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59. Praseodym (Pr) - Das grüne Glas-Element · Das Periodensystem der Elemente

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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns
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einem Element. Das über ein Jahrzehnt lang
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unerkannt in einer vermeintlich einheitlichen Substanz verborgen
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blieb, dass Glasbläserinnen und schweißern bis heute die Augen
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schützt und dessen sattgrüne Farbe ihm seinen Namen gab.
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Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in
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die Welt von Praseodym, dem grünen Glaselement.
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Praseodym trägt im Periodensystem das Symbol Pr und
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die Ordnungszahl 59. Es gehört, wie bereits einige
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Elemente, die wir in dieser Reihe kennengelernt haben, zur
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Gruppe der Lanthanoide und damit zur größeren Familie der
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Seltenen Erden. Um die Entdeckungsgeschichte von
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Praseodym zu verstehen, müssen wir noch einmal kurz zu jenem
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verworrenen Kapitel der Chemiegeschichte zurückkehren,
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dass wir bereits bei unseren bisherigen Folgen über Lantan
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und Cer gestreift haben. Bereits im Jahr 1841 hatte der
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schwedische Chemiker Karl Gustav Mosander bei seinen
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Untersuchungen von Cher und Lantern Mineralien eine weitere
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bis dahin unbekannte Substanz isoliert, die er Didum nannte.
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Vom griechischen Wort für Zwilling, da sie dem Lantern
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chemisch zum Verwechseln ähnlich war.
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Über Jahrzehnte hinweg galt Didum in der chemischen Fachwelt
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als eigenständiges chemisches Element.
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Obwohl bereits einige forschende Zweifel an seiner tatsächlichen
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Reinheit hegten, da sich sein Spektrum bei genauerer
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spektroskopischer Untersuchung eigentümlich komplex zeigte.
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Die endgültige Aufklärung dieses Rätsels gelang erst im Jahr 1885
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dem österreichischen Chemiker Karl Auer von Welsbach, jenem
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Forscher, dem wir bereits in unserer Folge über CER als
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Erfinder des Gasglühstrumpfs und des modernen
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Feuerzeugfeuersteins begegnet sind.
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Auer von Welsbach unterzog Proben von Didymsalzen einem
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äußerst aufwändigen Verfahren namens Fraktionierte
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Kristallisation, bei dem eine Lösung wiederholt langsam
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eingedampft wird, wodurch sich chemisch geringfügig
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unterschiedliche Bestandteile in leicht unterschiedlichen
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Anteilen in den jeweils zuerst und zuletzt
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auskristallisierenden Fraktionen anreichern.
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Dieses mühsame Verfahren musste er buchstäblich hunderte Male
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wiederholen. Bevor sich schließlich 2
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chemisch klar unterscheidbare Fraktionen mit deutlich
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unterschiedlichen Absorptionsspektren und
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Salzfarben Herauskristallisierten.
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Damit hatte Auer von Welsbach bewiesen, dass das vermeintliche
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Element Didym in Wahrheit ein Gemisch zweier bis dahin
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unbekannter Elemente war. Bei der Namensgebung für die
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beiden neu entdeckten Elemente ließ sich Auer von Welsbach von
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deren charakteristischen Salzfarben leiten.
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Das eine Element bildete Salze von einer auffälligen sattgrünen
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Farbe, weshalb er es Praseodym nannte, zusammengesetzt aus dem
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griechischen Wort Prasios für Lauchgrün und dem bereits
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etablierten Namensbestandteil Didym.
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Das andere neu entdeckte Element erhielt den Namen Neodym, was so
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viel wie neues Didym bedeutet und dem wir in einer eigenen
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Folge unserer Reihe noch ausführlich begegnen werden.
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Praseodym war damit gewissermaßen der grüne Zwilling
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in dieser wissenschaftlichen Familiengeschichte.
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Einnahme, der bis heute an die auffällige Farbe seiner
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charakteristischen Verbindungen erinnert.
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Chemisch und physikalisch ist Praseodym ein typischer
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Vertreter der Lanthanoide ein weiches, silbrig glänzendes
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Metall, das an feuchter Luft rasch anläuft und sich mit einer
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grünlich gelben Oxidschicht überzieht.
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Die im Gegensatz zu manch anderem selten Erdmetall nicht
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ausreichend schützend wirkt, um eine fortschreitende Korrosion
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des darunter liegenden Metalls zu verhindern.
