この記事で分かること
- 何に利用されるのか：そのユニークな物理的・化学的性質から、着色剤、硝子、触媒、磁石などに利用されています。
- なぜ、青い光を吸収するのか：プラセオジムは、4f軌道に不対電子を持っています。青い光の波長がこの4f軌道内の電子を低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へ励起させるためにちょうど適しているため、青い光を吸収しやすくなります。
- 触媒としての利用法：プラセオジムは、そのユニークな電子配置と酸化還元特性から、アンモニア合成、一酸化炭素の酸化反応や光触媒、石油の文化などに利用されています。
レアアースの価格高騰
2025年5月現在、レアアース（希土類元素）の価格が急騰し、一部の元素では3倍以上に達しています。
この背景には、中国による輸出規制の強化があり、特に電気自動車（EV）や風力発電、軍事用途に不可欠な元素であるジスプロシウムやテルビウムの供給が逼迫しています。
レアアースのひとつである、ジスプロシウムはEVモーターの永久磁石に不可欠であり、テスラなどの自動車メーカーは在庫が5月末までしか持たないと懸念しています。
レアアースとは何か
レアアース（希土類元素）とは、周期表の中で原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素の総称です。
レアアースの特徴
- 名前の通り「珍しい（rare）」と思われがちですが、実際には地殻中に比較的豊富に存在します。ただし、単体で高濃度に存在する鉱床が少なく、抽出・分離が困難なため「希土類」と呼ばれています。
- 化学的性質が似ていて分離が難しく、製錬や精製には高度な技術が必要です。
主な用途
レアアースは現代のハイテク産業に欠かせない資源です：
- 永久磁石（ネオジム、ジスプロシウムなど）：電気自動車（EV）、風力発電、スマートフォン
- 蛍光体（ユウロピウム、テルビウムなど）：液晶テレビ、LED、蛍光灯
- 触媒（セリウムなど）：自動車の排ガス浄化装置、石油精製
- 研磨剤：ガラスやレンズの精密研磨
産出と地政学的リスク
- 世界のレアアース生産の約60〜90%は中国に依存しており、供給の地政学的リスクが高い資源です。
- アメリカ、オーストラリア、ミャンマーなども採掘を試みていますが、製錬・精製まで含めると中国の独占的な地位は依然として強力です。
レアアースとは、原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素のことであり、電動化・デジタル化・再生可能エネルギー推進において不可欠な「戦略的資源」であり、経済安全保障上も重要視されています。
プラセオジムとは何か
プラセオジム (Pr) は、原子番号59の希土類元素の一つで、ランタノイド系列に属します。
発見と名前の由来
プラセオジムは、1885年にオーストリアの化学者ウェルスバッハによって発見されました。
かつて「ジジミウム」という一つの元素と考えられていた物質が、実はプラセオジムとネオジムの2つの元素の混合物であることが判明し、それぞれが命名されました。
「プラセオジム」という名前は、ギリシャ語の「prasios」（ニラ色、緑色）と「didymos」（双子）に由来しており、分離した酸化物が緑色を呈したことにちなんでいます。
性質
- 色と変色性: 単体は銀白色の金属ですが、空気中に放置すると表面が酸化されて淡黄色に変色します。
- 反応性: きわめて反応性に富む金属で、熱水や酸に水素を発生して溶けます。290℃以上では空気中で発火して酸化物となります。
- 展性・延性: 展性（薄く広げられる性質）と延性（細く伸ばせる性質）に富んでいます。
- 結晶構造: 常温常圧では複六方最密充填構造（ABACスタッキング）をとります。
- 融点・沸点: 融点は約931℃、沸点は約3520℃です。
- 酸化数: 主に+3の酸化状態をとりますが、+4の化合物も作ります。
産出
プラセオジムは、炭酸塩のマグマが冷えて固まったカーボナタイトという特殊な岩石中のバストネス石や、花崗岩に伴われるペグマタイト中のモナズ石や褐簾石などに、他の希土類元素とともに含まれて産出します。
どんな用途で使用されるのか
プラセオジムは、そのユニークな物理的・化学的性質から、様々な分野で利用されています。
着色剤
