معرفي عناصر کمياب و منابع آنها در روي زمين (بخش اول)
معرفي عناصر کمياب و منابع آنها در روي زمين (بخش اول)
عناصر کمياب زمين، عنصرهاي 58 تا 71جدول تناوبي را تشکيل ميدهند و جزو عناصر واسطه داخلي مي باشند. وجه تسميه لانتانيدها از عنصر 57 جدول يعني لانتان(La)گرفته شده است. بايد توجه داشت که خواص شيميايي اين دسته از عناصر مشابه خواص لانتان مي باشد. در واقع اطلاق نام عناصر نادر يا کمياب، از آنجائيکه اين عناصر نه کميابند و نه به آن دسته از اکسيدهاي خاکي مانند(اکسيدهاي)آلومينيوم، زيرکونيوم و ايتريوم تعلق دارند، غلط مصطلح است. زماني که نخستين اعضاي اين گروه براي اولين بار کشف شد، بصورت اکسيد مجتمع گرديده بودند و از آنجايي که اين اکسيدها تا اندازهاي به اکسيدهاي کلسيم، منيزيم و آلومينيوم که بعدها به آنها عنوان اکسيدهاي خاکي اطلاق گرديد شباهت دارند، لذا اين عناصر به نام عناصر کمياب معروف گرديدند. در هر صورت بايد توجه داشت که سريوم در پوسته زمين بسيار فراوان تر از سرب بوده و نيز ايتريم از قلع بسيار فراوانتر است و حتي بايداذعان نمود که کمياب ترين خاکهاي کمياب، به استثناي پرومتيم، بسيار از عناصر گروه پلاتين فراوانترند.
مهمترين کاني هاي عناصر کمياب عبارتند ازمونازيت، زنوتيم، بستناسيت. معمولااين مواد بوسيله اعمال مکانيکي مانند شناورسازي و يا استفاده از روشهاي مغناطيسي تغليظ ميشوند. سپس لانتانيدها در حالتيکه بصورت کانيهاي فسفات يا سيليکات مي باشند، بوسيله اسيد مورد شستشو قرار مي گيرند. برخي از کانيها مانندکولومبوتانتالات ها با کربن حرارت داده شده و يا تحت تاثير کاستيک قوي قبل از سنگ شويي قرار داده ميشوند.
----------------------------------------------------------------
تربيوم(Terbium)
تربيوم، عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي داراي نشان Tb و عدد اتمي 65 مي باشد.
تاريخچه
Carl Gustaf Mosanderشيميدان در سال 1843 تربيوم را کشف نمود و آنرا بر اساس نام دهکده Ytterby واقع در سوئد نامگذاري نمود. او اين عنصر را به شکل ناخالصيهاي موجود در اکسيد ايتريم(Y2O3)شناسايي کرد. تربيوم تا قبل از پيدايش فن آوريهاي اخير جابجائي يوني، به شکل خالص جداسازي نشده بود.
پيدايش
تربيوم هرگز بصورت عنصر آزاد در طبيعت وجود ندارد، اما در کانيهاي زيادي از جمله سيريت، گادولينيت و مونازيتC , La ,(Th , Nd , Y(PO4 که داراي بيش از 03/0% تربيوم ، زنوتايم( YPO4)و اوکسنيت( Y,Ca,Er,La,Ce,U,Th(Nb,Ta,Ti2O6که داراي 1% يا بيشتر تربيوم مي باشند، وجود دارد.
خصوصيات قابل توجه
تربيوم عنصر کمياب و خاکستري رنگي است که قابل انعطاف و چکش خوار بوده و به قدري نرم است که با چاقو بريده مي شود، تا حد قابل قبولي در هوا پايدار است و داراي دو دگرگوني بلورين و درجه تغيير شکل 1289 درجه سانتي گراد مي باشد.
کاربردها
تربيوم به فلوريد کلسيم، تنگستيت کلسيم و موليبديت استرانسيم افزوده مي شود که در ابزار حالت جامد و به عنوان تثبيت کننده هاي بلورين پيلهاي سوختي در دماهاي بالا و به همراه ZrO2 عمل ميکنند. به علاوه تربيوم در آلياژها و ساخت وسايل برقي بکار ميرود و اکسيد آن، داراي توانايي جهت فعال نمودن فسفر سبز موجود در لامپ مهتابي و لامپ تصوير تلويزيونهاي رنگي مي باشد. بورات تربيوم سديم بهعنوان ماده ليزري که در 5460 آنگستروم، نور همنوسان ساطع مي کند، بکار مي رود.
