

第三:2086 kJ·mol−1
原子半径182 pm
共价半径203±7 pm
雜項
晶体结构六方
磁序顺磁性
电阻率α, poly: 0.700 µΩ·m
熱導率12.5 W·m−1·K−1
热膨胀系数α, poly: 6.7 µm/(m·K)
聲速(細棒)(20 °C)2280 m·s−1
杨氏模量α form: 37.3 GPa
剪切模量α form: 14.8 GPa
体积模量α form: 28.8 GPa
泊松比α form: 0.281
維氏硬度250–745 MPa
布氏硬度250–640 MPa
CAS号7440-10-0
最穩定同位素
主条目:镨的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
141Pr 100% 穩定,帶82個中子
142Pr syn 19.12 h β 2.162 142Nd
ε 0.745 142Ce
143Pr syn 13.57 d β 0.934 143Nd

性质编辑

镨是一种银白色的,中等柔软的金属元素,是镧系元素,在空气中抗腐蚀能力比都要强,但暴露在空气中会产生一层易碎的绿色氧化物,所以纯镨必须在矿物油或充玻璃管中保存。

物理性质编辑

镨是第三种镧系元素。在元素周期表里,它位于的右边、的左边、锕系元素的上面。它是一种延展性高的金属,硬度可和比较。[5] 它的 59 个电子的电子排布为 [Xe]4f36s2。理论上,外面五个电子都可以作为价电子,但是只有在极端情况下镨才会使用这五个价电子。正常情况下,镨化合物中镨只会使用三个(有时是四个)价电子。[6]

类似其它三价的早期镧系元素,镨在常温下是六方最密堆积结构的。在 560 °C时,镨会变成面心立方晶系的。在 935 °C 的熔点前,镨还会短暂形成体心立方晶系[7]

镨和其它镧系元素(除了没有不成对 4f 电子的镧、镱和)一样,在室温下是顺磁性的。[8] 不像其它镧系元素,会在低温下变成反铁磁性铁磁性,镨在1K 以上都是顺磁性的。[4]

化学性质编辑

金属镨在空气中慢慢失去光泽,形成像铁锈一样散裂英语Spallation的氧化层。一个厘米大小的金属镨样品在大约一年内完全腐蚀。[9] 镨在 150 °C 时准备燃烧,形成十一氧化六镨,一种非整比化合物,比例近似 Pr6O11[10]

12 Pr + 11 O2 → 2 Pr6O11

这种化合物可以被氢气还原成三氧化二镨 (Pr2O3) 。[11] 二氧化镨,化学式 PrO2,是镨的最高价氧化物,由镨在 400 °C 和 282 bar 的纯氧燃烧[11] 或 Pr6O11 在沸腾的醋酸下歧化而成。[12][13]

镨的电正性很大,和冷水反应较慢,但和热水反应迅速,形成氢氧化镨:[10]

2 Pr (s) + 6 H2O (l) → 2 Pr(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

金属镨和所有卤素反应,形成三卤化物:[10]

2 Pr (s) + 3 F2 (g) → 2 PrF3 (s) (绿色)
2 Pr (s) + 3 Cl2 (g) → 2 PrCl3 (s) (绿色)
2 Pr (s) + 3 Br2 (g) → 2 PrBr3 (s) (绿色)
2 Pr (s) + 3 I2 (g) → 2 PrI3 (s)

四氟化镨 PrF4是已知的,可以由氟化钠三氟化镨和氟气反应,形成 Na2PrF6。之后,再用液体氟化氢去除氟化钠,形成四氟化镨。[14] 镨也会形成青铜色的二碘化物。类似镧、铈和的二碘化物,它是一种含有镨(III) 的电子盐[14]

镨和稀硫酸反应,形成含有黄绿色英语chartreuse (color) Pr3+ 离子的 [Pr(H2O)9]3+ 配合物:[10][15]

2 Pr (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Pr3+ (aq) + 3 SO2−
4
(aq) + 3 H2 (g)

含镨(IV) 的化合物溶于水不会形成黄色的 Pr4+离子,[16] 因为 Pr4+/Pr3+标准电极电势是 +3.2 V,在水中不稳定,会氧化水并产生 Pr3+。 Pr3+/Pr 的标准电极电势是 −2.35 V。[6] 不过,在高度碱性环境下, Pr4+ 离子可以由臭氧的氧化而成。[17]

同位素编辑

自然界中镨只有一种稳定同位素,141Pr。这种同位素有 82 个中子,而82是一个幻数,会使这个同位素有额外的稳定性。[18]这种同位素可以通过S-过程R-过程而成。[19] 镨还有38种放射性同位素,其中比较稳定的有143Pr,半衰期为13.57 天; 142Pr,半衰期为19.12小时。 其他的放射性同位素的半衰期都超不过5.985 小时,大部分的半衰期少于33秒。镨还有6个亚稳态,比较稳定的是138mPr (t½ 2.12 小时), 142mPr (t½ 14.6 分) 和134mPr (t½ 11 分)。

应用编辑

由于镧系元素非常相似,镨可以替代大多数其他镧系元素而不会显着丧失功能,而且实际上许多应用(例如混合稀土金属英语Mischmetal铁铈合金英语Ferrocerium)涉及多种镧系元素的可变混合物,其中包括少量的镨。以下的应用是镨的主要用处:[20]

历史编辑

 
卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫英语Carl Auer von Welsbach (1858–1929) 在1885年发现了镨

