Promethium

Promethium (von Prometheus, einem Titanen der griechischen Mythologie) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Pm und der Ordnungszahl 61. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Promethium wurde 1945 als Spaltprodukt des Urans entdeckt. Durch seine Entdeckung wurde die letzte Lücke im Periodensystem geschlossen.

Alle Promethium-Isotope sind radioaktiv, das heißt, sämtliche Atomkerne, die 61 Protonen enthalten, sind instabil und zerfallen. Promethium und das leichtere Technetium (43) sind die einzigen Elemente mit kleinerer Ordnungszahl als Bismut (83), die diese Eigenschaft besitzen.

Geschichte

Behauptete Entdeckungen

Zum ersten Mal wurde eine Entdeckung durch die italienischen Wissenschaftler Luigi Rolla und Lorenzo Fernandes aus Florenz gemeldet. Nach der Trennung eines Didym-Nitrat-Konzentrats durch fraktionierte Kristallisation aus dem brasilianischen Mineral Monazit, welches zu 70 % Dysprosium und Neodym sowie zu 30 % aus den anderen Lanthanoiden besteht, erhielten sie eine Lösung, die hauptsächlich Samarium enthielt. Diese Lösung ergab Röntgenspektren, die sie als Samarium und Element 61 interpretierten. Sie benannten das Element 61 zu Ehren ihrer Stadt Florentium. Die Ergebnisse wurden im Jahr 1926 veröffentlicht, doch die Wissenschaftler behaupteten, dass die Experimente im Jahr 1924 durchgeführt worden seien.<ref>Luigi Rolla, Lorenzo Fernandes: Über das Element der Atomnummer 61, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1926, 157 (1), S. 371–381 (doi:10.1002/zaac.19261570129).</ref><ref>Luigi Rolla: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 119, S. 637–638 (doi:10.1038/119637a0).</ref><ref>W. A. Noyes: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 120, S. 14 (doi:10.1038/120014c0).</ref><ref>Luigi Rolla: Über das Element der Atomnummer 61 (Florentium), in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1927, 160, S. 190–192 (doi:10.1002/zaac.19271600119).</ref><ref>Luigi Rolla: Florentium, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1927, 163, S. 40–42 (doi:10.1002/zaac.19271630104).</ref><ref>Luigi Rolla: Florentium. II, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1928, 169, S. 319–320 (doi:10.1002/zaac.19281690128).</ref>

Im selben Jahr 1926 veröffentlichten auch Smith Hopkins und Len Yntema an University of Illinois in Urbana-Champaign die Entdeckung des Elements 61. Sie nannten es nach der Universität Illinium.<ref>J. A. Harris: The Element of Atomic Number 61; Illinium, in: Nature, 1926, 117, S. 792–793 (doi:10.1038/117792a0).</ref><ref>Bohuslav Brauner: The New Element of Atomic Number 61: Illinium, in: Nature, 1926, 118, S. 84–85 (doi:10.1038/118084b0).</ref><ref>R. J. Meyer: Über das Element 61 (Illinium), in: Naturwissenschaften, 1926, 14, S. 771–772 (doi:10.1007/BF01490264).</ref>

Keine der beiden Veröffentlichungen konnte bestätigt werden. So behaupteten mehrere Gruppen, das Element erzeugt zu haben, aber die Überprüfung ihrer Entdeckungen schlug aufgrund der Schwierigkeiten bei der Trennung von Promethium von den anderen Elementen fehl.

Nachweis durch Marinsky, Glendenin und Coryell

Promethium wurde 1945 im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) (Tennessee, USA) von Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin und Charles D. Coryell als Spaltprodukt des Urans entdeckt. Bedingt durch die militärischen Forschungen während des Zweiten Weltkriegs wurde ihre Entdeckung erst 1947 veröffentlicht.<ref>Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, Charles D. Coryell: The Chemical Identification of Radioisotopes of Neodymium and of Element 61, in: J. Am. Chem. Soc., 1947, 69 (11), S. 2781–2785 (doi:10.1021/ja01203a059).</ref><ref>Oak Ridge National Laboratory: Vorlage:Webarchiv, in: ORNL Review, 2003, 36 (1), eingesehen am 17. September 2006.</ref> Den Namen Promethium wählten sie in Anlehnung an den griechischen Titanen Prometheus, der den Menschen das Feuer brachte und so den Zorn der Götter erweckte. Dies war als Warnung an die Menschheit gedacht, die zu diesem Zeitpunkt mit dem nuklearen Wettrüsten begann. Der Name wurde von Grace Mary Coryell, Charles Coryells Frau, vorgeschlagen.

