59. Praseodym (Pr) - Das grüne Glas-Element

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns einem Element. Das über ein Jahrzehnt lang unerkannt in einer vermeintlich einheitlichen Substanz verborgen blieb, dass Glasbläserinnen und schweißern bis heute die Augen schützt und dessen sattgrüne Farbe ihm seinen Namen gab.

0:41 Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Praseodym, dem grünen Glaselement. Praseodym trägt im Periodensystem das Symbol Pr und die Ordnungszahl 59. Es gehört, wie bereits einige Elemente, die wir in dieser Reihe kennengelernt haben, zur Gruppe der Lanthanoide und damit zur größeren Familie der Seltenen Erden. Um die Entdeckungsgeschichte von Praseodym zu verstehen, müssen wir noch einmal kurz zu jenem verworrenen Kapitel der Chemiegeschichte zurückkehren, dass wir bereits bei unseren bisherigen Folgen über Lantan und Cer gestreift haben. Bereits im Jahr 1841 hatte der schwedische Chemiker Karl Gustav Mosander bei seinen Untersuchungen von Cher und Lantern Mineralien eine weitere

1:29 bis dahin unbekannte Substanz isoliert, die er Didum nannte. Vom griechischen Wort für Zwilling, da sie dem Lantern chemisch zum Verwechseln ähnlich war. Über Jahrzehnte hinweg galt Didum in der chemischen Fachwelt als eigenständiges chemisches Element. Obwohl bereits einige forschende Zweifel an seiner tatsächlichen Reinheit hegten, da sich sein Spektrum bei genauerer spektroskopischer Untersuchung eigentümlich komplex zeigte.

1:57 Die endgültige Aufklärung dieses Rätsels gelang erst im Jahr 1885 dem österreichischen Chemiker Karl Auer von Welsbach, jenem Forscher, dem wir bereits in unserer Folge über CER als Erfinder des Gasglühstrumpfs und des modernen Feuerzeugfeuersteins begegnet sind. Auer von Welsbach unterzog Proben von Didymsalzen einem äußerst aufwändigen Verfahren namens Fraktionierte Kristallisation, bei dem eine Lösung wiederholt langsam eingedampft wird, wodurch sich chemisch geringfügig unterschiedliche Bestandteile in leicht unterschiedlichen Anteilen in den jeweils zuerst und zuletzt auskristallisierenden Fraktionen anreichern.

2:36 Dieses mühsame Verfahren musste er buchstäblich hunderte Male wiederholen. Bevor sich schließlich 2 chemisch klar unterscheidbare Fraktionen mit deutlich unterschiedlichen Absorptionsspektren und Salzfarben Herauskristallisierten. Damit hatte Auer von Welsbach bewiesen, dass das vermeintliche Element Didym in Wahrheit ein Gemisch zweier bis dahin unbekannter Elemente war. Bei der Namensgebung für die beiden neu entdeckten Elemente ließ sich Auer von Welsbach von deren charakteristischen Salzfarben leiten.

3:07 Das eine Element bildete Salze von einer auffälligen sattgrünen Farbe, weshalb er es Praseodym nannte, zusammengesetzt aus dem griechischen Wort Prasios für Lauchgrün und dem bereits etablierten Namensbestandteil Didym. Das andere neu entdeckte Element erhielt den Namen Neodym, was so viel wie neues Didym bedeutet und dem wir in einer eigenen Folge unserer Reihe noch ausführlich begegnen werden.

3:34 Praseodym war damit gewissermaßen der grüne Zwilling in dieser wissenschaftlichen Familiengeschichte. Einnahme, der bis heute an die auffällige Farbe seiner charakteristischen Verbindungen erinnert. Chemisch und physikalisch ist Praseodym ein typischer Vertreter der Lanthanoide ein weiches, silbrig glänzendes Metall, das an feuchter Luft rasch anläuft und sich mit einer grünlich gelben Oxidschicht überzieht.