ترکيبات
ترکيبات تربيوم عبارتند از:
فلوئوريدها TbF2- TbF3TbF4
کلريدها TbCl3
برميدها TbBr3
يديدها TbI3
اکسيدها TbO2 - Tb2O3
سولفيدها Tb2S3
سلنيدها Tb2Se3
نيتريدها TbN
ايزوتوپ ها
تربيوم بطور طبيعي داراي يک ايزوتوپ پايدار Tb-159 و 33 راديوايزوتوپ است که فراوانترين آنها تربيوم 158 با نيمه عمر 180 سال، تربيوم 157 با نيمه عمر 71 سال و تربيوم 160 با نيمه عمر3/73 روز مي باشد. مابقي ايزوتوپهاي راديواکتيو آن داراي نيمه عمرهايي کمتر از 6,907 روز هستند که اکثر آنها نيز نيمه عمري کمتر از24 ثانيه دارند. تربيوم همچنين 18 حالت متا دارد. حالت فروپاشي اوليه قبل از فراوانترين ايزوتوپ پايدار(تربيوم 159)جذب الکترون و حالت اوليه پس از آن فروپاشي منفي بتا است. محصول فروپاشي اوليه قبل از تربيوم 159 ايزوتوپهاي عنصر Gd گادولينيم و محصول اوليه پس از آن ايزوتوپ هاي عنصر Dy ديسپروزيم هستند
----------------------------------------------------------------
ديسپروزيوم( Dysprosium)
ديسپروزيم، عنصر شيميايي است که با نشان Dy و عدد اتمي 66 در جدول تناوبي قرار دارد.
تاريخچه
Paul Emile Lecoq de Boisbaudranشيميدان فرانسوي، در سال 1886 در پاريس براي اولين بار ديسپروزيم را شناسايي نمود، اما تا قبل ازابداع روشهاي تبادل يوني و کاهش فلزنگاري در دهه 60، اين عنصر به شکل نسبتا خالص بدست نيامده بود. نام ديسپوزيم از واژه يوناني dysprositos به معني مشکل بدست آمدن گرفته شده است.
پيدايش
ديسپوزيم هرگز بصورت عنصري آزاد ديده نشده است، اما اغلب به همراه اربيوم و هولميوم يا ساير عناصر خاکي کمياب در بسياري از کانيها از جمله xenotime, fergusonite gadolinite, euxenite polycrase, blomstrandine, monazite, bastnasite يافت مي شود.
خصوصيات قابل توجه
ديسپروزيم، عنصر کميابي است که داراي رنگ نقرهاي درخشان و در حرارت اطاق نسبتا پايدار است، اما به سرعت در اسيدهاي معدني رقيق يا غليظ حل شده، هيدروژن آزاد مي کند. اين عنصر به قدري نرم است که با چاقو بريده مي شود و اگر زياد گرم نشود، بدون جرقه تراشيده مي شود. ويژگيهاي ديسپروزيم حتي با مقادير بسيار کمي ناخالصي تحت تاثير قرار مي گيرد.
کاربردها
از ديسپروزيم به همراه واناديم و عناصر ديگر در ساخت مواد ليزر استفاده مي شود، قابليت جذب بالاي نوترون حرارتي و نيز نقطه ذوبش، موجب کاربرد آن در ميله هاي کنترل اتمي شده است. ازاکسيد ديسپروزيم( نام ديگر آن dysprosia است)، به همراه ترکيبات چسبناک نيکل که در بمباران طولاني مدت نوترون بي هيچ افزايش يا کاهشي به آساني نوترون جذب ميکنند، درميله هاي خنک کننده موجود در رآکتورهاي اتمي استفاده مي شود. علاوه بر آن از ديسپروزيم در توليد لوحهاي فشرده(CD)استفاده ميگردد.
ترکيبات
فلورايدها DyF3
کلريدهــا DyCl2
بروميدها DyBr2 - DyBr3
يديدها DyI3 – DyI2
اکسيدهـا Dy2O3
سولفيدها Dy2S3
نيتريدها DyN
ايزوتوپ ها
ديسپروزيوم بصورت طبيعي داراي 7 ايزوتوپ پايدار164-Dy،160-Dy ،158-Dy ،156-Dy
Dy –164 مي باشد که فراوان ترين آنها Dy-164 است( فراواني طبيعي 18/28%). براي اين عنصر 28 راديوايزوتوپ شناخته شده که پايدارترين آنها Dy-154 بانيمه عمر E+6 3/0 سال ,Dy-159 با نيمه عمر 4/144 روز وDy-166با نيمه عمر 6/81ساعت مي باشد. بقيه ايزوتوپهاي راديواکتيو اين عنصر ، نيمه عمري کمتر از 10 ساعت دارند که نيمه عمر اکثر آنها کمتر از 30 ثانيه است. همچنين ديسپوزيم داراي 5 حالت برانگيخته است که پايدارترينشان 165m-Dy با نيمه عمر257/1 دقيقه، 147m-Dy با نيمه عمر7/55 ثانيه و 145m-Dy با نيمه عمر 6/13 ثانيه مي باشد. حالت فروپاشي اصلي قبل از فراوانترين ايزوتوپ پايدار164-Dyجذب الکترون و روش اوليه بعد از آن فروپاشي کاهش بتا مي باشد. محصولات فروپاشي اوليه قبل از Dy-164 ايزوتوپ هاي عنصر Tb تربيوم و محصول اوليه بعد، ايزوتوپ هاي عنصر Ho هولميوم هستند
