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(金屬元素)

鎖定
鐠是一種金屬元素,原子序數為59,原子量140.908 [7]  ,屬於稀土金屬。元素名來源於希臘文,原意是“綠色”。晶體結構為晶胞為六方晶胞。鐠在空氣中抗腐蝕能力比都要強,但暴露在空氣中會產生一層易碎的綠色氧化物,純鐠必須在礦物油或密封塑料中保存。鐠的用途之一是用於石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。鐠像其他稀土元素一樣,具有慢性低毒,不是生物必須元素。
中文名
外文名
Praseodymium
元素符號
Pr
原子量
140.90765
原子序數
59
發現人
莫桑德爾
週    期
6
元素類別
鑭系元素
f區
電子排布
[Xe] 4f36s2
密    度
6.77 g/cm³
熔    點
931 ℃
沸    點
3520 ℃
CAS登錄號
7440-10-0
EINECS登錄號
231-120-3
外    觀
銀白色金屬,有綠色光澤
安全性描述
S17;S7/9;S33;S16
危險性符號
R17
危險性描述
F
UN危險貨物編號
3208

發展簡史

1841年C·G·莫桑德爾從鈰土中得到鐠、釹混合物,命名為didymia。 [1] 
1885年奧地利化學家威斯巴赫從氧化中分離出氧化釤後分離出新元素的氧化物,將這種新元素命名為Praseodidymium,由Praseo(綠色)和Didymium(釹鐠混合物)組成,即“綠”,因為它的鹽是綠色。這個元素的名稱簡化成Praseodymium。譯成鐠,元素符號是Pr。鐠的英文名來源於希臘文prasios,原意是“綠色的孿生兄弟”。 [1]  這是因為鐠和釹共生在一起,而且鐠的氧化物Pr2O3為淺綠色。

礦產分佈

鐠在地殼中的含量約為5.53×10-4%,主要存在於獨居石和氟碳鈰礦中,核裂變產物中也含有鐠。自然界存在的鐠均為穩定同位素鐠-141。 [1] 

物理性質

銀白色金屬,質較軟,有延展性。室温下鐠為bcc結構。 [1] 
自然界中鐠只有一種穩定同位素,141Pr。但有38种放射性同位素,其中比較穩定的有143Pr,半衰期為13.57 天;142Pr,半衰期為19.12小時。其他的放射性同位素的半衰期都超不過5.985小時,大部分的半衰期少於33秒。鐠還有6個亞穩態,比較穩定的是138Pr,142Pr和134Pr。鐠的同位素原子量從120.955u(121Pr)到158.955u(159Pr)。穩定同位素141Pr如果放出β射線,會俘獲電子。主要放射產物為鈰的同位素和釹的同位素。
熔點
931℃ [1] 
沸點
3520℃ [1] 
密度
6.773g/cm3 [1] 
自然界含量:
元素在太陽中的含量(ppm)
0.001
元素在海水中的含量(ppm)太平洋表面
0.00000044
地殼中含量(ppm)
9.5

化學性質

金屬鐠外觀 金屬鐠外觀
元素符號Pr,屬週期系ⅢB族,稀土元素,鑭系元素。 [1] 
在空氣中抗腐蝕能力比鑭、鈰、釹和都要強,但暴露在空氣中會產生一層易碎的綠色氧化物,鐠在空氣中緩慢形成綠色易碎氧化物層;鐠通常以+3氧化態存在,也以+4價形式存在。在潮濕空氣中變暗,形成一層氧化物薄膜。鐠離子溶液呈綠色。 [7] 
CAS號
7440-10-0
原子量
140.907.65 [1] 
原子序數
59 [1] 
原子體積(cm3/mol)
20.8
氧化態
K-L-M-N-O-P
外圍電子層排布
4f36s2
PrF2、PrF3、PrF4
PrBr3、Pr2Br5
PrI2、PrI3、Pr2I5
二氧化鐠PrO2、三氧化二鐠Pr2O3
PrSe
PrTe、Pr2Te3
PrN