4:00 Die im Gegensatz zu manch anderem selten Erdmetall nicht ausreichend schützend wirkt, um eine fortschreitende Korrosion des darunter liegenden Metalls zu verhindern. Mit einer Dichte von etwa 6,8 Gramm pro Kubikzentimeter und einem Schmelzpunkt von rund 931 Grad Celsius reiht sich praseodym dabei in vielen seiner physikalischen Grundeigenschaften nahtlos zwischen seine unmittelbaren Nachbarn cher und Neodym im Periodensystem ein.

4:26 Ein Muster, das für die gesamte Reihe der Lanthanoide charakteristisch ist. Aus diesem Grund wird reines Praseodym wie viele seiner Verwandten üblicherweise unter Mineralöl oder in versiegelten Behältnissen unter Schutzgas gelagert. In seinen chemischen Verbindungen tritt Praseodym überwiegend in der Oxidationsstufe plus 3 auf, kann jedoch ähnlich wie sein Nachbar zäher, unter bestimmten Bedingungen auch die Oxidationsstufe plus 4 annehmen. Etwa in der Verbindung Praseodymdioxid, die allerdings deutlich instabiler ist als das entsprechende Cerdioxid und daher chemisch und technisch eine geringere Rolle spielt. In der Praxis existiert Praseodymoxid zumeist als eine gemischte, nichtstöchiometrische

5:11 Verbindung, die vereinfacht oft als PR 6 o 11 beschrieben wird, ein charakteristisch dunkelbraunes bis schwarzes Pulver, in dem sich Praseodymionen in beiden Oxidationsstufen gemeinsam finden. Kommen wir nun zu jener Anwendung, die Praseodym seinen Beinamen als grünes Glaselement eingebracht hat und die bis heute Menschen in ganz unterschiedlichen Berufsfeldern tagtäglich vor Schaden bewahrt. Bereits kurz nach der Entdeckung von Praseodym und Neodym stellte sich heraus, dass eine Mischung dieser beiden Elemente, die man aufgrund ihrer gemeinsamen historischen Herkunft aus dem ursprünglichen Didym auch als Didymglas bezeichnet. Ganz besondere optische Eigenschaften besitzt wird eine solche praseodym neodym Mischung

5:58 in Glas eingeschmolzen, entsteht ein Filtermaterial, das gezielt jene spezifischen Lichtwellenlängen absorbiert, die beim Erhitzen von Natriumverbindungen sowie bei bestimmten industriellen Prozessen als besonders grelles, blendendes Licht auftreten. Insbesondere die charakteristische Intensivgelbe Natrium D-Linie.

6:19 Genau aus diesem Grund wird Didymglas seit mehr als einem Jahrhundert für Schutzbrillen von Glasbläserinnen und Glasbläsern sowie beim Autogenen Schweißen und Löten verwendet. Wer schon einmal beobachtet hat, wie geschmolzenes Glas an einer Glasbläserpfeife bearbeitet wird oder wie an einer Schweißnaht mit Sauerstoff, acetylen, Gemischen gearbeitet wird, hat vermutlich schon einmal die charakteristisch bräunlich violette Tönung einer solchen Didymschutzbrille gesehen.

6:49 Ohne zu wissen, dass genau jenes Element, dem diese Folge gewidmet ist, für den entscheidenden Blendschutz sorgt. Ohne diesen Schutz könnten die extrem grellen Lichtblitze, die bei diesen Arbeiten entstehen, langfristig zu schmerzhaften und dauerhaften Schädigungen der Netzhaut führen, weshalb Didymglas bis heute in vielen handwerklichen und industriellen Bereichen als unverzichtbare Schutzausrüstung gilt. Auch als Farbmittel spielt Praseodym eine bedeutende Rolle. Allerdings nicht nur im Schutzglas, sondern gezielt zur Erzeugung einer ganz bestimmten Farbe, dem sogenannten Praseodymgelb, einem kräftigen, gelblich grünen Farbton, der insbesondere in der keramischen Industrie geschätzt wird, wird Praseodymoxid in Kombination mit

7:35 Zirkonsilikat in Glasuren und Keramikfarben eingearbeitet, entsteht ein außerordentlich lichtechtes, hitzebeständiges Pigment. Das sich hervorragend zur Färbung von Fliesenglasuren Porzellan und anderen keramischen Erzeugnissen eignet. Dieses Pigment ist besonders deshalb bemerkenswert, weil es im Gegensatz zu vielen älteren giftigen Farbstoffen auf Basis von Cadmium, Chrom oder Blei als vergleichsweise umweltverträglich gilt.

