معرفی لانتانیدس

لانتانیدها، با نام عناصر خاکی کمیاب چیست؟ سری لانتانید ردیفی از عناصر است که در زیر بلوک اصلی جدول تناوبی، در داخل بلوک f به همراه اکتینیدها قرار دارند. همه آنها فلز هستند. لانتانیدها عناصر 57-71 را اشغال می کنند و پس از باریم در جدول تناوبی منشعب می شوند. پیکربندی الکترونی آنها بسیار شبیه به فلزات واسطه است، اما دارای لایه الکترونی چهارمی است که می تواند 18 الکترون را در خود جای دهد. آنها دارای خواص مشابه با فلزات واسطه هستند اما دارای برخی ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد هستند. لانتانیدها به همراه اسکاندیم و ایتریوم به عنوان عناصر کمیاب خاکی شناخته می شوند.

خواص مشخصه لانتانیدها

• لانتانیدها معمولاً در پوسته زمین به عنوان ترکیبی با فلزات دیگر یافت می شوند
• لانتانیدها واکنش پذیر هستند و با نافلزات ترکیبات یونی تشکیل می دهند
• لانتانیدها کدر می شوند، به این معنی که وقتی در معرض هوا قرار می گیرند به سرعت درخشش/درخشندگی خود را از دست می دهند
• لانتانیدها در نفت یا گازهای نجیب برای جلوگیری از کدر شدن ذخیره می شوند
• لانتانیدها STP جامد هستند
• بیشتر لانتانیدها فقط از سه الکترون به عنوان الکترون ظرفیت استفاده می کنند
• تشخیص عناصر کمیاب خاکی بسیار دشوار است، زیرا آنها خواص فیزیکی و شیمیایی مشابهی دارند
• عناصر خاکی کمیاب دارای خواص الکترونیکی و مغناطیسی منحصر به فردی هستند که به آنها اجازه می دهد تا جایگاه های ویژه ای را در فناوری اشغال کنند

آیا لانتانیدها فلزات هستند؟

کاملا! همه عناصر خاکی کمیاب فلزاتی با خواص فلزی قوی، درخشندگی فلزی و ظاهری نقره ای هستند.

آیا عناصر کمیاب زمین نادر هستند؟

عناصر خاکی کمیاب به خصوص کمیاب نیستند. سریم بیست و پنجمین عنصر فراوان در پوسته زمین است که از مس رایج تر است.

مونازیت گروهی از مواد معدنی حاوی بیشترین غلظت عناصر کمیاب خاکی است. مونازیت معمولاً حاوی فسفات سریم، لانتانیم، نئودیمیم، ساماریم و/یا پرازئودیمیم است. همچنین اغلب حاوی توریم و گاهی اورانیوم است که آن را رادیواکتیو می کند. مونازیت در برزیل، هند، آفریقای جنوبی، استرالیا و ایالات متحده آمریکا یافت می شود. استخراج عناصر خاکی کمیاب از مونازیت یک فرآیند گسترده است که نیاز به فیلتراسیون و خنثی سازی زیادی دارد.

چند عنصر خاکی کمیاب وجود دارد؟

بنابراین چند عنصر خاکی کمیاب در واقع وجود دارد؟ پاسخ 15 یا 17 است، بسته به اینکه عنصر خاکی کمیاب را چگونه تعریف کنید. اگر اسکاندیم و ایتریوم را در نظر بگیرید، 17 مورد وجود دارد. اگر اینطور نیست، و هر کدام شامل لانتانیدهای واقعی است، تنها 15 خاک کمیاب وجود دارد. دلیل اینکه اسکاندیم و ایتریوم اغلب شامل می شوند این است که خواص فیزیکی و شیمیایی آنها شبیه لانتانیدهای واقعی است و در سنگ معدن های مشابه یافت می شوند.