• Jacob A. Marinsky
  Jacob A. Marinsky
• Lawrence E. Glendenin
  Lawrence E. Glendenin
• Charles D. Coryell
  Charles D. Coryell

Vorkommen

Irdisches Vorkommen

In der Natur findet sich Promethium zumeist als Produkt der Spontanspaltung von Uran sowie durch Alphazerfall des Europiumisotops ¹⁵¹Eu. In Spuren findet sich das Isotop ¹⁴⁷Pm in Pechblende mit (4±1) · 10⁻¹⁵ g/kg.<ref>Moses Attrep, Jr., P. K. Kuroda: Promethium in Pitchblende, in: Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 1968, 30 (3), S. 699–703 (doi:10.1016/0022-1902(68)80427-0).</ref> Das gesamte Vorkommen von Promethium in der Erdkruste beträgt etwa 560 g durch Uranspaltung und etwa 12 g durch Alphazerfall von ¹⁵¹Eu.<ref>P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, R. Cerulli, C. J. Dai, F. A. Danevich, A. d’Angelo, A. Incicchitti, V. V. Kobychev, S. S. Nagorny, S. Nisi, F. Nozzoli, D. Prosperi, V. I. Tretyak, S. S. Yurchenko: Search for α Decay of Natural Europium, in: Nuclear Physics A, 2007, 789, S. 15–29 (doi:10.1016/j.nuclphysa.2007.03.001).</ref>

• Spontanspaltung von Uran:

<math>{}^{238}_{\ 92} {\rm U}\ \xrightarrow {sf} {} \ ^{147}_{\ 57} {\rm La} \ +\ {} ^{89}_{35} {\rm Br} \ +\ 2 {} ^{1}_{0} {\rm n} </math>

<math>\mathrm{^{147}_{\ 57}La\ \xrightarrow [{4,015} \ s]{\beta^{-}} \ ^{147}_{\ 58}Ce\ \xrightarrow [{56,4} \ s]{\beta^{-}} \ ^{147}_{\ 59}Pr\ \xrightarrow [{13,4} \ min]{\beta^{-}} \ ^{147}_{\ 60}Nd\ \xrightarrow [{10,98} \ d]{\beta^{-}} \ ^{147}_{\ 61}Pm\ \xrightarrow [{2,6234} \ a]{\beta^-} \ ^{147}_{\ 62}Sm\ \xrightarrow [{1,06} \ \cdot \ {10^{11}} \ a]{\alpha} \ ^{143}_{\ 60}Nd }</math>

• Alphazerfall von ¹⁵¹Eu:

<math>\mathrm{^{151}_{\ 63}Eu\ \xrightarrow [{5} \ \cdot \ {10^{18}} \ a]{\alpha} \ ^{147}_{\ 61}Pm\ \xrightarrow [{2,6234} \ a]{\beta^-} \ ^{147}_{\ 62}Sm\ \xrightarrow [{1,06} \ \cdot \ {10^{11}} \ a]{\alpha} \ ^{143}_{\ 60}Nd }</math>

Außerirdisches Vorkommen

Promethium wurde im Jahr 1971 im Spektrum des Sterns HR 465 (GY Andromedae) nachgewiesen;<ref>Anonymous: Michigan astronomers discover promethium in star, in: Eos Trans. AGU, 1971, 52 (1), S. 10 (AbstractVorlage:Toter Link; doi:10.1029/EO052i001p00010-01).</ref><ref>M. F. Aller: Promethium in the star HR 465, in: Sky & Telescope, 1971, 41, S. 220–222.</ref><ref>D. N. Davis: The Possible Identification of Promethium in S Stars, in: Astrophysical Journal, 1971, 167, S. 327–330 (Volltext).</ref><ref>S. C. Wolff, N. D. Morrison: Remarks on the Proposed Identification of Promethium in HR 465, in: Astrophysical Journal, 1972, 175, S. 473–475 (Volltext).</ref><ref>C. R. Cowley, M. F. Aller: Comments on the Identification of Promethium in HR 465, in: Astrophysical Journal, 1972, 175, S. 477–480 (Volltext).</ref><ref>O. Havnes, E. P. J. van den Heuvel, M. F. Aller, C. R. Cowley: Is there Promethium in HR 465?, in: Astronomy and Astrophysics, 1972, 19, S. 283–286 (Volltext).</ref><ref>R. Mitalas, J. M. Marlborough: Some tests and consequences of the identification of promethium in HR 465, in: Astrophysical Journal, 1973, 181, S. 475–480 (Volltext).</ref> und möglicherweise in HD 101065 (Przybylski's star) und HD 965.<ref>C. R. Cowley, W. P. Bidelman, S. Hubrig, G. Mathys, D. J. Bord: On the possible presence of promethium in the spectra of HD 101065 (Przybylski's star) and HD 965, in: Astronomy and Astrophysics, 2004, 419, S. 1087–1093 (doi:10.1051/0004-6361:20035726).</ref><ref>V. Fivet, P. Quinet, É. Biémont, A. Jorissen, A. V. Yushchenko, S. Van Eck: Transition probabilities in singly ionized promethium and the identification of Pm II lines in Przybylski's star and HR 465, in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, September 2007, 380 (2), S. 771–780 (doi:10.1111/j.1365-2966.2007.12118.x).</ref>

