59 Pr 镨 140.908
镧系元素 f区 第6周期

镨

Pr · 元素59 · 镧系元素

一种能给焊工护目镜着色的稀土元素,与钕形成合金后可制造强大的磁体。

20°C时的状态 固态
原子量 140.908 u
电子排布[Xe] 4f³ 6s²

结构

镨原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示镨在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 6.77 g/cm³ 38%
熔点 1208 K 54%
沸点 3793 K 81%
比热容 0.193 J/g·K
热导率 12.5 W/m·K 33%

原子

原子半径 182 pm 70%
共价半径 203 pm
范德华半径 239 pm

电子

电负性 1.13 14%
电离能 526.8 kJ/mol 10%
电子亲和能 10.5 kJ/mol 12%

存在情况

地壳中的丰度 9.2 mg/kg 68%

身份

符号Pr
原子序数59
原子量140.9077 u
类别镧系元素
区f
晶体结构六方晶系
氧化态+3, +4
发现1885
发现者Carl Auer von Welsbach

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

镨的原子有多大?

半径182 pm——即0.182 nm,因此大约2.75百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

镨在2585 K的范围内呈液态,温度从1208 K到3793 K。

所在位置

在表中的位置

镨位于镧系元素系,印在主表格下方。

其他镧系元素

所有镧系元素

背后的故事

镨是什么,以及我们如何发现它

一种能给焊工护目镜着色的稀土元素,与钕形成合金后可制造强大的磁体。

镨的发现

发现故事

1885年——奥地利的联系

Carl Auer von Welsbach是一位奥地利化学家和发明家。当时他正在研究双镧——一种令科学家困惑数十年的假想元素。利用新近发展的分步结晶技术,他怀疑双镧并不是单一元素。

伟大的分离

通过艰苦的结晶实验,Welsbach成功将双镧分离为两种不同的元素。这一过程需要数百次重结晶,并耗时数月。

命名“绿色双胞胎”

Welsbach将其中一种元素命名为“praseodymium”,名称源自希腊语“prasios”(绿色)和“didymos”(双胞胎),指的是它的绿色盐以及它与钕的孪生关系;钕也是他同时发现的。

双镧之谜

40多年来,科学家一直研究“双镧”,认为它是一种单一元素。1841年,Carl Mosander首次将其从铈中分离出来,谜团由此开始。当Welsbach运用系统光谱学研究这种假想元素的性质时,突破终于出现了。

“光谱仪显示出不可能属于单一元素的谱线——双镧之谜终于解开了。”

— Carl Auer von Welsbach,1885年

Welsbach的创新

Carl Auer von Welsbach不仅是发现者,还是一位改变日常生活的发明家:

  • 煤气灯纱罩:利用稀土氧化物发明白炽煤气灯纱罩
  • 打火石:开发了至今仍用于打火机的铈铁合金
  • 白炽灯泡:改进用于电灯照明的钨灯丝

科学影响

Welsbach对镨和钕的分离证明,细致的分析化学能够揭示自然界中隐藏的复杂性。他的技术成为分离所有稀土元素的基础。

认可与遗产

Welsbach一生获得了众多荣誉,包括被奥地利皇帝封为男爵,但他对稀土化学的贡献常常被忽视。现代高科技产业的存在,离不开他的基础性发现。

用途

镨的用途

先进工业应用

镨是稀土家族中的“色彩大师”,能在材料科学中产生最鲜艳的绿色。其独特的电子结构使其在光学和磁性应用中具有不可替代的价值。

玻璃和陶瓷着色

镨黄绿色是科学界已知最稳定、最鲜艳的着色剂之一。与会褪色的有机染料不同,镨能使鲜艳的色彩保持数百年。它用于:

  • 地标建筑中的高端建筑玻璃
  • 教堂和博物馆中的艺术玻璃和彩绘玻璃
  • 豪华餐具用的特种陶瓷
  • 焊工和玻璃工人的防护眼镜

磁性材料

镨是制造世界上最强永磁体的关键材料:

  • 钕-镨-铁-硼(NdPrFeB)磁体——比纯钕磁体更强
  • 电动汽车电机(Tesla、Nissan Leaf、Chevy Bolt)
  • 用于可再生能源的风力涡轮机发电机
  • 用于数据存储的硬盘驱动器执行器
  • 用于医学成像的MRI设备磁体

照明和显示技术

镨独特的光学性质使其成为以下应用的必需材料:

  • 节能照明中的荧光粉
  • 用于工业切割和医疗操作的激光晶体
  • 光纤通信中的光放大器
  • 摄影和天文学用的专用滤光片

高科技应用

  • 量子计算研究——磁性量子比特
  • 用于能量传输的超导材料
  • 用于中子探测的核反应堆部件
  • 用于航空航天的特种合金

日常应用

汽车技术

  • 电动汽车电机磁体(Prius、Model S)
  • 混合动力汽车发电机
  • 先进前照灯系统
  • 发动机控制传感器
  • 催化转化器部件

消费电子产品

  • 计算机硬盘磁体
  • 智能手机扬声器磁体
  • 高端耳机驱动单元
  • 相机镜头元件
  • 游戏机部件

可再生能源

  • 风力涡轮机发电机
  • 太阳能电池板跟踪系统
  • 储能系统
  • 智能电网部件
  • 电动自行车电机

装饰和艺术

  • 艺术玻璃和雕塑
  • 豪华陶瓷餐具
  • 建筑玻璃装饰
  • 珠宝和宝石着色
  • 彩绘玻璃窗

专业设备

  • 焊接安全眼镜
  • 科学仪器
  • 精密光学设备
  • 工业激光系统
  • 分析设备

市场动态

由于供应有限以及电动汽车行业需求不断增长,镨价格高度波动。一辆普通电动汽车的各类部件中需要使用200-600克镨。

来源

自然存在

地壳中含量为9.2 mg/kg · 比68%的元素更丰富

自然分布

镨是较为稀少的稀土元素之一,在矿床中仅占镧系元素总含量的5%左右。尽管被称为“稀土”,它的丰度仍高于银或汞!

