عنصر الأرض النادرة

عنصر الأرض النادرة ، أي عضو في مجموعة العناصر الكيميائية المكونة من ثلاثة عناصر في المجموعة 3 (scandium [Sc] ، و yttrium [Y] ، و lanthanum [La]) والصف الأول الممتد من العناصر أسفل الجسم الرئيسي للجدول الدوري (السيريوم [م] من خلال اللوتيتيوم [لو]). تسمى عناصر السيريوم من خلال اللوتيتيوم اللانثانيدات ، لكن العديد من العلماء أيضًا ، وإن كان غير صحيح ، يسمون هذه العناصر بالأرض النادرة.

يُعرف جاكسون بولوك بـ:

العناصر الأرضية النادرة هي بشكل عام عناصر ثلاثية التكافؤ ، لكن القليل منها يحتوي على تكافؤات أخرى. يمكن أن يكون السيريوم والبراسيوديميوم والتيربيوم رباعي التكافؤ ؛ من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون السماريوم واليوروبيوم والإيتربيوم ثنائي التكافؤ. تنظر العديد من كتب العلوم التمهيدية إلى الأرض النادرة على أنها متشابهة كيميائيًا مع بعضها البعض بحيث يمكن اعتبارها مجتمعة عنصرًا واحدًا. هذا صحيح إلى حد ما - حوالي 25 في المائة من استخداماتهم تستند إلى هذا التشابه الوثيق - لكن 75 في المائة الأخرى من استخدام الأرض النادرة يعتمد على الخصائص الفريدة للعناصر الفردية. علاوة على ذلك ، يكشف الفحص الدقيق لهذه العناصر عن اختلافات شاسعة في سلوكها وخصائصها ؛ على سبيل المثال ، نقطة انصهار اللانثانم ، و النموذج المبدئي عنصر من سلسلة اللانثانيدات (918 درجة مئوية ، أو 1،684 درجة فهرنهايت) ، أقل بكثير من نقطة انصهار اللوتيتيوم ، العنصر الأخير في السلسلة (1،663 درجة مئوية ، أو 3،025 درجة فهرنهايت). هذا الاختلاف أكبر بكثير من ذلك الموجود في العديد من مجموعات الجدول الدوري ؛ على سبيل المثال ، نقاط انصهار النحاس والفضة و ذهب تختلف فقط بحوالي 100 درجة مئوية (180 درجة فهرنهايت).

الاسم الأتربة النادرة نفسها تسمية خاطئة. في وقت اكتشافها في القرن الثامن عشر ، تم العثور عليها لتكون أحد مكونات الأكاسيد المعقدة ، والتي كانت تسمى الأرض في ذلك الوقت. علاوة على ذلك ، هذه المعادن بدت نادرة ، وبالتالي فإن هذه العناصر المكتشفة حديثًا سميت بأتربة نادرة. في الواقع ، هذه العناصر وفيرة للغاية وموجودة في العديد من الرواسب العملية في جميع أنحاء العالم. تقع العناصر الأرضية النادرة التي تحدث بشكل طبيعي في النسبة المئوية الخمسين من الوفرة الأولية. بحلول أوائل القرن الحادي والعشرين ، الصين أصبحت أكبر منتج للعناصر الأرضية النادرة في العالم. أستراليا ، البرازيل ، الهند كازاخستان، ماليزيا كما تقوم روسيا وجنوب إفريقيا والولايات المتحدة باستخراج وتنقية كميات كبيرة من هذه المواد.

كثير من الناس لا يدركون التأثير الهائل لعناصر الأرض النادرة على حياتهم اليومية ، ولكن يكاد يكون من المستحيل تجنب قطعة من التكنولوجيا الحديثة التي لا تحتوي على أي منها. حتى منتج بسيط مثل صوان أخف يحتوي على عناصر أرضية نادرة. يتجلى انتشارها في السيارات الحديثة ، وهي واحدة من أكبر السيارات المستهلكين من منتجات الأرض النادرة. حزم من محركات كهربائية في سيارة نموذجية ، وكذلك مكبرات الصوت في نظامها الصوتي ، تستخدم مغناطيس النيوديميوم - الحديد - البورون الدائم. تستخدم المستشعرات الكهربائية الزركونيا المستقرة بواسطة الإيتريا لقياس محتوى الأكسجين في الوقود والتحكم فيه. يعتمد المحول الحفاز ثلاثي الاتجاهات على أكاسيد السيريوم لتقليلها نتروجين إلى غاز النيتروجين وأكسدة أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المحترقة إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في منتجات العادم. تحتوي الفوسفور في شاشات العرض الضوئية على أكاسيد الإيتريوم والأوروبيوم والتيربيوم. يتم صقل الزجاج الأمامي والمرايا والعدسات باستخدام أكاسيد السيريوم. حتى البنزين أو وقود الديزل الذي يدفع السيارة تم تكريره باستخدام محفزات تكسير الأرض النادرة التي تحتوي على اللانثانوم أو السيريوم أو أكاسيد الأرض النادرة المختلطة. يتم تشغيل السيارات الهجينة بواسطة بطارية قابلة لإعادة الشحن من معدن النيكل واللانثانم ومحرك سحب كهربائي ، مع مغناطيس دائم يحتوي على عناصر أرضية نادرة. بالإضافة إلى ذلك ، حديثة أجهزة الإعلام والاتصالات - الهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر — تستخدم جميعها عناصر أرضية نادرة كمغناطيس لمكبرات الصوت ومحركات الأقراص الصلبة والفوسفور لشاشات العرض الضوئية. كميات العناصر الأرضية النادرة المستخدمة صغيرة جدًا (0.1-5 بالمائة من حيث الوزن ، باستثناء المغناطيس الدائم ، الذي يحتوي على حوالي 25 بالمائة من النيوديميوم) ، لكنها ضرورية ، وأي من هذه الأجهزة لن يعمل بشكل جيد ، أو قد يكون بشكل كبير. أثقل ، لولا الأرض النادرة.