فهرستی از عناصر لانتانید

لانتانیم – عنصر 57

نام لانتانوم از کلمه یونانی Lanthanein گرفته شده است که به معنای “پنهان” است. توسط شیمیدان سوئدی کشف شد کارل گوستاف ماساندر در سال 1839. آنقدر نرم است که با چاقو بریده شود، انعطاف پذیر است و رنگ نقره ای دارد. لانتانیم مصارف صنعتی متعددی از جمله اشتعال مشعل ها، فندک ها و لوله های دمنده دارد. همچنین در کاتدهای الکترون و لامپ ها برای جلوگیری از انتشار نور زرد استفاده می شود.

سریم – عنصر 58

سریم دارای خواص فیزیکی مشابه لانتانیم است و ظاهری مشابه نیز دارد. این تا حد زیادی فراوان ترین لانتانید در پوسته زمین است. سریم توسط شیمیدان آلمانی کشف شد مارتین هاینریش کلاپروت در سال 1803. این سیاره از سیاره کوتوله سرس که به دور خورشید بین مریخ و مشتری می چرخد ​​نامگذاری شده است. سریم به راحتی با آب و عناصر هالوژن واکنش نشان می دهد. از ترکیبات مبتنی بر سریم برای صیقل دادن شیشه استفاده می شود، اما در مبدل های کاتالیزوری و چراغ های LED برای تولید رنگ سفید نیز استفاده می شود.

پراسئودیمیم – عنصر 59

پراسئودیمیم خصوصیات فیزیکی مشابهی با سریم و لانتانیم دارد، الگویی که در طول بررسی ما از لانتانیدها ادامه خواهد داشت. با این حال، خواص نوری، الکتریکی و مغناطیسی بسیار قوی تری دارد. واکنش پذیرتر از آن است که به طور طبیعی در شکل عنصری خالص آن رخ دهد. پراسئودیمیم توسط شیمیدان اتریشی کشف شد بارون کارل اور فون ولسباخ در حالی که نمک های رنگی متفاوت را جدا می کنند. بر خلاف بسیاری از فلزات کمیاب دیگر، پرازئودیمیم در تمام دماها پارامغناطیس است. پراسئودیمیم در طیف گسترده ای از کاربردها، از لکه های سرامیکی گرفته تا توربین های بادی و آهنرباهای پرقدرت استفاده می شود.

نئودیمیم – عنصر 60

نئودیمیم خواص فیزیکی و شیمیایی زیادی با لانتانیدهای قبلی دارد، اما بر خلاف همراهان جدول تناوبی، نئودیمیم قادر است چندین رنگ را از طریق حالت های اکسیداسیون متعدد نشان دهد. رنگ های صورتی، آبی و زرد به ترتیب در حالت های اکسیداسیون +2، +3، +4 تولید می کند. بیشتر نئودیمیم طبیعی روی زمین در آسیای شرقی است. همچنین در سال 1885 توسط Welsbach کشف شد. مهمترین کاربرد نئودیمیم در الکترونیک است. نئودیمیم قادر به تشکیل آلیاژهای مغناطیسی قوی با فلزات دیگر است. این آلیاژها در طیف گسترده ای از فناوری های مدرن مانند بلندگوها، میکروفون ها و هدفون ها استفاده می شوند. آهنرباهای بزرگ مبتنی بر نئودیمیم در موتورهای الکتریکی خودروهای هیبریدی یافت می شود. نئودیمیم یکی از تاثیرگذارترین و مهم ترین عناصر اقتصاد قرن بیست و یکم است!

پرومتیم – عنصر 61

پرومتیم یکی از کمیاب ترین عناصر روی زمین است. تخمین زده می شود که تنها حدود 500 گرم در سراسر جهان در پوسته زمین وجود دارد. با این حال، می توان آن را در آزمایشگاه با بمباران اورانیوم-235 با نوترون با سرعت بسیار بالا تولید کرد. این فرآیند پرومتیوم-147 را تولید می کند که تنها ایزوتوپ عنصر با کاربردهای عملی است. اولین بار به اشتباه در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی در سال 1945 سنتز شد. شیمی نسبتا کمی در مورد پرومتیم شناخته شده است زیرا بسیار ناپایدار است و بنابراین مطالعه آن دشوار است. خارج از تحقیقات، تنها استفاده از پرومتیم در باتری های اتمی است.

