Promethium

Eigenschaften
[Xe] 4f^5 6s^2 61Pm Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Promethium, Pm, 61
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	metallisch
CAS-Nummer	7440-12-2
EG-Nummer	231-121-9
ECHA-InfoCard	100.028.292
Massenanteil an der Erdhülle	1,5 · 10^−15 ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse	(^147Pm) 146,9151 u
Atomradius (berechnet)	185 (205) pm
Kovalenter Radius	199 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f^5 6s^2
1. Ionisierungsenergie	5.58187(4) eV[3] ≈ 538.1 kJ/mol[4]
2. Ionisierungsenergie	10.938(20) eV[3] ≈ 1055.4 kJ/mol[4]
3. Ionisierungsenergie	22.44(8) eV[3] ≈ 2170 kJ/mol[4]
4. Ionisierungsenergie	41.17(9) eV[3] ≈ 3970 kJ/mol[4]
5. Ionisierungsenergie	61.7(3) eV[3] ≈ 5950 kJ/mol[4]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand	fest
Dichte	7,2 g/cm^3[1] (25 °C)[5]
Schmelzpunkt	1353 K (1080[7] °C)
Siedepunkt	3273 K[6] (3000 °C)
Molares Volumen	20,10 · 10^−6[1] m^3·mol^−1
Verdampfungsenthalpie	290 kJ/mol
Schmelzenthalpie	7,7 kJ·mol^−1
Elektrische Leitfähigkeit	1,33 · 10^6 S·m^−1
Wärmeleitfähigkeit	15 W·m^−1·K^−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände	+3
Normalpotential	−2,423 V (Pm^3+ + 3 e^− → Pm)[1]
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP ^143Pm {syn.} 265 d ε 1,041 ^143Nd ^144Pm {syn.} 363 d ε 2,332 ^144Nd ^145Pm {syn.} 17,7 a ε 2,322 ^145Nd α 0,163 ^141Pr ^146Pm {syn.} 5,53 a ε 1,472 ^146Nd β^− 1,542 ^146Sm ^147Pm 100 % 2,6234 a β^− 0,224 ^147Sm ^148Pm {syn.} 5,370 d β^− 2,468 ^148Sm ^149Pm {syn.} 53,08 h β^− 1,071 ^149Sm
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar[8]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.^{[9][10][11][12][13][14]}

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.^[15][16][17]

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.^[18][19] 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
• 
  Lawrence E. Glendenin
• 
  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.^[20] Das gesamte Vorkommen von Promethium in der Erdkruste beträgt etwa 560 g durch Uranspaltung und etwa 12 g durch Alphazerfall von ¹⁵¹Eu.^[21]

• Spontanspaltung von Uran:

${\displaystyle {}_{\ 92}^{238}{\rm {U}}\ {\xrightarrow {sf}}{}\ _{\ 57}^{147}{\rm {La}}\ +\ {}_{35}^{89}{\rm {Br}}\ +\ 2{}_{0}^{1}{\rm {n}}}$

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

• Alphazerfall von ¹⁵¹Eu:

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

Außerirdisches Vorkommen

Promethium wurde im Jahr 1971 im Spektrum des Sterns HR 465 (GY Andromedae) nachgewiesen;^{[22][23][24][25][26][27][28]} und möglicherweise in HD 101065 (Przybylski's star) und HD 965.^[29][30]

Gewinnung und Darstellung

Im Jahr 1963 wurden Ionenaustauscher-Methoden im ORNL verwendet, um etwa 10 Gramm Promethium aus den Brennstoffabfällen von Kernreaktoren zu erhalten.^[31][32] 1963 konnte Fritz Weigel erstmals metallisches Promethium durch Erhitzen von Promethium(III)-fluorid (PmF₃) mit Lithium im Tantal-Tiegel herstellen.^[33]

${\displaystyle {\ce {PmF3 + 3 Li -> Pm + 3 LiF}}}$

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.

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^[7]; für den Siedepunkt gibt es Schätzwerte von 2727 und 3000 °C.^[6] 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.^[34]

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.^[35][36]

Das Nuklid ¹⁴⁷Pm diente außer als Betastrahlenquelle auch als Zusatz für Leuchtfarbe, die in Leuchtziffern von Uhren^[35] und den Zieloptiken von Waffen, wie der M72 (LAW) eingesetzt wurde.^[37]

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.^[38][39]

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.^[40] Kristallines wasserfreies Promethium(III)-fluorid ist ein violettrosafarbenes Salz^[41] mit einem Schmelzpunkt von 1338 °C^[42].

