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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
Protonen
zahlen). 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:
145
Pm-Synthese:
(s-Prozess)
144
Sm + n →
145
Pm + β
+
+ 6,35 MeV
Zerfall:
145
Pm + e
-
→
145
Nd + 164 keV
(T½ = 17,7 a)
146
Pm-Synthese:
(nur s-Prozess)
145
Pm + n →
146
Pm + 6,26 MeV
Zerfall:
66%:
146
Pm + e
-
→
146
Nd + 1,47 MeV
34%:
146
Pm →
146
Sm + β
-
+ 1,54 MeV
(T½ = 7,98 a)
147
Pm-Synthese:
(s- oder r-Prozess, radiogen)
146
Nd + n →
147
Pm + β
-
+ 6,19 MeV
56
Fe + 91n →
147
Pm + 35β
-
+ 753 MeV
151
Eu →
147
Pm + α + 1,96 MeV
238
U →
147
La +
89
Br + 2n + 167 MeV
147
La →
147
Pm + 4β
-
+ 12,20 MeV
Zerfall:
147
Pm →
147
Sm + β
-
+ 224 keV
(T½ = 2,62 a)
Radioaktivität
von Promethium-145 (langlebigstes Isotop): Ein Milligramm des Isotopes hat eine Aktivität von 5,2•10
9
Becquerel. Das häufiger verwendete Promethium-147 hat zwar eine höhere Aktivität (3,43•10
10
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)CO
3
F
[1]
Uraninit, Pechblende, UO
2
[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):
235
U + n →
147
La +
85
Br + 3 n + 1.102 MeV
147
La →
147
Pm + 4 β
-
+ 12,20 MeV
b) Durch Neutronenbeschuss von Neodym-146:
146
Nd + n →
147
Pm + β
-
+ 6,19 MeV
Chemie von Promethium:
Promethium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s
2
4f
5
. 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, Pm
2
O
3
.
4 Pm + 3 O
2
→ 2 Pm
2
O
3
+ 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(H
2
O)
9
]
3+
+ H
2
O
[Pm(H
2
O)
8
(OH)]
2+
+ [H
3
O]
+
; 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]
PmCl
3
links: Tageslicht, rechts: Dunkelheit
Promethium(III)oxid
[3]
Pm
2
O
3
Promethium(III)sulfat
[4]
Pm
2
(SO
4
)
3
•8H
2
O
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.