ساماریوم – عنصر 62

ساماریوم دارای درخشش نقره ای مشابه لانتانیدهای دیگرش، اما بسیار سخت تر و تا حدودی انعطاف پذیرتر است. همچنین در هوا اکسید می شود، اما بسیار کندتر. ساماریوم در برخی از نقاط پوسته زمین با غلظت 3 درصد یافت می شود که آن را نسبتاً فراوان می کند. شیمیدان فرانسوی پل امیل لکوک دی بویزباودران این عنصر را در سال 1879 کشف کرد، جدا کرد و نامگذاری کرد. مانند عنصر عموی خود نئودیمیم، ساماریم برای ساخت آهنرباهای پرقدرت استفاده می شود، اما آهنرباهای مبتنی بر ساماریوم قادر به تحمل دماهای بسیار بالاتر هستند.

یوروپیوم – عنصر 63

یوروپیوم واکنش پذیرترین لانتانید است. واکنش پذیری بالای آن مستلزم آن است که در سیالات بی اثر ذخیره شود تا از واکنش آن با هوا جلوگیری شود. یوروپیوم به راحتی با همه هالوژن ها واکنش می دهد و ترکیبات پایداری را با کالکوژن ها تشکیل می دهد. مانند ساماریوم توسط Boisbaudran در سال 1892 کشف شد. برخلاف ساماریوم بسیار نرم و چکش خوار است. یوروپیوم یکی از کمیاب ترین عناصر روی زمین است. یوروپیوم خالص در طبیعت وجود ندارد. باید از مواد معدنی مانند مونازیت استخراج شود. یوروپیوم به اندازه سایر لانتانیدها کاربردهای متعددی ندارد، اما در بسیاری از دستگاه های الکترونیک نوری مانند لیزر و لامپ های فلورسنت استفاده می شود.

گادولینیوم – عنصر 64

گادولینیوم دارای خواص فیزیکی بیشتر شبیه سریم و پرازئودیمیم نسبت به یوروپیوم است. در دمای بالای 20 درجه سانتیگراد، این عنصر پارامغناطیس ترین عنصر جدول تناوبی است. شکل اکسید شده این عنصر را می توان در طبیعت یافت. گادولینیوم اولین بار توسط شیمیدان سوئیسی کشف شد ژان شارل دو مارنیاک در سال 1880 و بعد توسط Boisbaudran منزوی شد. در دماهای بالا، گادولینیوم ترکیبات دوتایی را با بسیاری از نافلزات تشکیل می دهد. همچنین به عنوان یک عامل کاهنده قوی در آزمایشات آزمایشگاهی عمل می کند. تنها کاربرد صنعتی شناخته شده گادولینیوم به عنوان محافظ درون راکتورهای هسته ای است.

تربیوم – عنصر 65

تربیوم دارای خواص فیزیکی مشابه یوروپیوم است. همچنین به طور انحصاری در مواد معدنی مانند سریت، مونازیت و یوکسنیت یافت می شود. تربیوم توسط شیمیدان سوئدی کارل گوستاف موساندر در سال 1843 کشف شد. تربیوم یک عنصر الکترو مثبت است که با آب، هالوژن ها و اسیدهای قوی واکنش می دهد. یکی از کاربردهای تربیوم در صنعت به عنوان تثبیت کننده در پیل های سوختی با دمای بالا است. همچنین در تولید دستگاه های الکترونیکی مانند سیستم های سونار و لوله های تلویزیون رنگی استفاده می شود.