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Mit einer Dichte von etwa 6,8 Gramm pro Kubikzentimeter und
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einem Schmelzpunkt von rund 931 Grad Celsius reiht sich
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praseodym dabei in vielen seiner physikalischen
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Grundeigenschaften nahtlos zwischen seine unmittelbaren
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Nachbarn cher und Neodym im Periodensystem ein.
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Ein Muster, das für die gesamte Reihe der Lanthanoide
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charakteristisch ist. Aus diesem Grund wird reines
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Praseodym wie viele seiner Verwandten üblicherweise unter
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Mineralöl oder in versiegelten Behältnissen unter Schutzgas
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gelagert. In seinen chemischen
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Verbindungen tritt Praseodym überwiegend in der
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Oxidationsstufe plus 3 auf, kann jedoch ähnlich wie sein Nachbar
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zäher, unter bestimmten Bedingungen auch die
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Oxidationsstufe plus 4 annehmen. Etwa in der Verbindung
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Praseodymdioxid, die allerdings deutlich instabiler ist als das
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entsprechende Cerdioxid und daher chemisch und technisch
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eine geringere Rolle spielt. In der Praxis existiert
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Praseodymoxid zumeist als eine gemischte, nichtstöchiometrische
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Verbindung, die vereinfacht oft als PR 6 o 11 beschrieben wird,
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ein charakteristisch dunkelbraunes bis schwarzes
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Pulver, in dem sich Praseodymionen in beiden
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Oxidationsstufen gemeinsam finden.
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Kommen wir nun zu jener Anwendung, die Praseodym seinen
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Beinamen als grünes Glaselement eingebracht hat und die bis
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heute Menschen in ganz unterschiedlichen Berufsfeldern
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tagtäglich vor Schaden bewahrt. Bereits kurz nach der Entdeckung
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von Praseodym und Neodym stellte sich heraus, dass eine Mischung
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dieser beiden Elemente, die man aufgrund ihrer gemeinsamen
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historischen Herkunft aus dem ursprünglichen Didym auch als
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Didymglas bezeichnet. Ganz besondere optische
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Eigenschaften besitzt wird eine solche praseodym neodym Mischung
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in Glas eingeschmolzen, entsteht ein Filtermaterial, das gezielt
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jene spezifischen Lichtwellenlängen absorbiert,
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die beim Erhitzen von Natriumverbindungen sowie bei
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bestimmten industriellen Prozessen als besonders grelles,
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blendendes Licht auftreten. Insbesondere die
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charakteristische Intensivgelbe Natrium D-Linie.
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Genau aus diesem Grund wird Didymglas seit mehr als einem
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Jahrhundert für Schutzbrillen von Glasbläserinnen und
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Glasbläsern sowie beim Autogenen Schweißen und Löten verwendet.
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Wer schon einmal beobachtet hat, wie geschmolzenes Glas an einer
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Glasbläserpfeife bearbeitet wird oder wie an einer Schweißnaht
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mit Sauerstoff, acetylen, Gemischen gearbeitet wird, hat
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vermutlich schon einmal die charakteristisch bräunlich
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violette Tönung einer solchen Didymschutzbrille gesehen.
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Ohne zu wissen, dass genau jenes Element, dem diese Folge
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gewidmet ist, für den entscheidenden Blendschutz
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sorgt. Ohne diesen Schutz könnten die
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extrem grellen Lichtblitze, die bei diesen Arbeiten entstehen,
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langfristig zu schmerzhaften und dauerhaften Schädigungen der
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Netzhaut führen, weshalb Didymglas bis heute in vielen
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handwerklichen und industriellen Bereichen als unverzichtbare
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Schutzausrüstung gilt. Auch als Farbmittel spielt
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Praseodym eine bedeutende Rolle. Allerdings nicht nur im
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Schutzglas, sondern gezielt zur Erzeugung einer ganz bestimmten
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Farbe, dem sogenannten Praseodymgelb, einem kräftigen,
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gelblich grünen Farbton, der insbesondere in der keramischen
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Industrie geschätzt wird, wird Praseodymoxid in Kombination mit
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Zirkonsilikat in Glasuren und Keramikfarben eingearbeitet,
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entsteht ein außerordentlich lichtechtes, hitzebeständiges
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Pigment. Das sich hervorragend zur
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Färbung von Fliesenglasuren Porzellan und anderen
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keramischen Erzeugnissen eignet. Dieses Pigment ist besonders
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deshalb bemerkenswert, weil es im Gegensatz zu vielen älteren
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giftigen Farbstoffen auf Basis von Cadmium, Chrom oder Blei als
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vergleichsweise umweltverträglich gilt.