丰度统计

  • 地壳:9.2 ppm
  • 排名:丰度最高的元素中排名第39位
  • 海水:6.4 × 10⁻⁷ ppm
  • 稀土分布:占镧系元素总量的5%

主要矿物来源

氟碳铈矿

化学式:(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F
镨含量:4-6%
主要来源:Mountain Pass(美国)、Bayan Obo(中国)

独居石

化学式:(Ce,La,Nd,Th)PO₄
镨含量:3-5%
发现于:海滩砂矿床、砂矿

磷钇矿

化学式:YPO₄(含Pr替代)
镨含量:1-3%
特殊来源:重矿物砂

全球生产

  • 中国:占世界产量的85%(内蒙古、江西)
  • 美国:Mountain Pass矿(稀土产业复兴)
  • 澳大利亚:Mount Weld项目(产能开发中)
  • 印度:Orissa和Kerala海滩砂作业
  • 巴西:Minas Gerais碱性杂岩
  • 南非:Steenkampskraal矿(潜在产能)

地质形成

镨通过极端岩浆分异作用形成于碳酸岩杂岩和碱性火成岩侵入体中。该元素在晚期结晶过程中富集,通常与富氟流体有关。

回收来源

  • 来自硬盘和电机的报废磁体
  • 磁体生产产生的制造废料
  • 电子设备回收(扬声器、传感器)
  • 来自混合动力汽车的汽车部件回收

目前回收效率较低(5-10%),但由于价格上涨和供应担忧,正在快速提高。

供应链挑战

由于生产在地理上的集中,以及从其他稀土元素中分离镨的技术难度较高,镨面临显著的供应链脆弱性。加工需要复杂的化学分离技术。

处理

安全

安全信息

中等危险等级

镨化合物需要谨慎处理,因为存在呼吸道和皮肤致敏风险,金属形态还具有火灾危险。

火灾和反应性危险

镨金属:细分状态下具有高度自燃性!

  • 在室温空气中可能自发着火
  • 与水剧烈反应并产生氢气
  • 储存在矿物油或惰性气氛中
  • 必须使用D类灭火器(切勿用水!)

呼吸健康风险

  • 急性暴露:呼吸道刺激、咳嗽
  • 慢性暴露:可能导致尘肺病(肺部瘢痕)
  • 致敏:可能使敏感人群出现过敏反应
  • 防护:使用配备P100过滤器且经NIOSH批准的呼吸器

皮肤和眼睛接触

  • 皮肤:可能引起刺激和致敏
  • 眼睛:严重刺激和潜在的角膜损伤
  • 吸收:皮肤吸收有限,但应避免长时间接触
  • 个人防护装备:必须佩戴丁腈手套和全覆盖式安全眼镜

应急响应

金属火灾

使用D类灭火器或干砂。撤离现场。切勿用水——会引起剧烈反应!

吸入

立即转移至新鲜空气处。观察是否出现延迟性呼吸影响。寻求医疗救助。

眼睛接触

用清水冲洗15分钟。保持眼睑张开。若安全可行,取下隐形眼镜。

皮肤接触

用肥皂和水彻底清洗。立即脱去受污染的衣物。

储存和操作

  • 金属形态:在密封的惰性容器中浸于矿物油下储存
  • 化合物:在远离酸和水分的阴凉干燥处储存
  • 不相容物:强酸、氧化剂和水
  • 通风:操作时使用局部排风通风

环境影响

生态毒性:镨化合物可能对水生生物有毒。防止其释放到水道和土壤中。只能通过有资质的危险废物处理设施处置。

特殊操作设备

  • 用于金属操作的惰性气氛手套箱
  • 工作区域使用防爆电气设备
  • 附近配备紧急淋浴器和洗眼器
  • 随时备有D类灭火器

快速解答

镨:常见问题

镨是什么?

镨(符号Pr)是元素周期表中的第59号元素,属于6周期的镧系元素。 一种能给焊工护目镜着色的稀土元素,与钕形成合金后可制造强大的磁体。 在室温下为固态。

镨的电子排布是什么?

镨的基态电子排布为[Xe] 4f³ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 21, 8, 2。

镨的熔点和沸点是多少?

镨在1208 K(934.9 °C)熔化,在3793 K(3519.9 °C)沸腾。

镨的原子量是多少?

镨的标准原子量为140.908 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

镨的密度是多少?

镨的密度为6.77 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此镨块约重6.8倍。

镨的电负性是多少?

镨的鲍林电负性为1.13。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。

谁发现了镨,是在什么时候?

镨由Carl Auer von Welsbach于1885年发现。 它以希腊语 prasios didymos,“绿色的孪生者”命名。

镨在地球上有多常见?

镨约占地壳的9.2 mg/kg——不常见,但并不稀有。