Gewinnung und Darstellung

Im Jahr 1963 wurden Ionenaustauscher-Methoden im ORNL verwendet, um etwa 10 Gramm Promethium aus den Brennstoffabfällen von Kernreaktoren zu erhalten.<ref>Chung-Sin Lee: Chemical Study on the Separation and Purification of Promethium-147, in: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 1989, 130, S. 21 (doi:10.1007/BF02037697).</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref> 1963 konnte Fritz Weigel erstmals metallisches Promethium durch Erhitzen von Promethium(III)-fluorid (PmF₃) mit Lithium im Tantal-Tiegel herstellen.<ref name="PM_METALL">Fritz Weigel: Darstellung von metallischem Promethium, in: Angewandte Chemie, 1963, 75 (10), S. 451–451 (doi:10.1002/ange.19630751009).</ref>

<chem>PmF3 + 3 Li -> Pm + 3 LiF</chem>

Eigenschaften

Im Periodensystem steht das Promethium mit der Ordnungszahl 61 in der Reihe der Lanthanoide, sein Vorgänger ist das Neodym, das nachfolgende Element ist das Samarium. Sein Analogon in der Reihe der Actinoide ist das Neptunium.

Datei:Hexagonal dichteste Kugelpackung.svg

Kristallstruktur von Promethium, a = 365 pm, c = 1165 pm

Physikalische Eigenschaften

Da das Isotop ¹⁴⁷Pm künstlich als Spaltprodukt in wägbaren Mengen gewonnen werden kann, ist es möglich, die Eigenschaften recht gut zu untersuchen. Promethium ist ein silberweißes duktiles Schwermetall. Es besitzt einen Schmelzpunkt von 1080 °C<ref name="Weigel_577" />; für den Siedepunkt gibt es Schätzwerte von 2727 und 3000 °C.<ref name="Weigel_578" /> Unter Standardbedingungen kristallisiert Promethium in einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung mit den Gitterparametern a = 365 pm und c = 1165 pm mit einer berechneten Dichte von 7,26 g/cm³.<ref name="crystal_structure">P. G. Pallmer, T. D. Chikalla: The crystal structure of promethium, in: Journal of the Less Common Metals, 1971, 24 (3), S. 233–236 (doi:10.1016/0022-5088(71)90101-9).</ref>

Chemische Eigenschaften

Das Metall wird an der Luft recht rasch oxidiert und reagiert langsam mit Wasser. Promethium kommt in seinen Verbindungen ausschließlich in der Oxidationsstufe +3 vor ([Xe] 4f⁴). Es gibt dabei die beiden 6s-Elektronen und ein 4f-Elektron ab. Die Lösungen sind violettstichig rosa gefärbt. Es bildet unter anderem ein schwerlösliches Fluorid, Oxalat und Carbonat.

Isotope

Das langlebigste Isotop ist ¹⁴⁵Pm mit einer Halbwertszeit von 17,7 Jahren, es folgt ¹⁴⁶Pm mit einer Halbwertszeit von 5,53 Jahren und ¹⁴⁷Pm mit 2,6234 Jahren. Letzteres wird zumeist zur Untersuchung verwendet, da es in genügenden Mengen als Spaltprodukt entsteht.

Verwendung

Aufgrund der kurzlebigen Isotope und der sehr geringen Verfügbarkeit findet dieses Element nur in kleinsten Mengen technische Verwendung. Die wichtigste Anwendung ist die als Betastrahler.

Promethium wird in Betavoltaikbatterien genutzt, deren erste kommerzielle Verwendung der Betrieb eines Herzschrittmacheraggregates war. Auch in der Raumfahrt werden sie als Energiequelle in Satelliten eingesetzt.