دیسپروزیم – عنصر 66

دیسپروزیم یک لانتانید بسیار مغناطیسی است. خواص مغناطیسی مشخصه آن زمانی که دما بسیار پایین است قوی تر می شود. این لانتانید کندترین کدر کننده است. بویزباودران به سختی جداسازی این عنصر با اسیدها اشاره کرد و متعاقباً آن را از کلمه یونانی «dysprositos» که به «سخت به دست آوردن» ترجمه می‌شود، نامید. کاربرد اصلی دیسپروزیم آهن ربا در توربین های بادی است.

هولمیوم – عنصر 67

هولمیوم یک لانتانید است که توسط شیمیدان سوئدی کشف شد از نظر تئودور کلیو در سال 1878 از طریق انزوا. این بسیار واکنش پذیر است که در طبیعت رخ نمی دهد، اما در شرایط بسیار خشک در دمای اتاق نسبتاً پایدار است. با استفاده از تکنیکی به نام تبادل یونی از مواد معدنی استخراج می شود. مانند بسیاری از لانتانیدهای دیگر، هولمیوم به شدت مغناطیسی است. همچنین توانایی نسبتاً منحصربفردی برای جذب مقادیر زیادی نوترون دارد که آن را به یک ماده بسیار کاربردی برای گنجاندن در ساخت راکتورهای هسته ای تبدیل می کند.

اربیوم – عنصر 68

اربیوم یک لانتانید سفید نقره‌ای است که در اصل در ایتربی سوئد یافت می‌شود و به همین دلیل نام آن را می‌دهند. ار³⁺ یون یک رنگ صورتی فلورسنت می دهد که به راحتی توسط آب در بافت بیولوژیکی جذب می شود. این امر باعث می شود که اربیوم برای استفاده در لیزرهای جراحی مناسب باشد. کاربردهای دیگر شامل متالورژی است زیرا پیوندهای قوی با فلزات در ردیف چهارم جدول تناوبی ایجاد می کند.

تولیوم – عنصر 69

تولیوم یک لانتانید خاکستری نقره ای است که توسط Per Teodor Cleve نیز کشف شد. این دومین لانتانید کمیاب بعد از پرومتیم است. در دماهای بسیار بالا، تولیوم به عنوان یک ابررسانا عمل می کند. همچنین به عنوان منبع تابش در دستگاه های کوچک اشعه ایکس استفاده می شود. تولیوم-170 در حال حاضر به عنوان منبع تشعشع برای درمان سرطان در حال تحقیق است.

ایتربیوم – عنصر 70

ایتربیوم یک فلز زرد نقره ای است که به عنوان ماقبل آخر لانتانید عمل می کند. مانند سایر لانتانیدهای متاخر، ایتربیوم زمانی که در یک محلول آبی قرار می گیرد، قادر به تشکیل کمپلکس هایی با 9 مولکول آب است. بسیاری از خواص، مانند نقطه ذوب و نقطه جوش، به طور قابل توجهی با سایر لانتانیدها به دلیل پیکربندی الکترونی پوسته بسته متفاوت است. ایتربیوم کاربردهای گسترده ای دارد، از پزشکی هسته ای گرفته تا متالورژی و ساخت ساعت های اتمی.

نتیجه گیری در مورد عناصر کمیاب زمین

لانتانیدها عناصر فلزی هستند که موقعیت های 57-70 جدول تناوبی را اشغال می کنند. هنگام مشاهده جدول تناوبی، آنها در زیر فلزات واسطه و بالای اکتینیدها قرار می گیرند.

که اغلب به عنوان عناصر خاکی کمیاب شناخته می شوند، همه آنها دارای برخی ویژگی های فیزیکی مشترک مانند رنگ و چکش خواری هستند. با این حال، برخی از خواص شیمیایی بین لانتانیدهای همسایه متفاوت است. طیف گسترده ای از خواص غیر معمول آنها چیزی است که لانتانیدها را به بخش مهمی از دنیای فناوری مدرن ما تبدیل می کند!