ソーダガラスに添加すると緑色を呈するため、色ガラスに用いられます。陶磁器の釉薬（うわぐすり）として、黄緑色に着色する顔料にも使用されます。プラセオジムイエローは、最初に実用化された希土類元素の顔料の一つです。
特殊ガラス
溶接マスクの窓に使用されるガラスに添加すると、青い光をよく吸収するため、作業者の目を保護するのに役立ちます。合金:マグネシウムとの合金は、高張力・低クリープ特性を持つため、ジェットエンジン部品などに使用されます。ライター用発火合金の成分の一つでもあります。
触媒
様々な化学反応において触媒として使用され、工業プロセスの効率向上に貢献します。
磁石
プラセオジム磁石（PrCo5）は、プラセオジムとコバルトを主成分とする希土類磁石です。物理的な強度が非常に大きく、錆びにくいという特徴があります。
ただし、コバルトを使用するため高価であり、より磁力が強く低価格なネオジム磁石の普及により、あまり使われなくなっています。
近年では、ネオジム磁石の主成分であるネオジム（Nd）とプラセオジム（Pr）の混合物である「プラセオネオジム（Pr-Nd）」がネオジム磁石の材料として直接用いられることが多くなっています。
これは、プラセオジムがネオジム磁石の磁気特性に悪影響を与えないことが判明したため、元素分離のコストを削減できる利点があります。
プラセオジムは、そのユニークな物理的・化学的性質から、着色剤、硝子、触媒、磁石などに利用されています。
青い光を吸収する理由
プラセオジムが青い光を吸収する主な理由は、その電子構造、特に、4f軌道にある電子の特定のエネルギー準位間の遷移が関係しています。
希土類元素（レアアース）であるプラセオジムは、4f軌道に不対電子を持っています。これらの電子は、特定の波長の光（エネルギー）を吸収することで、より高いエネルギー準位の軌道に励起されます。この励起は、特定のエネルギー間隔に一致する光の波長でのみ効率的に起こります。
プラセオジムの場合、その電子構造の特性から、青い光のエネルギー（波長）が、4f軌道内の電子を低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へ励起させるのにちょうど適しているため、青い光を強く吸収するのです。
この現象は、一般的に「f-f遷移」と呼ばれ、希土類元素が特徴的な色を示す原因となります。
励起された電子は、やがて元のエネルギー準位に戻るときに、光（蛍光やリン光）としてエネルギーを放出することもありますが、プラセオジムがガラスの着色剤や特殊ガラスとして用いられる場合は、その吸収特性が利用されています。
溶接マスクの窓にプラセオジムが添加されるのも、この青い光の吸収特性によるものです。
溶接作業中に発生する強い青色の光は目に有害であるため、プラセオジムがその光を吸収することで、作業者の目を保護する効果が期待できます。
プラセオジムは、4f軌道に不対電子を持っており、青い光がこの4f軌道内の電子を低いエネルギー準位から高いエネルギー準位へ励起させるがめにちょうど適しているため、青い光を吸収しやすくなります。
プラセオジムはどんな反応の触媒に使用されるのか
プラセオジムは、主に酸化物の形で、様々な化学反応の触媒として使用されています。特に注目されているのは、以下の反応です。
アンモニア合成
- プラセオジムの酸化物を担体としてルテニウムを担持した触媒は、従来の鉄系触媒よりも温和な条件でアンモニアを合成できるため、エネルギー効率の良いアンモニア生産プロセスへの応用が期待されています。これは、再生可能エネルギーを利用したアンモニア合成の分野で特に重要視されています。
CO酸化反応
- 酸化プラセオジムに少量の白金を添加することで、CO（一酸化炭素）の酸化反応活性が著しく高まることが報告されています。これは、自動車の排ガス浄化など、環境触媒としての応用が考えられます。
光触媒反応
TiO2（酸化チタン）にPr3+（プラセオジムイオン）をドーピングすることで、光触媒活性が向上することが示されています。これは、水処理における有害物質の分解などに利用される可能性があります。
石油の接触分解
プラセオジムは、石油の接触分解（クラッキング）触媒にも利用されています。
プラセオジムは、そのユニークな電子配置と酸化還元特性から、アンモニア合成、一酸化炭素の酸化反応や光触媒、石油の文化などに利用されています。
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