59 Pr 140.908
镧系元素 f-block Period 6

Pr · Element 59

A rare earth that colours welder's goggles and, alloyed with neodymium, makes formidable magnets.

20°C时的状态 固态
原子量 140.908 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f³ 6s²

结构

镨 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。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

性质表

每个条形图都显示镨在全部118种元素中该性质的排名位置。

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

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
f
晶体结构六方晶系
氧化态+3, +4
发现时间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 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 镨 atom?

Radius 182 pm — that is 0.182 nm, so about 2747 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

镨 is liquid over a 2585 K window, from 1208 K to 3793 K.

所在位置

在表中的位置

sits in the lanthanide series, printed below the main grid.

OTHER 镧系元素

All 镧系元素

故事

镨 是什么,以及我们如何发现它

A rare earth that colours welder's goggles and, alloyed with neodymium, makes formidable magnets.

The discovery of 镨

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——一种困扰科学家数十年的假想元素。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

通过细致而艰苦的结晶实验,Welsbach成功地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,耗时数月。

命名“绿色孪生兄弟”

Welsbach用希腊语“prasios”(绿色)和“didymos”(孪生)命名其中一种元素为“praseodymium”,指的是它的绿色盐以及它与同时被发现的钕之间的孪生关系。

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。这个谜题始于1841年,当时Carl Mosander首次将其从铈中分离出来。Welsbach运用系统光谱学研究这种假想元素的性质,最终取得突破。

“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:

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

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隐藏的复杂性。他的技术成为分离所有稀土元素的基础。

荣誉与遗产

Welsbach一生获得了众多荣誉,包括被奥地利皇帝册封为男爵,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。

应用

镨的用途

先进工业应用

镨是稀土家族的“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,镨能让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色玻璃
  • 豪华餐具中的特种陶瓷
  • 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
  • 用于摄影和天文学的专用滤光片

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
  • 游戏主机部件

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
  • 彩色玻璃窗

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,镨的价格波动很大。一辆普通电动汽车的各种部件中需要使用200-600克镨。

来源

自然存在

9.2 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 68% of elements

自然分布

镨是较为稀有的稀土元素之一,在矿床中仅约占全部镧系元素含量的5%。尽管被称为“稀有”,它的丰度仍高于银或汞!

丰度统计

  • 地壳:9.2 ppm
  • 排名:丰度最高的第39种元素
  • 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)、白云鄂博(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(含有镨置换)
镨含量:1-3%
特种来源:重矿物砂

全球生产

  • 中国:占全球产量的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(产能正在开发)
  • 印度:奥里萨邦和喀拉拉邦海滩砂矿作业
  • 巴西:Minas Gerais碱性杂岩
  • 南非:Steenkampskraal矿(潜力)

地质形成

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

回收来源

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

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

由于生产地域高度集中,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。加工过程需要先进的化学分离技术。

处理

安全

安全信息

中等危险等级

镨化合物需要谨慎处理,因为它们存在呼吸道和皮肤致敏风险,金属形式还具有火灾危险。

火灾和反应性危险

镨金属: finely divided时高度易自燃!

  • 在室温下可能在空气中自发点燃
  • 与水剧烈反应并产生氢气
  • 储存在矿物油中或惰性气氛下
  • 必须使用D类灭火器(严禁用水!)

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(肺部瘢痕)
  • 致敏:可能使敏感人群发生过敏反应
  • 防护:使用配备P100滤芯、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。疏散现场。严禁用水——会引起剧烈反应!

吸入

立即转移到空气新鲜处。监测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。如果安全可行,摘下隐形眼镜。

皮肤接触

用肥皂和水彻底清洗。立即脱下受污染的衣物。

储存和操作

  • 金属形式:储存在密封的惰性容器中,并置于矿物油下
  • 化合物:在远离酸和水分的阴凉干燥处储存
  • 禁配物: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。只能通过获许可的危险废物处理设施进行处置。

特殊操作设备

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

快速回答

镨:常见问题

What is 镨?

镨 (symbol Pr) is element 59 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. A rare earth that colours welder's goggles and, alloyed with neodymium, makes formidable magnets. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 镨?

镨's ground-state electron configuration is [Xe] 4f³ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 21, 8, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 镨?

镨 melts at 1208 K (934.9 °C) and boils at 3793 K (3519.9 °C).

What is the atomic mass of 镨?

The standard atomic weight of 镨 is 140.908 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 镨?

镨 has a density of 6.77 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 镨 is about 6.8× heavier.

What is the electronegativity of 镨?

镨 has a Pauling electronegativity of 1.13. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered 镨, and when?

镨 was discovered in 1885 by Carl Auer von Welsbach. It is named after greek prasios didymos, "green twin".

How common is 镨 on Earth?

镨 makes up about 9.2 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.