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.
Promethium (Z = 61) besitzt keine stabilen Isotope, alle seine Isotope sind instabil und zerfallen. Zusammen mit Technetium (Z = 43) ist es das einzige Element, das unterhalb von Bismut (Z = 83) keine stabilen Isotope aufweist.
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.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).Luigi Rolla: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 119, S. 637–638 (doi:10.1038/119637a0).W. A. Noyes: Florentium or Illinium?, in: Nature, 1927, 120, S. 14 (doi:10.1038/120014c0).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).Luigi Rolla: Florentium, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1927, 163, S. 40–42 (doi:10.1002/zaac.19271630104).Luigi Rolla: Florentium. II, in: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 1928, 169, S. 319–320 (doi:10.1002/zaac.19281690128).
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.J. A. Harris: The Element of Atomic Number 61; Illinium, in: Nature, 1926, 117, S. 792–793 (doi:10.1038/117792a0).Bohuslav Brauner: The New Element of Atomic Number 61: Illinium, in: Nature, 1926, 118, S. 84–85 (doi:10.1038/118084b0).R. J. Meyer: Über das Element 61 (Illinium), in: Naturwissenschaften, 1926, 14, S. 771–772 (doi:10.1007/BF01490264).
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 militärische Geheimhaltung während des Zweiten Weltkriegs wurde ihre Entdeckung erst 1947 veröffentlicht.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).Oak Ridge National Laboratory: , in: ORNL Review, 2003, 36 (1), eingesehen am 17. September 2006. 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.
Vorkommen In der Natur findet sich Promethium in sehr geringen Mengen als Produkt der Spontanspaltung von Uran sowie des Alphazerfalls des Europiumisotops 151Eu. In Spuren ist das Isotop 147Pm in Pechblende mit (4 ± 1) · 10−15 g/kg enthalten.Moses Attrep, Jr., P. K. Kuroda: Promethium in Pitchblende. In: Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. Band 30, Nr. 3, 1968, S. 699–703, doi:10.1016/0022-1902(68)80427-0. Das gesamte Vorkommen von Promethium in der Erdkruste wird auf etwa 560 g durch Uranspaltung und etwa 12 g durch Alphazerfall von 151Eu geschätzt.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., Band 789, 2007, S. 15–29, doi:10.1016/j.nuclphysa.2007.03.001.
Spontanspaltung von Uran
Alphazerfall von 151Eu
1970 wurden im Spektrum des Sterns HR 465 (GY Andromedae) Spektrallinien des Promethiums nachgewiesen. Margo F. Aller, Charles R. Cowley: The Possible Identification of Promethium in HR 465. In: Astrophysical Journal. Band 162, S. L145, . Eine mögliche Erklärung für die Präsenz dieses kurzlebigen Elementes ist, dass in den obersten Schichten des Sterns Transurane gebildet werden, die durch spontanen Zerfall unter anderem zu Promethium zerfallen.B. Kuchowicz: Spontaneous Fission of Heavy Transuranium Elements in the Surface Layers of the Peculiar A Star HR 465 explains Promethium Abundance. In: Nature. Band 232, 1971, S. 551–552, .Krister E. Nielsen, Kenneth G. Carpenter, Gladys V. Kober, Glenn M. Wahlgren: The Advanced Spectral Library (ASTRAL): Abundance Analysis of the Chemically Peculiar Star HR 465. In: The Astrophysical Journal. Band 899, Nr. 2, Artikel 166, . 2004 wurde auch von Promethium in den Spektren der Sterne HD 101065 (Przybylski's Stern) und HD 965 berichtet,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. Band 419, 2004, S. 1087–1093, doi:10.1051/0004-6361:20035726.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. Band 380, Nr. 2, 2007, S. 771–780, doi:10.1111/j.1365-2966.2007.12118.x. jedoch ist dies auf Grund der Überlagerung mit anderen Spektrallinien unsicher.Sergei M. Andrievsky, Sergey A. Korotin, Klaus Werner, Valery V. Kovtyukh: An enigma of Przybylski's star: Is there promethium on its surface? In: Astronomische Nachrichten. Band 344, Nr. 5, 2023, Artikel e20230056, .
Promethium entsteht in großen Mengen bei der Kernspaltung von 235U, der Anteil des Isotops 147Pm unter den Zerfallsprodukten beträgt 2,232 %Kathleen Broderick, Rita Lusk, James Hinderer, Justin Griswold, Rose Boll, Marc Garland, Lawrence Heilbronn, Saed Mirzadeh: Reactor production of promethium-147. In: Applied Radiation and Isotopes. Band 144, 2019, S. 54–63, . Bei einem Abbrand von 20 GW · d/t bei Siedewasserreaktoren bzw. 27,8 GW · d/t bei Druckwasserreaktoren entstehen jährlich 4,2 kg 147Pm pro GW.V. Kouřím, O. Voijtěch: Methods of fission product separation from liquid radioactive waste. In: At. Energy Rev. Band 12 1974, S. 215–273 [(https://inis.iaea.org/records/dv0fb-dae17 online]). Es ist darum in radioaktivem Abfall enthalten und kann daraus extrahiert werden.Chung-Sin Lee, Yun-Ming Wang, Wu-Long Cheng, Gann Ting: Chemical study on the separation and purification of promethium-147. In: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. Band 130, 1989, S. 21–37, .
Gewinnung und Darstellung Im Jahr 1963 wurden Ionenaustauscher-Methoden im ORNL verwendet, um etwa 10 Gramm Promethium aus den Brennstoffabfällen von Kernreaktoren zu erhalten.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). 1963 konnte Fritz Weigel erstmals metallisches Promethium durch Erhitzen von Promethium(III)-fluorid (PmF3) mit Lithium im Tantal-Tiegel herstellen.Fritz Weigel: Darstellung von metallischem Promethium, in: Angewandte Chemie, 1963, 75 (10), S. 451–451 (doi:10.1002/ange.19630751009).
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. mini|links|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; für den Siedepunkt gibt es Schätzwerte von 2727 und 3000 °C. 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.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).
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 ausreichenden 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.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 ().
Das Nuklid 147Pm diente außer als Betastrahlenquelle auch als Zusatz für Leuchtfarbe, die in Leuchtziffern von Uhren und den Zieloptiken von Waffen, wie der M72 (LAW) eingesetzt wurde.Oak Ridge Associated Universities: "Sight for LAW Rocket Launcher" orau.org, 5. Juli 2016
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.Weigel: Chemie des Promethiums, S. 591–594.Gmelin, 39 C 1, S. 312–313.
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.Gmelin, 39 C 3, S. 194. Kristallines wasserfreies Promethium(III)-fluorid ist ein violettrosafarbenes SalzWeigel: Chemie des Promethiums, S. 587–588. mit einem Schmelzpunkt von 1338 °C.