製備方法

工業上用溶劑萃取法和離子交換法從處理氟碳鈰礦獨居石得到的混合稀土溶液中分離和提純鐠。金屬鐠用鈣還原鐠的氟化物或氯化物來製取。 [1] 
鑭、鈰、鐠、釹等輕稀土金屬,由於熔點較低,在電解過程可呈熔融狀態在陰極上析出,故一般均採用電解法制取。
常由水合氯化鐠PrCl3·xH2O經脱水後用金屬鈣還原,或由無水氯化鐠經熔融後電解而製得。
具體方法:
1.取70gPrCl3和18.5gCa在惰性氣氛下徹底混合搖勻裝入坩堝或用機動壓力機將其壓成圓柱體放入鉭坩堝中,坩堝配有打孔的鉭蓋子以便通氣,置於密閉MgO坩堝(d=0.0508m,h=0.1778m)中。然後放入石英管(d=0.05715m)中,管的一端熔封,另一端打磨後嵌入55/50錐形接頭中。用石蠟將石英管密封在真空體系中。充入Ar(先通過熱的金屬純化)到P=101.325kPa,用6kW感應爐加熱到550~600℃,使反應發生(鉭坩堝温度突然上升為據)。5min後達到1000℃,維持13min使產生的稀土金屬完全結塊。冷卻到室温,用水浸泡鉭坩堝以除掉CaCl2、Ca,稀土金屬融體保留在底部(含1%~3%Ca)。 [7] 
2. 在100mL鎳坩堝中電解熔融的25gKOH + 10gNaOH + 2.5gH2O + 4gPr2O3 + 2gKClO3的混合物。鎳坩堝置於300瓦的電爐中,用一支裝金屬箍頭的玻璃温度計測量温度,粗的絲作為陽極稍稍浸入熔融物的液麪下,坩堝作為陰極,電壓4V。温度控制在320~335℃直至得到清澈的熔化物,而後形成一層發亮的黑色殼狀物質,輕輕取出。350℃、380℃下進行第二次和第三次電解,得到產物。 [7] 

應用領域

鐠在石油化工方面可用作催化劑。 [1] 
鐠作為用量較大的稀土元素,很大一部分是以混合稀土的形式被利用,比如用作金屬材料的淨化變質劑、化工催化劑、農用稀土等等。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中製備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。作為塑料改性添加劑,在聚四氟乙烯(PTFE)中加入鐠釹富集物,可明顯提高PTFE的耐磨性能。
稀土永磁材料是當今最熱門的稀土應用領域。鐠單獨用作永磁材料性能並不突出,但它卻是一個能改善磁性能的優秀協同元素。無論是第一代稀土永磁材料釤鈷永磁合金,還是第三代稀土永磁材料釹鐵硼,加入適量的鐠都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能積,兩者的比例一般為80%Sm-20%Pr,若鐠加入過多反而會降低材料的矯頑力和穩定性。在第三代稀土永磁材料釹鐵硼中,添加鐠可以提高材料的矯頑力,德國、日本等國在生產高矯頑力釹鐵硼磁體時,均加入部分鐠。鐠的加入量為5%~8%,最高達10%,可取代1/3的釹。磁性材料對鐠質量要求較高,至少應達到釹的同等質量。加入鐠還能提高磁體抗氧化性能(耐空氣腐蝕)和機械性能,已被廣泛應用於各類電子器件和馬達上。
鐠還可用於研磨和拋光材料。純基拋光粉通常為淡黃色,是光學玻璃的優質拋光材料,已取代拋光效率低又污染生產環境的氧化鐵紅粉。氧化釹對拋光作用不大,但鐠卻有良好的拋光性能。含鐠的稀土拋光粉會呈紅褐色,也被稱作紅粉,但這種紅不是氧化鐵紅,而是由於含有氧化鐠使稀土拋光粉顏色變深。鐠還被用新型磨削材料,製成含鐠剛玉砂輪。與白剛玉相比,在磨削碳素結構鋼、不鏽鋼、高温合金時,效率和耐用性可提高30%以上。為了降低成本,過去多用鐠釹富集物為原料,故稱鐠釹剛玉砂輪。
鐠在光纖領域的用途也越來越廣,已開發出在1300~1360nm譜區起放大作用的摻鐠光纖放大器(PDFA),技術日趨成熟。PDFA以其優異的性能價格比,對中國當前大量鋪設的1550nm的CATV系統光纖有線電視的興建改造與系統升級有着重大的實際意義。PDFA將從根本上改變現有的1550nmCATV的網絡格局,使1310nmCATV系統在HFC系統改造中成為替代1550nm系統的理想選擇。