----------------------------------------------------------------
هولميوم( Holmium)
هولميوم، عنصر شيميايي است که با نشان Ho و عدد اتمي 67 در جدول تناوبي وجود دارد. هولميوم در گروه لانتانيدها قرار داشته، عنصري فلزي، تا حدودي نرم وچکش خوار و به رنگ سفيد خاکستري است. هولميوم در هواي خشک و در دماي اطاق، عنصري پايدار مي باشد. اين فلز خاکي کمياب درکانيهاي مونازيت و گادولينيت وجود دارد
تاريخچه
هولميوم( از واژه لاتين Holmia به معني استکهلم)در سال 1878 تـوسط Marc Delafontaine و Jacques Louis Soret کشف شد. آنها نوارهاي جذب طيف نمايي خاص اين عنصر را که در آن زمان ناشناخته بود، شناسايي کردند و آنرا عنصر X ناميدند. بعد از آنها Per Theodor Cleve در سال 1878 مستقلا و هنگاميکه مشغول کار بر روي اکسيد اربيوم بود، اين عنصر را کشف کرد.Cleve با بهره گيري از روشي که Carl Gustaf Mosander ابداع کرده بود، ابتدا تمامي ناخالصيهاي شناخته شده را از erbia خارج نمود. نتيجه اين کار، دو ماده معدني جديد يکي قهوهاي و ديگري سبز بود. او ماده قهوهاي را holmia برگرفته از نام زادگاه Cleve يعني استکهلم و ماده سبز رنگ را thulia نامگذاري کرد. بعدا مشخص شد Holmia اکسيد هولميوم و thulia اکسيد تاليوم هستند.
پيدايش
هولميوم مانند تمامي عناصر کمياب بصورت آزاد در طبيعت وجود ندارد، بلکه بصورت ترکيب با عناصر ديگر در کانيهاي گادولينيت و مونازيت و ساير کانيهاي خاکي کمياب يافت مي شود. هولميوم را بصورت تجاري با روش جابجائي يوني از شن مونازيت جدا ميکنند 05/0% هولميوم. اما هنوز هم جداسازي آن از ساير کانيهاي خاکي کمياب دشوار است. اين عنصر با روش کاهش کلريد و فلوريد آن بوسيله کلسيم فلزي تهيه شده است. مقدار موجود آن در پوسته زمين3/1 ميليگرم در هر کيلو برآورد شده است.
خصوصيات قابل توجه
هليم، عنصر فلزي خاکي سه ظرفيتي است که در بين تمامي عناصر طبيعي، داراي بيشترين گشتاورمغناطيسي(B6/10)بوده، خصوصيات مغناطيسي غيرعادي ديگري نيز دارد. در صورت ترکيب با ايتريوم، ترکيباتي به شدت مغناطيسي توليد مي کند. هولميوم، عنصري نسبتا نرم و چکش خواراست که در هواي خشک و در فشار و دماي معمولي، تاحدودي پايدار و در برابر فرسايش مقاوم است، اما در هواي مرطوب و در دماي زياد به سرعت اکسيد مي شود اکسيدي به رنگ زرد کمرنگ توليد مي کند. هليم در حالت خالص خود، داراي درخشش نقرهاي رنگ فلزي مي باشد.
کاربردها
» بخاطر خصوصيات مغناطيسي که هولميوم دارد، اگر آنرا بعنوان يک قطب مغناطيسي درآهنرباهاي بسيار قوي قرار دهيم، قويترين ميدانهاي مغناطيسي مصنوعي ساخته مي شود متمرکز کننده شار مغناطيسي هم ناميده مي شود.
» چون اين عنصر مي تواند نوترونهاي fission-bred اتمي را جذب کند، از آن در ميله هاي کنترل اتمي نيز استفاده مي شود.
» از گشتاور مغناطيسي بالاي آن در ليزرهاي حــالت جامد ايتريم - آهن - گارنت(YIG)و ايتريم – لانتانيم – فلوريـد(YLF)که در تجهيزات مايکروويو بکار ميرود، استفاده مي شود( که بترتيب در محيطهاي مختلف پزشکي و دندان پزشکي کاربرد دارد).
» از اکسيد هولميوم براي زرد کردن رنگ شيشه استفاده مي شود.