8:01 Weshalb Praseodymgelb seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in der keramischen Industrie zunehmend an Bedeutung gewann und heute in Fliesen, Sanitärkeramik und Geschirr weltweit Verwendung findet. Auch in der Metalogie hat Praseodym praktische Bedeutung erlangt, in Kombination mit Magnesium bildet Praseodym besonders hitzebeständige und mechanisch belastbare Leichtmetalllegierungen.

8:27 Die über Jahrzehnte hinweg in Bauteilen von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurden, wo eine Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit bei erhöhten Betriebstemperaturen von entscheidender Bedeutung ist. Auch das bereits aus unserer Folge über Cer bekannte Mischmetall, jene Legierung, die bis heute in Feuerzeug Feuersteinen zum Einsatz kommt, enthält neben Cer und Lantan meist auch einen gewissen Anteil an Praseodym.

8:55 Da das natürliche Rohstoffgemisch bei der Verarbeitung von selten RDR 10 ohnehin stets mehrere dieser eng verwandten Elemente gemeinsam enthält und eine vollständige Trennung für viele Anwendungen weder notwendig noch wirtschaftlich sinnvoll ist, ein weiteres technisch anspruchsvolles Einsatzgebiet von Praseodym findet sich in der Telekommunikationstechnik, genauer gesagt in der Glasfasertechnologie. Mit Praseodym dotierte optische Fasern, sogenannte Praseodym, dotierte Faserverstärker ermöglichen es, optische Signale direkt innerhalb der Glasfaser selbst zu verstärken, ohne dass das Licht zuvor in ein elektrisches Signal umgewandelt und anschließend wieder in Licht zurückverwandelt werden muss. Während für den heute

9:40 überwiegend genutzten Wellenlängenbereich um 1550 Nanometer meist mit Erbium dotierte Faserverstärker zum Einsatz kommen. Eignen sich mit prase Odem dotierte Fasern besonders gut für einen benachbarten, historisch ebenfalls bedeutsamen Wellenlängenbereich um 1300 Nanometer, der in bestimmten älteren oder spezialisierten Glasfasernetzen nach wie vor genutzt wird?

10:05 Diese Technologie leistete in den 1990er Jahren einen wichtigen Beitrag zur rasanten Expansionsfähigkeit optischer Datennetze und damit letztlich zur Entwicklung des modernen globalen Internets. Auch in der Welt der Permanentmagnete taucht praseodym gelegentlich auf, wenn auch meist im Schatten seines direkten Verwandten Neodym.

10:27 Kommerziell erhältliche sogenannte didym Magnete bestehen aus einer Legierung von neodym, Eisen und Bor, der gezielt ein gewisser Anteil Praseodym beigemischt wird. Diese Beimischung kann die Korrosionsbeständigkeit sowie bestimmte magnetische Eigenschaften der Legierung verbessern. Weshalb Praseodymhaltige Magnetlegierungen insbesondere im Hobbybereich sowie in bestimmten industriellen Anwendungen, in denen eine vollständige Trennung von Neodym und Praseodym aus Kostengründen nicht erforderlich ist, nach wie vor verbreitet sind.

11:00 Auch in der Beleuchtungstechnik, die wir bereits bei Lantan und Cher als wiederkehrendes Thema kennengelernt haben, spielte Praseodym historisch eine unterstützende Rolle. In den bereits erwähnten Kohlebogenlampen, wie sie über weite Teile des 20. Jahrhunderts in Filmprojektoren und Suchscheinwerfern eingesetzt wurden, wurden die Kohlenstoff Elektroden häufig mit einer Mischung verschiedener Seltenerdverbindungen dotiert, in der neben Cher und Lantern regelmäßig auch Praseodym enthalten war, um das erzeugte Licht in seinem gesamten Farbspektrum möglichst nah an das natürliche Sonnenlicht anzunähern.

