У вільному вигляді в природі празеодbм не зустрічається, оскільки повільно окислюється на повітрі з формуванням пластівців пухкого оксиду Pr6O11 чорного кольору. Дивлячись на цю формулу, неважко помітити, що валентність металу в з'єднанні дивна, більше трьох, але менше чотирьох. Вважається, що це не індивідуальне з'єднання. Рухливість електронів у нього висока, що грає важливу роль при створенні каталізаторів, датчиків і електронних компонентів. і в той же час він аж ніяк не провідник, а хороший ізолятор. Як і належить рідкоземельним елементам, зустрічається празеодим в суміші зі своїми
найближчими родичами і відокремляться від них насилу. Його вміст у земній корі 4,5-9 мг/кг, в морській воді - 2,6 10-6 мг/л. Кілограм цього металу в 2012 році коштував 4700 доларів - приблизно як 2,75 унції золота. Застосування - кілька тисяч тонн в рік.
Як празеодим знайшли
Історія відкриття празеодіма супроводжувалася низкою помилок. У 1839 році Карл Мозандер зауважив, що відкрита раніше церієва земля неоднорідна. Виділену з неї речовину він назвав лантановою землею. А в 1841 році йому вдалося виділити з останньої нову землю. З огляду на виключну близькість властивостей цих земель утворюючий її хімічний елемент отримав назву дидим - «двійник», «близнюк» в перекладі з грецької. У 1861 році в ранньому варіанті періодичної таблиці він навіть отримав символ Dі. Однак в 1879 році французький хімік Лекок де Буабодран показав, що дідім неоднорідний, і виділив з нього новий елемент - самарій. Далі виявилося, що спектр дідіма залежить від того, з якого мінералу його виділили. У 1882 році Богуслав Браунер з Праги знайшов ще одну цікавинку дідіма: його атомна вага теж залежав від вихідного мінералу. Так стало остаточно ясно, що ніякого елемента дідіма немає, але Браунер не зміг розділити його на складові.
Щастя посміхнулося в 1885 році австрійцю Ауер фон Вельсбаху, великому фахівцеві з рідкісних земель.
Він змусив дідим взаємодіяти з азотною кислотою і отримав його кристалічну сіль. Після сотні операцій по фракційній кристалізації, кожна з яких тривала по дві доби, в його руках опинилися кристали двох солей - зеленуватої і рожевої. Метал, який утворює першу, він назвав празеодимом - від «празіос дідімос», «зелений близнюк». Другу сіль приписали «новому близнюку» - неодиму. В металевому вигляді чистий празеодим отримали в 1931 році.
Чи використовують зараз дідім? Незважаючи на, здавалося б, кончину дідіма, він продовжує існувати в науковій літературі. Мабуть, причина в тому, що аж ніяк не завжди має сенс розділяти два таких близьких метали. Так, в 2011 році дослідники, що аналізують стан переробки рідкоземельних елементів, відзначали, що в Каліфорнії отримують з руди лантановий концентрат і дідім: чверть празеодиму і три чверті неодиму.
Де сьогодні застосовують празеодим
У празеодима, як і у родинних йому лантанидів, є два гідності, що стали причиною його використання. Це здатність до сильної люмінесценції за рахунок переходу електронів між f і d-підуровнями, які дають, зокрема, поглинання і випромінювання в ультрафіолетовій області спектра, а також високий діамагнетизм.
Вмістне празеодім скло йде на виготовлення окулярів, що захищають від ультрафіолету очі зварників і плавщиків скла. При цьому скло з оксидом празеодиму практично безбарвне, хоча в великому обсязі має зеленуватий колір. Своє місце знайшов цей елемент і в виробництві яскраво-жовтих пігментів для кераміки.
У магнітожорсткі сплави системи неодим-залізо-бор - саме з них роблять, зокрема, сердечники генераторів вітряків - празеодим входить, як правило, в якості добавки до брата. Адже неодим в природі зустрічається набагато частіше - у лантаноїдів є специфічне правило парності: вміст елементів з парними номерами в кілька разів більше, ніж з непарними. Втім, розробляють і магнітні сплави тільки з празеодимом, а ще він значно підвищує міцність і твердість магнієвих, алюмінієвих і титанових сплавів. Однак в XXI столітті празеодім може придбати нові професії. Ось кілька прикладів.
Як празеодим застосувати в електротехниці
Суперконденсатори вважають незамінними пристроями для електромобілів, для енергетичних систем майбутнього, які будуть засновані на вітрі і сонячному світлі, в загальному скрізь, де виникають пікові навантаження, які треба згладжувати. Суперконденсатор здатний швидко віддавати накопичену електрику і це подовжує в рази термін життя акумуляторів, які добре себе почувають при постійному навантаженні. Для створення суперконденсатора потрібні електроди з великою питомою поверхнею. Зараз їх роблять з пористого вуглецю, проте можливий і інший підхід - наночастинки провідного полімеру. Саме такі частки, з ядром з оксиду празеодиму і зовнішнім шаром з поліпіррола, отримали в 2011 році («Electrochimica Acta», 2011, 58, 193-202). Провідність електрода з таких частинок, нанесених на нікелеву губку, була в півтора рази більше, ніж у чистого поліпіррола, і здатність до накопичення електрики значно менше змінювалася після багатьох циклів зарядки-розрядки.
Намагаються прилаштувати празеодім і в паливні елементи («Journal of Power Sources», 2011, 196, 4, 1872-1879). Так, в їх різновиді з твердим електролітом, що працює при 600°С, застосовують катод зі сплаву на основі церію і лантану. Його заміна на нікеліт празеодиму показала: опір катода можна зменшити в десять разів, що сприятливо позначиться на долі такого елемента.