----------------------------------------------------------------
اربيوم( Erbium)
اربيوم، در جدول تناوبي با نشان Er مشخص مي شود، داراي عدد اتمي 68 مي باشد. اربيوم، فلز کمياب خاکي لانتانيد و نقرهاي رنگي است که به همراه چندين عنصر کمياب ديگر در گادولينيت معدني در Ytterby واقع در سوئد وجود دارد
تاريخچه
اربيوم( Ytterbyيک شهردرسوئد)در سال 1843، توسط Carl Gustaf Mosander کشف گرديد. او ايتريا را از گادولينيت معدني و به سه صورت، به نامهاي ايتريا، اربيا و تربيا جدا نمود. او نام اين عنصر را از نام شهر Ytterby که مقادير زيادي ايتريا و اربيوم در آن وجود دارد، اقتباس کرد. اما در آن زمان، اربيا و تربيا را با هم اشتنباه کردند. بعد از 1860 آنچه که تربيامي شناختند، اربيا نامگذاري کرده و بعد از 1877 آنچه که اربيا ميدانستند تربيا ناميدند. سرانجامGeorge Urban و Charles James در سال 1905 مستقلا Er2O3 نسبتا خالص را جدا نمودند. تا قبل از سال 1934 زمانيکه، کلريد بدون آب را با بخار پتاسيم کاهش دادند، فلز خالص اربيوم بصورت قابل قبول تهيه نشده بود.
پيدايش
اين عنصر، همانند ساير عناصر خاکي کمياب هرگز در طبيعت بصورت عنصر آزاد وجود ندارد، اما همراه سنگ معدنهاي شن مونازيت يافت ميشوند. از نظر تاريخي، قبلا جداسازي عناصر خاکي کمياب از يکديگر بسيار مشکل و گران بود، اما روش توليد تبادل يوني که اواخر قرن بيستم ابداع گشت، به ميزان زيادي هزينه توليد کليه فلزات عناصر کمياب و ترکيبات شيميايي آنها را کاهش داد. منابع تجاري اصلي اربيوم از معادن xenotime و euxenite مي باشند. اربيوم، فلزي به شکل گرد است و خطر آتشزايي و انفجار دارد.
خصوصيات توجه قابل
فلزاربيوم خالص، عنصري سه ظرفيتي ،چکش خوار، نرم و در هوا تا حدي مقاوم است، بطوريکه به سرعت ساير فلزات کمياب اکسيده نمي شود. نمک آن به رنگ سرخ بوده، طيفهاي جذب مشخص و خاصي را در نور مرئي، فرابنفش و نزديک مادون قرمز بوجود مي آورد.
بجز اين موارد، اربيوم بيشترهمانند ساير فلزات خاکي کمياب است. سسکوئي، اکسيد آنerbiaناميده مي شود.خصوصيات اربيوم تا حدي توسط نوع و مقادير ناخالصي موجود تعيين ميگردد.اين عنصر فاقد هرگونه نقش بيولوژيکي شناخته شده اي است، اما برخي بر اين باورند که اربيوم موجب فعال شدن متابوليسم مي شود.
کاربردها
» اين عنصر، بيشتر بصورت فيلتر عکاسي بکار ميرود
» به علت انعطاف پذيري آن، بعنوان ماده اي افزودني در متالوژي مفيد است.
» بعنوان جذب کننده نوترون در فناوري هسته اي بکار ميرود.
» در تقويت کننده هاي فيبري، بعنوان يک نا خالص کننده مورد استفاده است.
» در صورت اضافه شدن به واناديم بصورت آلياژ، موجب کاهش سختي و بهبود کارکرد آن ميگردد.
» اکسيد اربيوم صورتي رنگ است، بنابراين گاهي اوقات بعنوان رنگ دهنده شيشه و پوشش لعاب چيني کاربرد دارد که اغلب از اين شيشه ها در ساخت عينکهاي آفتابي و جواهرات ارزان استفاده ميکنند.
ايزوتوپ ها
اربيوم بصورت طبيعي متشکل از 6 ايزوتوپ پايدارEr-170، Er-168، Er-166، Er-164
Er-162، Er167 مي باشد که فراوانترين آنها Er-166 فراواني طبيعي6/36% است.
----------------------------------------------------------------
توليوم( Thulium)
توليوم، عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي داراي نشان Tm و عدد اتمي 69 مي باشد. توليوم، عنصري لانتانيدو داراي حداقل فراواني در بين عناصر خاکي کمياب است؛ با فلز آن که داراي درخشش نقرهاي رنگي است، مي توان به راحتي کار کرد و با چاقو بريده مي شود. همچنين دربرابر فرسايش در هواي خشک تا حدي مقاوم بوده، از خاصيت انعطاف پذيري خوبي برخوردار است. توليوم بصورت طبيعي کلا از ايزوتوپ پايدار Tm-169 ساخته مي شود
تاريخچه
توليوم را Per Teodor Cleve شيميدان سوئدي درسال 1879 هنگام جستجو براي ناخالصيهاي موجود در اکسيدهاي ساير عناصر کمياب کشف نمود.( اين همان روشي بود که پيشتر Carl Gustaf Mosanderبراي کشف ساير عناصر کمياب بکار برده بود). Cleve کار را با از بين بردن تمامي ناخالصيهاي شناخته شده اِربيا( Er2O3)آغاز کرد و با فرآيندهاي ديگري دو ماده جديد بدست آورد
يکي قهوهاي و ديگري سبز.