計算化學數據

數據 [7] 
1.疏水參數計算參考值(XlogP):無
2.氫鍵供體數量:0
3.氫鍵受體數量:0
4.可旋轉化學鍵數量:0
5.互變異構體數量:無
6.拓撲分子極性表面積0
7.重原子數量:1
8.表面電荷:0
9.複雜度:0
10.同位素原子數量:0
11.確定原子立構中心數量:0
12.不確定原子立構中心數量:0
13.確定化學鍵立構中心數量:0
14.不確定化學鍵立構中心數量:0
15.共價鍵單元數量:1

生物學作用

鐠的氯化物對乳酸脱氫酶、穀氨酸脱氫酶、6-磷酸葡萄糖脱氫酶和醛縮酶的活性顯示抑制作用。進而干擾糖類、脂類和蛋白質的代謝。 [3]  鐠是生物學作用待證實的微量元素,已在動物組織中發現,但生物學作用不明,尚有待證實。這種情況説明微量元素在動物體中功能和與健康的關係的研究還有待進一步的展開。 [4] 

分析方法

稀土合金的檢測技術主要有滴定法、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP—AES)、X射線熒光光譜法(XRF)等。XRF法因其分析元素多、濃度範圍廣(10-6~100%)、分析精度高等優點,而廣泛應用於多種金屬合金的檢測。 [6] 
光度分析
鐠的光度分析主要採用常規光度法、直接光度法和熒光光度法。常規光度法分為偶氮胂Ⅲ法、對溴偶氮胂(PBA)法、三溴偶氮胂(TBA)法、二溴羧基偶氮胂(DBCA)法、偶氮胂膦Ⅲ(CPAⅢ)法、二溴一氯—偶氮氯膦(DBC—CPA)法、PAN法等。以光度法分析鐠時所用的顯色劑基本是偶氮胂和偶氮氯膦2大類。 [5] 
XRF
主要方法:通過“酸分解—沉澱—過濾—灼燒”等步驟將金屬合金轉變成氧化物形態,熔融制樣後,以X射線熒光光譜法測定了鑭鈰鐠釹稀土合金中的La、Ce、Pr、Nd含量。
具體步驟:講鑭鈰鐠釹稀土合金樣品用硝酸溶解,加入氨水將待測物沉澱,用無灰濾紙過濾,濾渣經過灼燒後轉變成氧化物形態。用四硼酸鋰和偏硼酸鋰混合熔劑將灼燒殘渣熔融制樣,建立了波長色散X射線熒光光譜法測定鑭鈰鐠釹稀土合金中La、Ce、Pr、Nd的分析方法。
試驗結果:方法精密度和準確度能滿足質量檢驗的要求。 [6] 

安全防護

鐠 [2]
鐠具有低毒性,接觸時應注意安全防護。 [1]  純鐠必須在礦物油或密封塑料中保存。

注意事項

像其他稀土元素一樣,鐠具有慢性低毒,不是生物必須元素。
參考資料
  • 1.    中國大百科全書出版社.中國大百科全書.北京:中國大百科全書出版社,1993年9月18日
  • 2.      .webqc[引用日期2013-10-10]
  • 3.    倪亞明,顏崇淮,張敬,許道禮,孫愛貞著.微量元素與營養健康:同濟大學出版社,2009.05:177
  • 4.    劉錚等編著.微量元素的農業化學:農業出版社,1991.08:99
  • 5.    楊鄉珍.鐠的光度分析研究進展[J].濕法冶金,2013,32(01):64-66.
  • 6.    普旭力,蔡繼傑,王偉等.熔融制樣-X射線熒光光譜法測定鑭鈰鐠釹稀土合金[J].冶金分析,2015,35(01):34-37.
  • 7.      .化學+[引用日期2024-06-14]