الاكتشاف والتاريخ

على الرغم من أن الأرض النادرة كانت موجودة منذ تكوين الأرض ، إلا أن وجودها لم يظهر حتى أواخر القرن الثامن عشر. في عام 1787 اكتشف الملازم في الجيش السويدي كارل أكسل أرهينيوس لونًا أسود فريدًا المعدنية في مقلع صغير في يتربي (بلدة صغيرة بالقرب من ستوكهولم). كان هذا المعدن عبارة عن خليط من العناصر الأرضية النادرة ، وكان أول عنصر فردي يتم عزله هو السيريوم في عام 1803.

إن تاريخ العناصر الأرضية النادرة الفردية معقد ومربك ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تشابهها الكيميائي. لم تكن العديد من العناصر المكتشفة حديثًا عنصرًا واحدًا ولكنها عبارة عن خليط من ستة عناصر أرضية نادرة مختلفة. علاوة على ذلك ، كانت هناك ادعاءات باكتشاف عدد كبير من العناصر الأخرى ، والتي كان من المفترض أن تكون أعضاء في سلسلة الأرض النادرة ولكنها لم تكن كذلك.

تم اكتشاف آخر عنصر أرضي نادر يحدث بشكل طبيعي (اللوتيتيوم) في عام 1907 ، ولكن البحث في كيمياء من هذه العناصر كان صعبًا لأن لا أحد يعرف عدد العناصر الأرضية النادرة الحقيقية الموجودة. لحسن الحظ ، في 1913-1914 بحث الفيزيائي الدنماركي نيلز بور والفيزيائي الإنجليزي هنري جوين جيفريز موسلي حل هذا الوضع. مكنت نظرية بور عن ذرة الهيدروجين المنظرين من إظهار وجود 14 لانثانيدًا فقط. أثبتت الدراسات التجريبية لموسلي وجود 13 من هذه العناصر وأظهرت أن اللانثانيد الرابع عشر يجب أن يكون العنصر 61 ويقع بين النيوديميوم والساماريوم.

في عشرينيات القرن الماضي ، كان البحث عن العنصر 61 مكثفًا. في عام 1926 ، زعمت مجموعات من العلماء في جامعة فلورنسا بإيطاليا وجامعة إلينوي أنهم اكتشفوا العنصر 61 وأطلقوا على عنصر فلورنتيوم وإلينيوم على التوالي ، لكن لم يتم التحقق من ادعاءاتهم بشكل مستقل. تلاشت ضجة هذه الادعاءات والادعاءات المضادة في نهاية المطاف بحلول عام 1930. ولم يكن الأمر كذلك حتى عام 1947 ، بعد انشطار اليورانيوم ، فقد تم عزل العنصر 61 بالتأكيد وتسميته بروميثيوم من قبل العلماء في مختبر أوك ريدج الوطني التابع للجنة الطاقة الذرية الأمريكية في تينيسي . (تم العثور على مزيد من التفاصيل حول اكتشاف العناصر الفردية في المقالات حول هذه العناصر.)

خلال 160 عامًا من الاكتشاف (1787-1947) ، كان فصل العناصر الأرضية النادرة وتنقيتها عملية صعبة وتستغرق وقتًا طويلاً. قضى العديد من العلماء حياتهم كلها في محاولة للحصول على 99 في المائة من الأرض النادرة النقية ، عادةً عن طريق التبلور الجزئي ، والذي يستفيد من الاختلافات الطفيفة في الذوبان من ملح الأرض النادرة في مائي المحلول مقارنة بعنصر اللانثانيد المجاور.

نظرًا لأنه تم العثور على العناصر الأرضية النادرة على أنها نواتج انشطارية لانشطار ذرة اليورانيوم ، بذلت هيئة الطاقة الذرية الأمريكية جهدًا كبيرًا لتطوير طرق جديدة لفصل العناصر الأرضية النادرة. ومع ذلك ، في عام 1947 ، نشر جيرالد إي بويد وزملاؤه في مختبر أوك ريدج الوطني وفرانك هارولد سبيدج وزملاؤه في مختبر أميس بولاية أيوا نتائج متزامنة أظهرت أن عمليات تبادل الأيونات تقدم طريقة أفضل بكثير لفصل العناصر الأرضية النادرة.