ماده قهوه اي اکسيد هولميوم بود که Cleve آنرا holmia ناميد و ماده سبز، اکسيد عنصري ناشناس بود. Cleve اين اکسيد را thulia نامگذاري کرد و نام عنصر آن توليوم، از کلمه
پيدايش
اين عنصر هرگز در طبيعت به شکل خالص وجود ندارد، اما در مواد معدني و همراه ساير عناصر کمياب به مقدار کم يافت مي شود. عمدتا بوسيله جابجايي يوني از کانيهاي مونازيت( 0,007% توليوم)که در شن رودخانه ها وجود دارد.
فن آوريهاي استخراج و جابجايي يوني جديدتر، موجب جداسازي آسانتر عناصر خاکي کمياب شده که هزينه توليد توليوم را کاهش داده است. اين فلز را ميتوان باروش کاهش اکسيد آن بوسيله فلز لانتانيم يا بوسيله کاهش کلسيم در ظروف در بسته تهيه کرد. هيچکدام از ترکيبات توليوم از نظر تجاري مهم نيستند.
کاربردها
از توليوم براي توليد ليزر استفاده ميشده است، اما هزينه هاي بسيار زياد توليد، مانع از گسترش ساير کاربردهاي تجاري آن شده است. کاربردهاي بالقوه آن، عبارتند از:
» وقتي توليوم پايدار( Tm-169)در رآکتور اتمي بمباران مي شود، از آن به بعد مي تواند بعنوان يک منبع تابشي در وسايل قابل حمل اشعه ايکس بکار رود.
» احتمالا ايزوتوپ ناپايدار Tm-171 ميتواند بعنوان يک منبع انرژي مورد استفاده قرار گيرد.
» Tm-169 داراي کاربرد بالقوه در مواد مغناطيسي سراميکي به نام فريت است که در وسايل مايکرو ويو بکــار ميروند.
ايزوتوپ ها
توليوم بطور طبيعي داراي يک ايزوتوپ پايدار Tm-169( فراواني طبيعي 100%)و 31 راديوايزوتوپ است که پايدارترين آنها توليوم 171 با نيمه عمر192 سال، توليوم 170 با نيمه عمر6/128 روز، توليوم 168 با نيمه عمر 1/93 روز و توليوم 167 با نيمه عمر 25/9 روز مي باشند. مابقي ايزوتوپ هاي راديواکيو نيمه عمري کمتر از 64 ساعت دارند و نيمه عمر اکثر آنها نيز کمتر از 2 دقيقه است. حالت فروپاشي اوليه قبل از فراوانترين ايزوتوپ پايدار Tm-169 جذب الکترون و حالت اوليه پس از آن، ارسال بتا مي باشد. محصول فروپاشي اوليه قبل از Tm-169ايزوتوپهاي عنصر 68( اربيوم)و محصول ااوليه پس از آن ايزوتوپ هاي عنصر 70( ايتربيوم)هستند.
----------------------------------------------------------------
ايتربيوم( Ytterbium)
ايتربيوم يکي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است که نماد آن Yb و عدد اتمي آن 70 مي باشد. فلزي سبک و براق است که از عناصر کمياب زمين بوده و در گروه لانتانيدها قرار دارد و در معادن Monazite Gadolinite و xenotime يافت مي شود. گاهي اوقات از اين عنصر با ايترويم و ديگر عناصر هم خانواده اش در فلزات خاصي استفاده مي شود. ايتربيوم مخلوطي از هفت ايزوتوپ پايدار است
تاريخچه
ايتربيوم از کلمه Ytterby گرفته شده که شهري در سوئد بوده است و توسط شيميدان سوئدي به نام Jean de Margnac در سال 1878 کشف شد.Marignac ترکيب جديدي در زمين پيدا کرد و آنرا به عنوان Erbia شناخت و نامش را Ytterbia گذاشت. او تصور ميکرد که Ytterbia جزئي از عنصر جديدي است کهYtterbiumنام دارد که در واقع اولين عنصر کميابي بود که کشف شده بود. در سال1907 شيميدان فرانسوي به نام Georges Urbain Ytterbia که Marignac را کشف کرده بود، آن را به دو قسمتNeoytterbiaوluteciaتقسيم کرد. Neoytterbia بعدا به عنوان عنصر Yetterbium و lutecia به عنوان عنصر Lutetium شناخته شدند. در همان زمانAuer von Welsbach اين عناصر را از Ytterbia جدا کرده و آنها را Aldebaranium و Cassiopeium ناميد. خصوصيات شميايي و فيزيکي Ytterbium تا سال 1953 که ايتربيوم خالص توليد شد، مشخص نشده بود.
پيدايش
ايتربيوم به همراه عناصر کمياب ديگر در زمين و در معادن کمياب يافت مي شود. اين عنصر به صورت اقتصادي از خاک monazite که حاوي ايتربيوم است، استخراج مي شود. اين عنصر همچنين در Euxenite و Xenotime پيدا مي شود. جدا کردن ايتربيوم از ديگر عناصر کمياب بسيار دشوار است، اما روشهاي تبادل يوني و استخراج حلالها که در قرن 20سازماندهي شده، اين جدا سازي را آسان کرده است. ترکيبات ايتربيوم بسيار کميابند.