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Weshalb Praseodymgelb seit der zweiten Hälfte des 20.
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Jahrhunderts in der keramischen Industrie zunehmend an Bedeutung
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gewann und heute in Fliesen, Sanitärkeramik und Geschirr
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weltweit Verwendung findet. Auch in der Metalogie hat
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Praseodym praktische Bedeutung erlangt, in Kombination mit
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Magnesium bildet Praseodym besonders hitzebeständige und
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mechanisch belastbare Leichtmetalllegierungen.
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Die über Jahrzehnte hinweg in Bauteilen von
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Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurden, wo eine Kombination aus
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geringem Gewicht und hoher Festigkeit bei erhöhten
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Betriebstemperaturen von entscheidender Bedeutung ist.
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Auch das bereits aus unserer Folge über Cer bekannte
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Mischmetall, jene Legierung, die bis heute in Feuerzeug
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Feuersteinen zum Einsatz kommt, enthält neben Cer und Lantan
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meist auch einen gewissen Anteil an Praseodym.
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Da das natürliche Rohstoffgemisch bei der
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Verarbeitung von selten RDR 10 ohnehin stets mehrere dieser eng
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verwandten Elemente gemeinsam enthält und eine vollständige
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Trennung für viele Anwendungen weder notwendig noch
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wirtschaftlich sinnvoll ist, ein weiteres technisch
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anspruchsvolles Einsatzgebiet von Praseodym findet sich in der
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Telekommunikationstechnik, genauer gesagt in der
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Glasfasertechnologie. Mit Praseodym dotierte optische
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Fasern, sogenannte Praseodym, dotierte Faserverstärker
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ermöglichen es, optische Signale direkt innerhalb der Glasfaser
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selbst zu verstärken, ohne dass das Licht zuvor in ein
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elektrisches Signal umgewandelt und anschließend wieder in Licht
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zurückverwandelt werden muss. Während für den heute
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überwiegend genutzten Wellenlängenbereich um 1550
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Nanometer meist mit Erbium dotierte Faserverstärker zum
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Einsatz kommen. Eignen sich mit prase Odem
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dotierte Fasern besonders gut für einen benachbarten,
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historisch ebenfalls bedeutsamen Wellenlängenbereich um 1300
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Nanometer, der in bestimmten älteren oder spezialisierten
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Glasfasernetzen nach wie vor genutzt wird?
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Diese Technologie leistete in den 1990er Jahren einen
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wichtigen Beitrag zur rasanten Expansionsfähigkeit optischer
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Datennetze und damit letztlich zur Entwicklung des modernen
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globalen Internets. Auch in der Welt der
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Permanentmagnete taucht praseodym gelegentlich auf, wenn
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auch meist im Schatten seines direkten Verwandten Neodym.
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Kommerziell erhältliche sogenannte didym Magnete
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bestehen aus einer Legierung von neodym, Eisen und Bor, der
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gezielt ein gewisser Anteil Praseodym beigemischt wird.
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Diese Beimischung kann die Korrosionsbeständigkeit sowie
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bestimmte magnetische Eigenschaften der Legierung
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verbessern. Weshalb Praseodymhaltige
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Magnetlegierungen insbesondere im Hobbybereich sowie in
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bestimmten industriellen Anwendungen, in denen eine
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vollständige Trennung von Neodym und Praseodym aus Kostengründen
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nicht erforderlich ist, nach wie vor verbreitet sind.
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Auch in der Beleuchtungstechnik, die wir bereits bei Lantan und
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Cher als wiederkehrendes Thema kennengelernt haben, spielte
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Praseodym historisch eine unterstützende Rolle.
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In den bereits erwähnten Kohlebogenlampen, wie sie über
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weite Teile des 20. Jahrhunderts in Filmprojektoren
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und Suchscheinwerfern eingesetzt wurden, wurden die Kohlenstoff
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Elektroden häufig mit einer Mischung verschiedener
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Seltenerdverbindungen dotiert, in der neben Cher und Lantern
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regelmäßig auch Praseodym enthalten war, um das erzeugte
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Licht in seinem gesamten Farbspektrum möglichst nah an
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das natürliche Sonnenlicht anzunähern.