Promethium(III)-chlorid (PmCl₃) ist violett und hat einen Schmelzpunkt von 655 °C.^[42] Wird PmCl₃ in Gegenwart von H₂O erhitzt, so erhält man das blassrosa gefärbte Promethium(III)-oxichlorid (PmOCl).^[43][44]

Promethium(III)-bromid (PmBr₃) entsteht aus Pm₂O₃ durch Erhitzen im trockenen HBr-Strom.^[45][46] Es ist rot und hat einen Schmelzpunkt von 660 °C.^[42]

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.^[47][48] Es ist rot und hat einen Schmelzpunkt von 695 °C.^[42]

Weitere Verbindungen

Promethium(III)-hydroxid (Pm(OH)₃) erhält man aus einer salzsauren Pm³⁺-Lösung durch Einleiten von NH₃. Seine Farbe ist Violettrosa.^[49]

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
• David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-28.
• 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 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
• Eric Scerri: A tale of seven elements, Oxford University Press, Oxford, 2013

Weblinks

Commons: Promethium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Promethium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Promethium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.

Einzelnachweise

1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 487–491.
2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Promethium) entnommen.
3. Eintrag zu promethium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 13. Juni 2020.
4. Eintrag zu promethium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 13. Juni 2020.
5. N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.
6. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 578.
7. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 577.
8. Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
9. 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).
10. Luigi Rolla: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 119, S. 637–638 (doi:10.1038/119637a0).
11. W. A. Noyes: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 120, S. 14 (doi:10.1038/120014c0).
12. 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).
13. Luigi Rolla: Florentium, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1927, 163, S. 40–42 (doi:10.1002/zaac.19271630104).
14. Luigi Rolla: Florentium. II, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1928, 169, S. 319–320 (doi:10.1002/zaac.19281690128).
15. J. A. Harris: The Element of Atomic Number 61; Illinium, in: Nature, 1926, 117, S. 792–793 (doi:10.1038/117792a0).
16. Bohuslav Brauner: The New Element of Atomic Number 61: Illinium, in: Nature, 1926, 118, S. 84–85 (doi:10.1038/118084b0).
17. R. J. Meyer: Über das Element 61 (Illinium), in: Naturwissenschaften, 1926, 14, S. 771–772 (doi:10.1007/BF01490264).
18. 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).
19. Oak Ridge National Laboratory: Discovery of Promethium (Memento vom 6. Juli 2015 im Internet Archive), in: ORNL Review, 2003, 36 (1), eingesehen am 17. September 2006.
20. 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).
21. 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).
22. Anonymous: Michigan astronomers discover promethium in star, in: Eos Trans. AGU, 1971, 52 (1), S. 10 (Abstract@1@2Vorlage:Toter Link/www.agu.org (Seite dauerhaft nicht mehr abrufbar, festgestellt im April 2024. Suche in Webarchiven); doi:10.1029/EO052i001p00010-01).
23. M. F. Aller: Promethium in the star HR 465, in: Sky & Telescope, 1971, 41, S. 220–222.
24. D. N. Davis: The Possible Identification of Promethium in S Stars, in: Astrophysical Journal, 1971, 167, S. 327–330 (Volltext).
25. 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).
26. C. R. Cowley, M. F. Aller: Comments on the Identification of Promethium in HR 465, in: Astrophysical Journal, 1972, 175, S. 477–480 (Volltext).
27. 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).
28. 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).
29. 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).
30. 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).
31. 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).
32. Ion Exchange Purification of Promethium-147 and its Separation from Americium-241, with Diethylenetriaminepenta-acetic acid as the Eluant. (PDF; 4,5 MB) Abgerufen am 18. September 2020 (englisch). 
33. Fritz Weigel: Darstellung von metallischem Promethium, in: Angewandte Chemie, 1963, 75 (10), S. 451–451 (doi:10.1002/ange.19630751009).
34. 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).
35. 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 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
36. Eintrag zu Promethium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 15. August 2011.
37. Oak Ridge Associated Universities: "Sight for LAW Rocket Launcher" orau.org, 5. Juli 2016
38. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 591–594.
39. Gmelin, 39 C 1, S. 312–313.
40. Gmelin, 39 C 3, S. 194.
41. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 587–588.
42. A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1942.
43. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 588–589.
44. Gmelin, 39 C 5, S. 31.
45. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 590.
46. Gmelin, 39 C 6, S. 61–62.
47. Weigel: Chemie des Promethiums, S. 591.
48. Gmelin, 39 C 6, S. 192.
49. Gmelin, 39 C 2, S. 56–57.

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