خصوصيات قابل توجه
ايتريبيوم عنصري سبک و چکش خوار و شکل پذير هادي است که بسيار پُرجلوه و براق است. اين عنصر کمياب بسيار ضربه پذير بوده و به راحتي در اسيدهاي معدني حل مي شود و به آرامي با آب واکنش داده و در هوا اکسيدمي شود. ايتربيوم داراي سه گونه آلفا ، بتا و گاما بوده و در دماي 13- و 759+ درجه تغيير شکل مي دهد. حالت بتا در دماي اطاق بوجود ميآيد که ساختار کريستالي Face-Centered دارد و اين در حالي است که گاما که در دماي بالا شکل مي گيرد، داراي ساختار کريستالي Body-Centeredمي باشد.بطور معمول حالت بتا شبيه به فلزي است که رساناي جريان الکتريسيته است که وقتي در فشار 1600 اتمسفر قرار مي گيرد، نيمه رسانا مي شود. در فشار 39000 اتمسفر ، مقاومت الکتريکي آن ده برابر مي شود، اما در فشار 40000 اتمسفر ناگهان به 10% مقاومت الکتريکي آن در دماي اتاق افت مي کند.
کاربردها
در زماني که الکتريسيته در دسترس نبود، يکي از ايزوتوپ هاي ايتربيوم به عنوان جانشين منبع راديو اکتيو براي ماشينهاي دستي که با اشعه x کار مي کند، استفاده ميشد. اين فلز ميتواند براي اصلاح پالودگي مقاوم کردن و خصوصيات مکانيکي ديگر مثل ضد زنگ بکاربرده شود. برخي از آلياژهاي ايتربيوم در دندانپزشکي استفاده ميشوند. اين عنصر استفاده هاي ديگري نيز دارد.
ايزوتوپ ها
ايتربيوم طبيعي از هفت ايزوتوپ پايدار تشکيل شده است که عبارتند از
Yb-168,Yb-170, Yb-171, Yb-172, Yb-173, Yb-174وYb-176 که Yb-174 فراوان ترين ايزوتوپ 8/31% مي باشد. براي اين عنصر 22 ايزوتوپ راديو اکتيو شناساي شده است که پايدارترين آنها Yb-169 با نيمه عمر 32.026 روز و Yb-175 با نيمه عمر 4.185 روز و Yb-166 با نيمه عمر 56.7 ساعت مي باشند. بقيه ايزوتوپ هاي راديو اکتيوي آن نيمه عمري کمتر از 2 ساعت داشته که نيمه عمر بيشتر آنها کمتر از 20 دقيقه است. اين عنصر همچنين 6 حالت متا دارد که پايدارترين آن Yb-169m t46 Seconds.
ايزوتوپ هاي ايتربيوم به صورت وزن اتمي از(Yb177)150.955 تا(Yb-780)179.952 مرتب شده اند.حالت decay اوليه بعد از فراوانترين ايزوتوپ Yb-174 الکترون گيري و حالت اوليه بعد از آن حذف بتا مي باشد. محصولات decay اوليه قبل از Yb-174 ايزوتوپ هاي عنصر 69 يعني تاليوم محصول اوليه بعد از آن ايزوتوپ هاي عنصر 71 لوتتيوم مي باشد.
----------------------------------------------------------------
لوتتيوم(Lutetium)
لوتتيوم، عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي داراي نشان Lu و عدد اتمي 71 مي باشد. لوتتيوم که عنصر فلزي گروه عناصر خاکي کمياب است، در طبيعت معمولا به همرا ه ايتريم يافت مي شود و گاهي اوقات در آلياژهاي فلزي بکار رفته و در فرآيندهاي مختلف، نقش کاتاليزور دارد
تاريخچه
لوتتيوم( از واژه لاتين Lutetia به معني پاريس)در سال 1907 توسط Georges Urbain شيميدان فرانسوي و Baron Carol Auer von Welsbach کانيشناس اتريشي مستقلا کشف شد. هر دوي آنها اين عنصر را در ناخالصي موجود در ايتريم معدني کشف نمودند که به عقيدهJean Charles Galissard deMarignacشيميدان سوئيسي( و بيشتر شيميدانان ديگر)تماما متشکل از ايتربيوم بود.
جداسازي لوتتيوم ايتربيوم Marignac براي اولين بار توسط Urbain توصيف شد و و افتخار نامگذاري اين عنصر نصيب او گشت. او نامهاي neoytterbium ايتربيوم جديد و lutecium را براي اين عنصر جديد انتخاب کرد، اما بالاخره نام neoytterbium بصورت ytterbium برگشت نمود و در سال 1949، نگارش عنصر 107 به شکل lutetium لوتتيوم تغيير نمود. Welsbach نامهاي cassiopium را براي عنصر 71 برگرفته از نام نجومي Cassiopeia و albebaranium را براي نام جديد ايتربيوم پيشنهاد کرد، اما اين اسامي مورد تاييد قرار نگرفت؛( گرچه بسياري از دانشمندان آلماني هنوز عنصر 71 را cassiopium مينامند.)
