61, Promethium (Pm)

Promethos (gr. Mythologie)

Das Element Promethium:

         
   
  Nd Pm Sm  
  U Np Pu  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Promethium (Nukleosynthese):
Die Instabilität des Promethium hängt mit dem Kernaufbau zusammen. Die Matthauchsche Isobarenregel zeigt auf, dass es für das Element mit der Ordnungszahl 61 keine stabilen Isotope geben kann, da alle dafür infrage kommenden Massenzahlen bereits von Neodym oder Samarium belegt werden: Die größte Betazerfallsstabilität wäre für Promethium bei Kernen mit 84 bzw. 86 Neutronen zu erwarten, wobei sowohl die Neodym- als auch die Samariumisotope mit dieser Neutronenzahl eine höhere Betastabilität haben.

Hinzu kommt auch noch, dass Kerne mit einer Neutronenzahl zwischen 84 und 88 bei höheren Protonenzahlen zunehmend dem Alphazerfall unterliegen (Man beachte die analoge Instabilität von Kernen mit entsprechenden Protonenzahlen). Daher hat das langlebigste Isotop des Promethium, Pm-145, auch nur eine Halbwertszeit von 17 Jahren und 255 Tagen.

Grafik: Promethium-Instabilität

Nukleosynthese: Pm-145, Pm-146 und Pm-147 werden durch s-Prozesse in massereichen Sternen gebildet, zerfallen aber in kosmologisch betrachteten Maßstaäben in sehr kurzer Zeit vollständig zu Neodym oder Samarium. Pm-147 kann auch durch r-Prozesse nach Supernova-Explosionen erzeugt werden.

Radiogenese: Durch natürliche Urankernspaltungen entstehen auch Promethium-Isotope. So enthält 1 kg Natururan 3,5•10-15 g Pm-147. Aus dem α-Zerfall von Eu-151 entsteht Pm-147, so dass das Element mit diesem Isotop auch natürlich vokommt.

Nukleosynthese und Radiogenese von Promethium:
145Pm-Synthese:
(s-Prozess)

144Sm + n → 145Pm + β+ + 6,35 MeV

Zerfall:
145Pm + e-145Nd + 164 keV
(T½ = 17,7 a)

146Pm-Synthese:
(nur s-Prozess)

145Pm + n → 146Pm + 6,26 MeV

Zerfall:
66%: 146Pm + e-146Nd + 1,47 MeV
34%: 146Pm → 146Sm + β- + 1,54 MeV
(T½ = 7,98 a)

147Pm-Synthese:
(s- oder r-Prozess, radiogen)

146Nd + n → 147Pm + β- + 6,19 MeV

56Fe + 91n → 147Pm + 35β- + 753 MeV

151Eu → 147Pm + α + 1,96 MeV

238U → 147La + 89Br + 2n + 167 MeV
147La → 147Pm + 4β- + 12,20 MeV

Zerfall:
147Pm → 147Sm + β- + 224 keV
(T½ = 2,62 a)



Radioaktivität von Promethium-145 (langlebigstes Isotop): Ein Milligramm des Isotopes hat eine Aktivität von 5,2•109 Becquerel. Das häufiger verwendete Promethium-147 hat zwar eine höhere Aktivität (3,43•1010 Becquerel pro Milligramm), es ist jedoch ein niederenergetischer Betastrahler, der keine Gammastrahlung emittiert. Daher kann dieses Isotop vergleichweise sicher gehandhabt werden.
Vorkommen von Promethium: Promethium ist dem Technetium vergleichbar selten, was in seiner Instabilität und in seiner Entstehung begründet ist. In der Erdkruste ist jedoch immerhin noch etwa zehnmal häufiger als Francium, jedoch etwa 300.000 Mal seltener als das Edelgas Radon.

Mineralisches Vorkommen: Entsprechend seiner Genese durch Spontanzerfall von Uranatomen sowie den Alpha-Zerfall von Europium-151, kommt Promethium in geringen Spuren in Uranerzen bzw. den Mineralien der (europiumhaltigen) Seltenen Erden vor.

Natürliche Promethium-Vorkommen

Bastnäsit, (Ln)CO3F[1]

Uraninit, Pechblende, UO2[2]


Promethium-Gewinnung: Promethium wird aus Spaltprodukten von Kernkraftwerken gewonnen. Durch Bombardement von Uran-235 mit thermischen Neutronen kann Promethium-147 mit einer Ausbeute von 2,6% gewonnen werden - es ist also im Makromaßstab zugäglich. Uran-238, mit schnellen Neutronen beschossen, liefert ebenfalls gute Promethium-147-Ausbeuten. Ebenso ist es möglich, das Nuklid durch Neutronenbeschuß aus Neodym-146 zu gewinnen.