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Bezüglich seiner natürlichen Herkunft findet sich praseodym
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wie die meisten Lanthanoide, niemals in reiner metallischer
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Form in der Natur, sondern ausschließlich gebunden in den
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bereits bekannten Seltenerdmineralien Monazit und
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Bastnesit im natürlichen Rohstoffgemisch dieser Minerale
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macht Praseodym typischerweise nur einen vergleichsweise
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geringen Anteil aus, deutlich weniger als das häufigere Cer
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oder Lantan. Aber immer noch deutlich mehr
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als viele der schwereren, seltener vorkommenden
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Lanthanoide gegen Ende der Reihe.
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Praseodym besitzt zudem nur ein einziges, natürlich
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vorkommendes, stabiles Isotop Praseodym 141, das nahezu 100%
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des natürlich vorkommenden Elements ausmacht, ein
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bemerkenswerter Umstand, der Praseodym zu einem der wenigen
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sogenannten monoisotopischen Elemente des gesamten
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Periodensystems macht. Also Elementen, die in der Natur
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praktisch ausschließlich in Form eines einzigen Isotops
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vorkommen. Diese isotopische Reinheit macht
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praseodym 141 auch für die Grundlagenforschung interessant,
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insbesondere in der Kernphysik, wo es unter anderem als
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Ausgangsmaterial zur Herstellung radioaktiver praseodym Isotope
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für Forschungszwecke dient. Das künstlich erzeugte Isotop
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praseodym 142 etwa besitzt eine Halbwertszeit von rund 19
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Stunden und wurde in der Vergangenheit vereinzelt in der
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experimentellen Strahlentherapie sowie in nuklearmedizinischen
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Forschungsprojekten untersucht. Wenngleich es sich hierbei
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bislang um ein eher randständiges Anwendungsgebiet
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handelt, das in der klinischen Praxis kaum eine Rolle spielt.
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Interessanterweise besitzen einige Praseodymverbindungen
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zudem bemerkenswerte magnetische Tieftemperatureigenschaften, die
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in der physikalischen Grundlagenforschung intensiv
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untersucht werden. Bestimmte Praseodymverbindungen
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zeigen bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten
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Nullpunkt ungewöhnliche magnetische Ordnungszustände,
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die Festkörperphysikerinnen und Festkörperphysikern helfen.
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Grundlegende quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen
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magnetischen Momenten in kristallinen Materialien besser
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zu verstehen. Erkenntnisse, die langfristig
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auch zur Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien und
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Quantentechnologien beitragen, können eine weniger bekannte,
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aber wissenschaftlich bedeutsame Anwendung von Didymglas findet
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sich zudem in der analytischen Chemie und Physik selbst.
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Aufgrund seiner außerordentlich scharfen und präzise
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reproduzierbaren Absorptionslinien im Sichtbaren
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und nah infraroten Spektralbereich wird Didymglas
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seit Jahrzehnten als sogenannter Wellenlängenkalibrierstandard
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für optische Spektrometer eingesetzt.
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Nationale Metrologieinstitute, darunter das amerikanische
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National Institute of Standards and Technology, stellen zu
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diesem Zweck präzise zertifizierte Praseodym Neodym
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Glasproben her. Mit deren charakteristischen
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Absorptionsbanden sich empfindliche Labormessgeräte
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regelmäßig überprüfen und exakt nachjustieren lassen.
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Diese Anwendung mag auf den ersten Blick unscheinbar wirken,
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ist jedoch für die Verlässlichkeit unzähliger
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wissenschaftlicher Messungen in der Chemie, der Pharmaforschung
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und der Materialwissenschaft von grundlegender Bedeutung, denn
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nur mit exakt kalibrierten Geräten lassen sich
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Messergebnisse zwischen unterschiedlichen Laboren
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weltweit zuverlässig vergleichen.
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Blicken wir noch einmal auf die metallogische Bedeutung von
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Praseodym, insbesondere im Kontext der bereits erwähnten
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Magnesiumlegierungen. Diese sogenannten Hochwarmfesten
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Magnesiumlegierungen, denen neben Prasodym häufig auch
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geringe Mengen anderer Seltenerdmetalle beigemischt
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werden, zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch bei erhöhten
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Betriebstemperaturen. Wie sie etwa im Bereich von
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Turbinengehäusen und Getriebeteilen von
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Flugzeugtriebwerken auftreten. Ihre mechanische Festigkeit und
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Kriegbeständigkeit deutlich besser bewahren als unlegiertes
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Magnesium. Diese Eigenschaft war
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insbesondere in der zweiten Hälfte des 20 Jahrhunderts von
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erheblicher Bedeutung für die Luft und Raumfahrtindustrie, da
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das geringe Gewicht von Magnesiumlegierungen gegenüber
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herkömmlichen Stahl oder Titanbauteilen erhebliche
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Treibstoffeinsparungen ermöglichte.