پيدايش
لوتتيوم که اغلب نه به تنهايي بلکه با فلزات خاکي ديگر يافت مي شود، بسيار سخت از ساير عناصر جدا مي شود و کمترين فراواني را در ميان تمامي عناصر طبيعي دارد. کاني تجاري اصلي لوتتيوم، سنگ معدن مانزونيت Ce,La,PO و ... است که حاوي 0,003% اين عنصر مي باشد. فلز لوتتيوم خالص فقط تاحدي در سالهاي اخير جداسازي شده و تهيه آن بسيار دشوار است بنابراين يکي از نادرترين و گرانترين فلزات خاکي کمياب است لوتتيوم را با روش جابجايي يوني از عناصر خاکي کمياب ديگر بدست ميآورند( کاهش LuCl3 يــــا LuF3 بوسيله يک فلز قليايي و يا يک فلز قليايي خاکي انجام مي شود).
خصوصيات قابل توجه و کاربردها
لوتتيوم، فلزي سيم گون، سه ظرفيتي و مقاوم در برابر فرسودگي است که نسبتا در هوا پايدار و سنگين ترين و سخت ترين عنصر خاکي کمياب به شمار ميرود. چون تهيه اين فلز بصورت مقادير مفيد بسيار گران مي باشد، بنابراين کاربردهاي تجاري بسيار کمي دارد اما لوتتيوم پايدار را ميتوان در پالايشگاهها و بعنوان کاتاليزور در کراکينگ بنزين مورد استفاده قرار داد. موارد استفاده ديگر آن، در آلکيلاسيون، هيدروژناسيون و پليمريزاسيون مي باشد. حالت فروپاشي اوليه قبل از فراوانترين ايزوتوپ پايدار،(لوتتيوم 175)جذب الکترون( با مقداري ارسال الکترون مثبـت و آلفا)است و اولين حالت بعد از آن ارسال بتا مي باشد. محصولات فروپاشي اوليه قبل از لوتتيوم 175 ايزوتوپ هاي عنصر 70( ايتربيوم)و محصولات اوليه بعد از آن ايزوتوپ هاي عنصر 72 هافنيوم هستند.
ترکيبات
فلوريدها
LuF3
کلريدها LuCl3
برميدها LuBr3
يديدها Lu2I3
اکسيدها Lu2O3
سولفيدها Lu2S3
نيتريدها LuN
----------------------------------------------------------------
ايتريوم(Yttrium)
ايتريوم يکي از عناصر شيمايي جدول تناوبي است که نماد آن Y و عدد اتمي آن 39 مي باشد. اين عنصر، فلز انتقالي براق و سفيد است. ايتريبيوم درکانيهاي عناصر کمياب خاکي يافت مي شود که دو نوع از ترکيبات آن در ساخت رنگ قرمز براي تلويزيونهاي رنگي مصرف مي شود
خصوصيات قابل توجه
ايتريوم، فلزي براق، پُرجلوه و فروزنده و کمياب است که نسبتا در هوا مقاوم بوده واز نظر شيميايي شبيه به لانتانيدها مي باشد. خردههاي اين فلز در دماي بالاتر از 400 درجه در هوا مشتعل مي شود . اگر ايترويم به ذرات بسيار ريز تقسيم شود، مقاومت خود را در مقابل هوا از دست مي دهد. حالت متداول اکسيداسيون اين عنصر +3 مي باشد.
کاربردها
» اکسيد ايتريوم از مهمترين ترکيبات ايتريوم است که بيشتر در ساخت اروپي Y7O4 و Y2O3 استفاده مي شود که رنگ قرمز لامپ تصوير تلويزيون هاي رنگي را توليد مي کند.
» اکسيد ايترويم همچنين در ساخت گارنت آهن-ايتريوم استفاده مي شود که صافيهاي مايکروويو بسيار موثري هستند.
» آهن ايترويم، آلومينيوم و گادولينيوم، خاصيت مغناطيسي جالبي دارند. Yttrium-iron-garnet به عنوان فرستنده و پخش کننده انرژي شنوايي بسيار موثر است. Yttrium Aluminum Garnet داراي سختي 8.5 است و همچنين به خاطر شباهت به الماس به عنوان سنگ جواهر استفاده مي شود.
» مقدار کمي از اين عنصر(0.2% تا 0.1)براي کم کردن اندازه دانه هاي کروبيوم ، موليبدنوم و زيرکنونيوم استفاده مي شود و همچنين در افزايش مقاومت آلومينيوم و منيزيم کاربرد دارد.