Promethium-Gewinnung

Kernreaktor[5]

Wiederaufbereitungsanlage[6]
Kernreaktionen zur Promethium-Darstellung:

a) Aus Uran-235 durch thermische Neutronen (Kernreaktor):
235U + n → 147La + 85Br + 3 n + 1.102 MeV
147La → 147Pm + 4 β- + 12,20 MeV

b) Durch Neutronenbeschuss von Neodym-146:
146Nd + n → 147Pm + β- + 6,19 MeV



Chemie von Promethium: Promethium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f5. Es tritt vorwiegend in der Oxidationsstufe +3, selten mit +2, in seinen Verbindungen auf.

Verhalten an der Luft. Wie alle Lanthanoide überzieht sich das blanke Metall rasch mit einer violettbraunen Oxidschicht. Diese blättert von dem Metall ab, weswegen es mit der Zeit vollständig korrodiert. Bei höheren Temperaturen verbrennt es mit stark exothermer Reaktion zu Promethium(III)oxid, Pm2O3.

4 Pm + 3 O2 → 2 Pm2O3 + 3622 kJ


Reaktion mit Wasser: Promethium reagiert gleich allen Lanthanoiden lebhaft unter Wasserstoffentwicklung zu Promethium(III)hydroxid, einem violettem Niederschlag. Dieser ist in Wasser praktisch unlöslich (100 μg/L Wasser); die gesättigte Lösung hat einen pH-Wert von etwa 7,7 (berechnet). Promethium(III)salze reagieren infolge Hydrolyse deutlich sauer (pKs-Wert 8,0), und zwar etwas stärker, als analoge Lösungen leichterer Lanthanoid(III)salze.

Hydrolyse von Promethium(III)hydroxid und Promethium(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Promethium(III)hydroxid:
{Pm(OH)3} [Pm(OH)2]+ + OH-; pKb = 4,60

b) Saure Reaktion von Promethium(III)-Ionen:
[Pm(H2O)9]3+ + H2O [Pm(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 8,00



Reaktionen mit Nichtmetallen: Mit Fluor, Chlor und Brom reagiert das Metall schon bei Zimmertemperatur unter Flammenerscheinung unter Bildung von Promethium(III)halogeniden. Mit Iod und Schwefel reagiert es nach dem Erhitzen zu Promethium(III)iodid und Promethium(III)sulfid. Alle diese Verbindungen haben ionischen Charakter. Promethium(III)fluorid ist eine violette Substanz, Promethium(III)chlorid hat eine blassblaue Farbe.

Fotomontagen von Promethium-Verbindungen

Promethium(III)chlorid[3]
PmCl3
links: Tageslicht, rechts: Dunkelheit

Promethium(III)oxid[3]
Pm2O3

Promethium(III)sulfat[4]
Pm2(SO4)3•8H2O


Verwendung von Promethium und seinen Verbindungen :
  • Permanent-Leuchtfarbe. Pm-147 wird in Form seines Chlorids in Mikrogramm-Mengen Zinksulfid-Leuchtfarben zugesetzt. Durch die Radioaktivität wird das ZnS permanent zum Leuchten angeregt, unabhängig von äußerer Bestrahlung. Da Pm-147 nur ein niederenergetischer Betastrahler ist, kann die Strahlung bereits durch die Abdeckung des Leuchtelementes (Plastikfolie u.a.) gewährleistet werden.

  • Betastrahlen-Quelle. Pm-147 ist, wie bereits an anderer Stelle erwähnt, eine gute Betastrahlen-Quelle, da keine Gamma-Quanten emittiert werden.

  • Radionuklid-Batterien. Hier kann Promethium-147 immer dann eingesetzt werden, wenn die geforderte Lebensdauer einer Nuklidbatterie kleiner zwei Jahre ist. Pm-147 emittiert 330 mW/g an Wärmeenergie.
Verwenundung von Promethium

Permanent-Leuchtfarbe[7]

Radionuklidbatterien[8]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Jedrzej Pelka. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.

[3] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[4] Bildquelle des Originals (Neodymsulfat): Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: KieranMaher. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[6] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Morpheus2309. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[7] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[8] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.