Das Element ist eine mögliche mobile Quelle für Röntgenstrahlung, die zur radiometrischen Dickenmessung verwendet wird.<ref name="Krebs">Robert E. Krebs: The history and use of our earth's chemical elements: a reference guide. 2. Auflage. Greenwood Publishing Group, 2006, ISBN 978-0-313-33438-2, S. 286 (Vorlage:Google Buch).</ref><ref>Vorlage:RömppOnline</ref>

Das Nuklid ¹⁴⁷Pm diente außer als Betastrahlenquelle auch als Zusatz für Leuchtfarbe, die in Leuchtziffern von Uhren<ref name="Krebs" /> und den Zieloptiken von Waffen, wie der M72 (LAW) eingesetzt wurde.<ref>Oak Ridge Associated Universities: "Sight for LAW Rocket Launcher" orau.org, 5. Juli 2016</ref>

Verbindungen

→ Kategorie: Promethiumverbindung

Oxide

Promethium(III)-oxid (Pm₂O₃) besitzt drei verschiedene Modifikationen: eine hexagonale A-Form (violettbraun), eine monokline B-Form (violettrosa) und eine kubische C-Form (korallenrot). Der Schmelzpunkt beträgt 2130 °C.<ref>Weigel: Chemie des Promethiums, S. 591–594.</ref><ref>Gmelin, 39 C 1, S. 312–313.</ref>

Halogenide

Sämtliche Halogenide von Fluor bis Iod sind für die Oxidationsstufe +3 bekannt.

Promethium(III)-fluorid (PmF₃) ist in Wasser schwerlöslich; man erhält es aus einer salpetersauren Pm³⁺-Lösung durch Zugabe von HF-Lösung, der Niederschlag besitzt eine blassrosa Farbe.<ref>Gmelin, 39 C 3, S. 194.</ref> Kristallines wasserfreies Promethium(III)-fluorid ist ein violettrosafarbenes Salz<ref>Weigel: Chemie des Promethiums, S. 587–588.</ref> mit einem Schmelzpunkt von 1338 °C<ref name="HOWI_1942">Vorlage:Holleman-Wiberg</ref>.

Promethium(III)-chlorid (PmCl₃) ist violett und hat einen Schmelzpunkt von 655 °C.<ref name="HOWI_1942" /> Wird PmCl₃ in Gegenwart von H₂O erhitzt, so erhält man das blassrosa gefärbte Promethium(III)-oxichlorid (PmOCl).<ref>Weigel: Chemie des Promethiums, S. 588–589.</ref><ref>Gmelin, 39 C 5, S. 31.</ref>

Promethium(III)-bromid (PmBr₃) entsteht aus Pm₂O₃ durch Erhitzen im trockenen HBr-Strom.<ref>Weigel: Chemie des Promethiums, S. 590.</ref><ref>Gmelin, 39 C 6, S. 61–62.</ref> Es ist rot und hat einen Schmelzpunkt von 660 °C.<ref name="HOWI_1942" />

Promethium(III)-iodid (PmI₃) ist nicht aus Pm₂O₃ durch Reaktion mit HI-H₂-Gemischen darstellbar, es bildet sich stattdessen Promethium(III)-oxiiodid (PmOI). Durch Reaktion von Pm₂O₃ mit geschmolzenem Aluminiumiodid (AlI₃) bei 500 °C entsteht das gewünschte Produkt.<ref>Weigel: Chemie des Promethiums, S. 591.</ref><ref>Gmelin, 39 C 6, S. 192.</ref> Es ist rot und hat einen Schmelzpunkt von 695 °C.<ref name="HOWI_1942" />

Weitere Verbindungen

Promethium(III)-hydroxid (Pm(OH)₃) erhält man aus einer salzsauren Pm³⁺-Lösung durch Einleiten von NH₃. Seine Farbe ist Violettrosa.<ref>Gmelin, 39 C 2, S. 56–57.</ref>

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen und eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Literatur

• Fritz Weigel: Chemie des Promethiums, in: Fortschr. Chem. Forsch., 1969, 12 (4), S. 539–621 (doi:10.1007/BFb0051097).
• Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, System Nr. 39:
  • Teil B 1, S. 1–16, 119, 144–145, 158, 184
  • Teil B 2, S. 46, 94–96, 149, 215
  • Teil B 3, S. 69, 74–75
  • Teil B 5, S. 131–145
  • Teil B 6, S. 131–133, 156, 160
  • Teil B 7, S. 193
  • Teil C 1, S. 312–313
  • Teil C 2, S. 56–57, 261
  • Teil C 3, S. 194, 257
  • Teil C 4 b, S. 181–183
  • Teil C 5, S. 31
  • Teil C 6, S. 61–62, 192
• Vorlage:CRC Handbook
• Comprehensive Inorganic Chemistry, The Lanthanides, S. 42–44.
• James E. Huheey: Anorganische Chemie, 1. Auflage, de Gruyter, Berlin 1988, ISBN 3-11-008163-6, S. 873–900.
• John Emsley: Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements, Oxford University Press, 2001, ISBN 0-19-850340-7, S. 343–346 (Vorlage:Google Buch).
• Eric Scerri: A tale of seven elements, Oxford University Press, Oxford, 2013

Weblinks

• Vorlage:RömppOnline

Einzelnachweise

<references />