11:35 Bezüglich seiner natürlichen Herkunft findet sich praseodym wie die meisten Lanthanoide, niemals in reiner metallischer Form in der Natur, sondern ausschließlich gebunden in den bereits bekannten Seltenerdmineralien Monazit und Bastnesit im natürlichen Rohstoffgemisch dieser Minerale macht Praseodym typischerweise nur einen vergleichsweise geringen Anteil aus, deutlich weniger als das häufigere Cer oder Lantan. Aber immer noch deutlich mehr als viele der schwereren, seltener vorkommenden Lanthanoide gegen Ende der Reihe.

12:09 Praseodym besitzt zudem nur ein einziges, natürlich vorkommendes, stabiles Isotop Praseodym 141, das nahezu 100% des natürlich vorkommenden Elements ausmacht, ein bemerkenswerter Umstand, der Praseodym zu einem der wenigen sogenannten monoisotopischen Elemente des gesamten Periodensystems macht. Also Elementen, die in der Natur praktisch ausschließlich in Form eines einzigen Isotops vorkommen. Diese isotopische Reinheit macht praseodym 141 auch für die Grundlagenforschung interessant, insbesondere in der Kernphysik, wo es unter anderem als Ausgangsmaterial zur Herstellung radioaktiver praseodym Isotope für Forschungszwecke dient. Das künstlich erzeugte Isotop praseodym 142 etwa besitzt eine Halbwertszeit von rund 19

13:02 Stunden und wurde in der Vergangenheit vereinzelt in der experimentellen Strahlentherapie sowie in nuklearmedizinischen Forschungsprojekten untersucht. Wenngleich es sich hierbei bislang um ein eher randständiges Anwendungsgebiet handelt, das in der klinischen Praxis kaum eine Rolle spielt. Interessanterweise besitzen einige Praseodymverbindungen zudem bemerkenswerte magnetische Tieftemperatureigenschaften, die in der physikalischen Grundlagenforschung intensiv untersucht werden. Bestimmte Praseodymverbindungen zeigen bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ungewöhnliche magnetische Ordnungszustände, die Festkörperphysikerinnen und Festkörperphysikern helfen.

13:44 Grundlegende quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen magnetischen Momenten in kristallinen Materialien besser zu verstehen. Erkenntnisse, die langfristig auch zur Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien und Quantentechnologien beitragen, können eine weniger bekannte, aber wissenschaftlich bedeutsame Anwendung von Didymglas findet sich zudem in der analytischen Chemie und Physik selbst.

14:08 Aufgrund seiner außerordentlich scharfen und präzise reproduzierbaren Absorptionslinien im Sichtbaren und nah infraroten Spektralbereich wird Didymglas seit Jahrzehnten als sogenannter Wellenlängenkalibrierstandard für optische Spektrometer eingesetzt. Nationale Metrologieinstitute, darunter das amerikanische National Institute of Standards and Technology, stellen zu diesem Zweck präzise zertifizierte Praseodym Neodym Glasproben her. Mit deren charakteristischen Absorptionsbanden sich empfindliche Labormessgeräte regelmäßig überprüfen und exakt nachjustieren lassen.

14:46 Diese Anwendung mag auf den ersten Blick unscheinbar wirken, ist jedoch für die Verlässlichkeit unzähliger wissenschaftlicher Messungen in der Chemie, der Pharmaforschung und der Materialwissenschaft von grundlegender Bedeutung, denn nur mit exakt kalibrierten Geräten lassen sich Messergebnisse zwischen unterschiedlichen Laboren weltweit zuverlässig vergleichen.

15:07 Blicken wir noch einmal auf die metallogische Bedeutung von Praseodym, insbesondere im Kontext der bereits erwähnten Magnesiumlegierungen. Diese sogenannten Hochwarmfesten Magnesiumlegierungen, denen neben Prasodym häufig auch geringe Mengen anderer Seltenerdmetalle beigemischt werden, zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch bei erhöhten Betriebstemperaturen. Wie sie etwa im Bereich von Turbinengehäusen und Getriebeteilen von Flugzeugtriebwerken auftreten. Ihre mechanische Festigkeit und Kriegbeständigkeit deutlich besser bewahren als unlegiertes Magnesium. Diese Eigenschaft war insbesondere in der zweiten Hälfte des 20 Jahrhunderts von erheblicher Bedeutung für die Luft und Raumfahrtindustrie, da