Чи може стати в нагоді радіоактивний празеодим
Радіоізотопи з початку атомної ери використовують в медицині для знищення ракових клітин всередині організму. Для цього потрібно, щоб ізотопи радіоактивного елемента випускали тільки бета-промені - електрони - і давали трохи гамма-променів. Електрони дуже швидко втрачають енергію і практично не шкодять здоровим тканинам, гамма-промені же легко пронизують весь організм, викликаючи численні ушкодження. Однак невелике гамма-випромінювання дозволяє легко виявити, в якому місці зосередився радіоактивний препарат.
Важкі, наповнені нуклонами ядра лантаноїдів - відмінні претенденти на роль таких медичних ізотопів: додай в ядро один нейтрон, і той в силу відомого правила радіоактивності, що зв'язує число протонів і нейтронів в стабільному ядрі, швидко перетвориться в протон і електрон, що вилітає геть з атома. І дійсно, відразу за неодимом в таблиці стоїть радіоактивний прометий, у якого взагалі немає стабільних ізотопів.
У празеодима радіоактивний ізотоп Рr-142, здатний давати м'яке бета-опромінення з малою кількістю гамма-квантів, отримують або в реакторі, або в прискорювачі, обробляючи нейтронами мішень з стабільного Рr-141. Він відрізняється від багатьох інших медичних радіоактивних ізотопів невеликим періодом напіврозпаду (19,12 годин) і віддачею 90% дози за 2,68 доби, тобто джерело виходить інтенсивне і маложивуче. Для порівняння, ітрій-90 має період напіврозпаду 64 години, а фосфор-32 - 14 днів. Гамма промені несуть лише 3% енергії радіоактивного розпаду, що завдає мінімальної шкоди сусіднім тканинам, а бета-електрони проникають в тканину на 3 см. Такий препарат не вимагає спеціальних захисних заходів, празеодім можна поміщати в скляні зерна і працювати з ним у звичайній операційній. Параметри празеодимового джерела дозволяють застосовувати його для знищення клітин раку простати - в цьому випадку в пухлину впроваджують згадані зерна («Annals of Nuclear Medicine», 2011, 25, 8, 529--535). Якщо ж використовувати наночастинки оксиду радіоактивного празеодиму Рr2О3 - тоді вийде зброя подвійної дії проти раку легень: спочатку празеодим діє на клітини пухлини радіацією, а потім, перетворившись в оксид неодиму, викликає їх самознищення («Nuclear Medicine Communications», 2013, 34 (1), 5-12).
Радіоактивні препарати празеодима можна застосовувати і в радіохірургії при лікуванні артеріовенозної мальформації, коли виникає прямий зв'язок між веною і артерією, а також для руйнування ущільнень, що утворюються при ревматоїдному артриті.
Які нанопристрої можна зробити з празеодиму
Нанотехнологи хочуть скористатися здатністю празеодима випромінювати ультрафіолет. Для цього потрібно спочатку в кілька кроків перемістити електрон з f-підрівня на вищерозміщений d-підрівень, а потім забезпечити його спуск. Наверх електрон заганяють світлом помаранчевого лазера, при падінні він дає ультрафіолет. Якщо імплантувати окремі іони празеодиму в нанокристал ітрій-алюмінієвого граната, то вийде компактний випромінювач ультрафіолету. При певному мистецтві можна зробити навіть одноатомний випромінювач («Nature Communications», 28 серпня 2012 року, dоі: 10.1038/ncomms2034). Для цього, правда, потрібно ретельно очистити сам гранат - разом з ітрієм туди потрапляє чимало атомів празеодіма. Такий випромінювач, особливо якщо імплантовані атоми розмістити у вигляді візерунка, наприклад сітки, стане в нагоді і для виробництва наноструктур, і для роботи з живим матеріалом. У першому випадку на такий кристал наносять шар фоторезиста, висвітлюють лазером, той викликає світіння атомів празеодbмe, і навколо кожного з них фоторезист полімеризується у вигляді півсфери. У другому випадку бактерії, нанесені на поверхню кристала, гинуть при помаранчевому, нешкідливому для людини, опроміненні - такий випромінювач стане в нагоді і для медиків, і для біологів.
Флюоресценція з використанням f-злектронів дає можливість створювати і зонди, що світяться для дослідження великих молекул, наприклад ДНК. Справа в тому, що зовнішнє поле сильно впливає на геометрію електронних хмар, а отже, і на параметри світіння. Щоб цим скористатися, іон празеодіма прикріплюють до якоїсь малої органічної молекулі. Коли вона приєднається до ДНК, іон змінить характер свого світіння і, дивлячись на нього, дослідник зможе дізнатися, як здійснюється цей зв'язок («Spektrochimica Acta A», 2011, 78, 389-395).
Ще одна перспективна область для празеодbма - квантові комп'ютери. Його ядро володіє спіном, напрямок якого можна міняти за допомогою випромінювання. У цьому стані ядро празеодима може перебувати довго, десятки секунд. Дізнатися ж про направлення ядерного спіна можна, вивчаючи кванти світла, випущені цим атомом при флюоресценції («Nature Communications», 28 серпня 2012 року, dоі: 10.1038 /ncomms52034). Більш того, можна організувати взаємодію празеодимових кубітів, навіть якщо вони розташовані на відстані в десятки нанометрів один від одного, що підказує цікаві ідеї для розробки твердотільного квантового комп'ютера.