1751年,瑞典矿物学家阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特巴斯特纳斯英语Bastnäs的矿山中发现了一种重矿物,后来命名为铈硅石英语cerite。三十年后,15岁的威廉·希辛格英语Wilhelm Hisinger来自拥有这种矿石的家族,将它的样本发送给卡尔·威廉·舍勒,但舍勒没有在其中发现任何新元素。1803年,在希辛格成为一名铁匠后,他与永斯·贝采利乌斯一起回到矿物中并分离出一种新的氧化物(两年前发现的二氧化铈),他们将其命名为ceria,以矮行星谷神星命名。[26] 马丁·克拉普罗特在德国同时独立地分离了二氧化铈。[27]1839年至1843年间,瑞典外科医生兼化学家卡尔·古斯塔夫·莫桑德英语Carl Gustaf Mosander与贝采利乌斯证明ceria是多种氧化物的混合物。他分离出另外两种氧化物,将其命名为lanthanadidymia[28][29][30]他通过在空气中焙烧来部分分解硝酸铈样品,然后用稀硝酸处理生成的氧化物。形成这些氧化物的金属因此被命名为lanthanum(镧)和didymium[31]虽然镧被证明是一种纯元素,但didymium不是,而是所有稳定的早期镧系元素(从镨到)的混合物。这正如马克·德拉方丹在光谱分析后所怀疑的那样,尽管他没有时间将其分离为组成元素。和铕仅在1879年被保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰移除,直到1885年卡尔·奥尔·冯·威尔斯巴赫英语Carl Auer von Welsbach才将didymium分离成镨和钕。[32]由于钕在didymium中的比例比镨更大,因此它保留了旧名称并消除了歧义,而镨以其盐的韭葱绿色来区分(希腊语 πρασιος,意为韭菜绿)。[33]早在1882年,博胡斯拉夫·布劳纳英语Bohuslav Brauner就已经提出了didymium的复合性质,但没有通过实验进行分离。[34]

自然界存在状态编辑

镨在自然界中存在于独居石和氟碳铈矿中,可以用离子交换法提取,在混合稀土金属中,大约有5%的镨。

生物用途和注意事项编辑

 
危险性
GHS危险性符号
 
GHS提示词 Danger
H-术语 H250
P-术语 P222, P231, P422[35]
NFPA 704
4
0
4
 
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

早期镧系元素对于生活在火山泥巴池英语mudpot嗜甲烷英语methanotrophic细菌,像是Methylacidiphilum fumariolicum英语Methylacidiphilum fumariolicum是必要的。镧、铈、镨和钕的用处都是等效的。[36] 镨在其它生物中没有用处,但毒性也不是很高。将稀土静脉注射到动物体内会损害肝功能,但人类吸入稀土氧化物的主要副作用来自放射性的杂质。[20]

参考资料编辑

  1. ^ Yttrium and all lanthanides except Ce and Pm have been observed in the oxidation state 0 in bis(1,3,5-tri-t-butylbenzene) complexes, see Cloke, F. Geoffrey N. Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides. Chem. Soc. Rev. 1993, 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.  and Arnold, Polly L.; Petrukhina, Marina A.; Bochenkov, Vladimir E.; Shabatina, Tatyana I.; Zagorskii, Vyacheslav V.; Cloke. Arene complexation of Sm, Eu, Tm and Yb atoms: a variable temperature spectroscopic investigation. Journal of Organometallic Chemistry. 2003-12-15, 688 (1–2): 49–55. doi:10.1016/j.jorganchem.2003.08.028. 
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  31. ^ 参见:
    • (Berzelius) (1839) "Nouveau métal" (New metal), Comptes rendus, 8 : 356–357. From p. 356: "L'oxide de cérium, extrait de la cérite par la procédé ordinaire, contient à peu près les deux cinquièmes de son poids de l'oxide du nouveau métal qui ne change que peu les propriétés du cérium, et qui s'y tient pour ainsi dire caché. Cette raison a engagé M. Mosander à donner au nouveau métal le nom de Lantane." (The oxide of cerium, extracted from cerite by the usual procedure, contains almost two fifths of its weight in the oxide of the new metal, which differs only slightly from the properties of cerium, and which is held in it so to speak "hidden". This reason motivated Mr. Mosander to give to the new metal the name Lantane.)
    • (Berzelius) (1839) "Latanium — a new metal," Philosophical Magazine, new series, 14 : 390–391.
  32. ^ Fontani, Marco; Costa, Mariagrazia; Orna, Virginia. The Lost Elements: The Periodic Table's Shadow Side. Oxford University Press. 2014: 122–123. ISBN 978-0-19-938334-4. 
  33. ^ 引用错误:没有为名为Greenwood1229的参考文献提供内容
  34. ^ Fontani, Marco; Costa, Mariagrazia; Orna, Virginia. The Lost Elements: The Periodic Table's Shadow Side. Oxford University Press. 2014: 40. ISBN 978-0-19-938334-4. 
  35. ^ Praseodymium 261173. 
  36. ^ Pol, Arjan; Barends, Thomas R. M.; Dietl, Andreas; Khadem, Ahmad F.; Eygensteyn, Jelle; Jetten, Mike S. M.; Op Den Camp, Huub J. M. Rare earth metals are essential for methanotrophic life in volcanic mudpots. Environmental Microbiology. 2013, 16 (1): 255–64. PMID 24034209. doi:10.1111/1462-2920.12249. 

外部連結编辑