15:50 das geringe Gewicht von Magnesiumlegierungen gegenüber herkömmlichen Stahl oder Titanbauteilen erhebliche Treibstoffeinsparungen ermöglichte. Auch hier zeigt sich exemplarisch, wie sehr moderne Hochtechnologie auf das Zusammenspiel mehrerer chemisch eng verwandter Seltenerdmetalle angewiesen ist, die in der Praxis selten als isoliertes Reinelement, sondern meist als sorgfältig abgestimmtes Legierungsgemisch zum Einsatz kommen. Auch in der Leuchtstofftechnologie hat Prasodym punktuell Bedeutung erlangt. Mit Praseodym dotierte Kristalle und Keramiken können abhängig von der jeweiligen Wirtsstruktur charakteristisches grünes oder rötliches Licht emittieren.

16:30 Wenn sie mit energiereicher Strahlung oder ultraviolettem Licht angeregt werden. Diese Eigenschaft wird unter anderem in spezialisierten Leuchtstoffen für bestimmte Displaytechnologien sowie in der Forschung zu neuartigen Festkörperlasern untersucht, bei denen Praseodym dotierte Kristalle als aktives Lasermedium.

16:50 Für bestimmte, vergleichsweise selten benötigte Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich dienen können ein Forschungsfeld, das insbesondere für spezialisierte wissenschaftliche und medizinische Laseranwendungen von Interesse ist, was die Gewinnung von Praseodym betrifft, gilt ähnliches wie bei den bereits vorgestellten Seltenerdmetallen unserer Reihe. Die weltweite Förderung konzentriert sich stark auf wenige Länder, allen voran China. Das über die bedeutendsten Lagerstätten und Verarbeitungskapazitäten verfügt. Da Praseodym im natürlichen Rohstoffgemisch stets gemeinsam mit anderen Lanthanoiden anfällt, hängt seine Verfügbarkeit eng mit der Gesamtnachfrage nach Seltenen Erden zusammen, insbesondere mit

17:36 jener nach den für Permanentmagnete besonders wichtigen Elementen Neodym und Dysprosium. Die. In toxikologischer Hinsicht gilt Praseodym ähnlich wie Cher als vergleichsweise wenig bedenklich. Es besitzt keine bekannte biologische Funktion im menschlichen Körper, wird bei versehentlicher Aufnahme jedoch nur in geringem Umfang resorbiert, wenngleich beim Umgang mit feinem Praseodymstaub aufgrund der allgemeinen Reizwirkung von Metallstäuben auf die Atemwege dennoch angemessene Schutzmaßnahmen empfohlen werden. Wenn wir also heute an praseodym denken. Sollten wir nicht nur an ein weiteres, unscheinbares, selten erdmetall denken, sondern an ein Element, dessen charakteristisches Grün

18:19 buchstäblich zwischen den Augen von Glasbläserinnen Schweißern und den grellsten Lichtquellen unserer industriellen Welt steht und dabei täglich unzählige Menschen vor Schaden bewahrt? Von der Schutzbrille über die Keramiklasur bis zur Glasfaserverstärkung zeigt Prase Odym eindrucksvoll, wie ein einst nur mühsam von seinem chemischen Zwilling getrenntes Element zu einem stillen, aber unverzichtbaren Helfer in ganz unterschiedlichen Lebensbereichen werden konnte.

18:46 Auch diese Geschichte erinnert uns daran, wie wertvoll die natürlichen Ressourcen unseres Planeten sind und wie wichtig ein verantwortungsvoller, nachhaltiger Umgang mit ihnen bleibt. Unsere Erde und die offenen demokratischen Gesellschaften, in denen wissenschaftliche Entdeckungen wie diese frei erforscht und verantwortungsvoll genutzt werden können, zu schützen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit.

19:09 Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt von Praseodym angekommen, wir hoffen, dir hat der Ausflug vom grünen Zwilling bis zur Schutzbrille gefallen, wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da. Das hilft uns dabei, weiterhin spannende Wissensreisen für dich zu produzieren. Bis zur nächsten Folge.

19:29 Bleib neugierig.