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Auch hier zeigt sich exemplarisch, wie sehr moderne
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Hochtechnologie auf das Zusammenspiel mehrerer chemisch
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eng verwandter Seltenerdmetalle angewiesen ist, die in der
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Praxis selten als isoliertes Reinelement, sondern meist als
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sorgfältig abgestimmtes Legierungsgemisch zum Einsatz
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kommen. Auch in der
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Leuchtstofftechnologie hat Prasodym punktuell Bedeutung
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erlangt. Mit Praseodym dotierte Kristalle
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und Keramiken können abhängig von der jeweiligen Wirtsstruktur
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charakteristisches grünes oder rötliches Licht emittieren.
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Wenn sie mit energiereicher Strahlung oder ultraviolettem
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Licht angeregt werden. Diese Eigenschaft wird unter
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anderem in spezialisierten Leuchtstoffen für bestimmte
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Displaytechnologien sowie in der Forschung zu neuartigen
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Festkörperlasern untersucht, bei denen Praseodym dotierte
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Kristalle als aktives Lasermedium.
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Für bestimmte, vergleichsweise selten benötigte Wellenlängen im
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sichtbaren Spektralbereich dienen können ein
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Forschungsfeld, das insbesondere für spezialisierte
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wissenschaftliche und medizinische Laseranwendungen
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von Interesse ist, was die Gewinnung von Praseodym
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betrifft, gilt ähnliches wie bei den bereits vorgestellten
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Seltenerdmetallen unserer Reihe. Die weltweite Förderung
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konzentriert sich stark auf wenige Länder, allen voran
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China. Das über die bedeutendsten
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Lagerstätten und Verarbeitungskapazitäten
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verfügt. Da Praseodym im natürlichen
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Rohstoffgemisch stets gemeinsam mit anderen Lanthanoiden
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anfällt, hängt seine Verfügbarkeit eng mit der
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Gesamtnachfrage nach Seltenen Erden zusammen, insbesondere mit
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jener nach den für Permanentmagnete besonders
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wichtigen Elementen Neodym und Dysprosium.
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Die. In toxikologischer Hinsicht gilt
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Praseodym ähnlich wie Cher als vergleichsweise wenig
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bedenklich. Es besitzt keine bekannte
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biologische Funktion im menschlichen Körper, wird bei
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versehentlicher Aufnahme jedoch nur in geringem Umfang
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resorbiert, wenngleich beim Umgang mit feinem Praseodymstaub
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aufgrund der allgemeinen Reizwirkung von Metallstäuben
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auf die Atemwege dennoch angemessene Schutzmaßnahmen
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empfohlen werden. Wenn wir also heute an praseodym
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denken. Sollten wir nicht nur an ein
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weiteres, unscheinbares, selten erdmetall denken, sondern an ein
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Element, dessen charakteristisches Grün
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buchstäblich zwischen den Augen von Glasbläserinnen Schweißern
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und den grellsten Lichtquellen unserer industriellen Welt steht
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und dabei täglich unzählige Menschen vor Schaden bewahrt?
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Von der Schutzbrille über die Keramiklasur bis zur
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Glasfaserverstärkung zeigt Prase Odym eindrucksvoll, wie ein
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einst nur mühsam von seinem chemischen Zwilling getrenntes
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Element zu einem stillen, aber unverzichtbaren Helfer in ganz
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unterschiedlichen Lebensbereichen werden konnte.
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Auch diese Geschichte erinnert uns daran, wie wertvoll die
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natürlichen Ressourcen unseres Planeten sind und wie wichtig
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ein verantwortungsvoller, nachhaltiger Umgang mit ihnen
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bleibt. Unsere Erde und die offenen
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demokratischen Gesellschaften, in denen wissenschaftliche
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Entdeckungen wie diese frei erforscht und verantwortungsvoll
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genutzt werden können, zu schützen, bleibt eine der
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wichtigsten Aufgaben unserer Zeit.
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Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt
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von Praseodym angekommen, wir hoffen, dir hat der Ausflug vom
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grünen Zwilling bis zur Schutzbrille gefallen, wenn dir
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diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da.
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Das hilft uns dabei, weiterhin spannende Wissensreisen für dich
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zu produzieren. Bis zur nächsten Folge.
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Bleib neugierig.