Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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?
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
Bleib neugierig.