» به عنوان کاتاليزوربراي پليمرکردن گارنت آلومينيوم -ايتريوم، فلوريد ليتيوم ايتريوم و ايتريوم و اناديت در ترکيب دو پنتها مانند نئوديميوم يا اربيم در ليزرهاي مادون قرمز استفاده ميشوند.
» اين عنصر براي احيا کردن واناديوم و ديگر غير فلزان استفاده مي شود.
» ايتريوم به عنوان سازنده چدن گره دار شناخته شده که خاصيت رسانايي آن را افزايش مي دهد.
(گرافيت در ساخت چدن گره دار گره ها را به هم متراکم مي کند تا از پوسته پوسته شدن آن جلوگيري کند.)از آن جا که اکسيد ايتريوم، نقطه ذوب بالاتر پايداري بيشتر و از استنباط کمتري نسبت به شيشه برخوردار است ميتواند در فرمول ساخت شيشه و يا سراميک استفاده شود.
تاريخچه
Ytterby که توسط Johann Gadolin در سال 1794کشف شد و توسط Friedrich ohler در سال 1828 بهعنوان عصاره ناخالص Yttria از عمل احياء کلريد YCl3 با پتاسيم بدست آمد. Yttria يعني(Y2O3)اکسيد ايتريوم است و توسط Johan Gadolin در سال 1794 در معدن Gadolinite درYetterby کشف شد. در سال1843Carl Mosander ثابت کرد که Yttria ميتواند به اکسيد سه عنصر متفاوت تقسيم شودYttria نامي بود که براي مهمترين عنصر استفاده ميشد و نام بقيه عناصر Erbia و Terbia بود. معدن سنگي که در نزديکي دهکده Ytterby واقع شده معادن غير معمولي زيادي در بردارد که سنگهاي کمياب زمين و ديگر عناصر در آن يافت مي شود. عناصر Erbium وTerbium ,Ytterbium وYttriumهمه از روي نام اين معدن نامگذاري شده اند.
پيدايش
اين عنصر در بيشتر معادن کمياب زمين و سنگ معدن اورانيوم يافت مي شود، اما هرگز به صورت طبيعي به عنوان عنصر آزاد وجود ندارد. ايتريوم بهصورت اقتصادي از خاک Monazite به مقدار 3% Ce, Po, la و همچنين از Bastnasite به مقدار 0.2% Ce, La بازيافت مي شود. اين عنصر توسط عمل تقليل فلوروئيد ايتريوم توسط فلز کلسيم بدست ميآيد، اما با روشهاي ديگر نيز توليد مي شود. جدا کردن اين فلز از ديگر عناصرکمياب بسيار سخت است، زيرا هنگام استخراج به صورت پودر طوسي تيره رنگ مي باشد. نمونه هاي صخره هاي قمري از Apollo program حاوي مقادير زيادي از اين عنصر مي باشند.
ايزوتوپ ها
ايزوتوپ طبيعي تنها از يک ايزوتوپ Y39 تشکيل شده است. پايدارترين راديو ايزوتوپ اکتيو Y-88 با نيمه عمر 106.65 روز و Y-91 با نيمه عمر 58.51 روز مي باشند. تمام ايزوتوپ هاي ديگر آن نيمه عمري کمتر از يک روز دارند، بجز Y-87 که نيمه عمر آن 79.8 ساعت است. حالت زوال ايزوتوپي در ايزوتوپ هاي زيرY-89الکترون گيري و حالت بعد از آن حذف بتا مي باشد. براي اين عنصر 26 ايزوتوپ ناپايدار شناخته شده است Y-90 در موازنه با ايزوتوپ هم خانواده استرونيوم 90 که محصول انفجار اتمي مي باشد، وجود دارد.
----------------------------------------------------------------
----------------------------------------------------------------
منابع عناصر کمياب در روي زمين :
کربناتيت ها بيشتر با سنگهاي آذرين آلکالن در ريفت هاي داخل قاره اي وبه ندرت جزاير اقيانوسي ونقاط داغ داخل قاره گزارش شده اند . کربناتيت ها از دوره پر کامبرين تا عهد حاضر گزارش شده اند.مواد معدني مهمي از کربناتيت ها بدست مي آيند عبارت اند از نيوبيوم، آهن، آپاتيت، عناصر کمياب، ورميکوليت، استرانسيوم، باريم، زيرکون، اورانيوم، فلوريت وتيتان
کربناتيت هاي حاوي عناصر کمياب از نوع آهن دار هستند.اين کربناتيت ها به ندرت يافت مي شوند. کربناتيت هاي آپاتيت-مگنتيت اکثرا داراي مقدار کمي عناصر کمياب هستند. دو کمپلکس کربناتيت کولا(Kola)در روسيه و مانت پاس(Mountain pass)در کاليفرنيا(آمريکا)ذخاير قابل توجهي از عناصر کمياب دارند.
کانيهاي مهمي که در اين ذخاير يافت مي شوند عبارتند:
پيرو کلر(Ca.Na)2(Nb.Ta)2O6(O.OH.F)، باداليتZrO2، باستانسيت(F.OH)(Ce.La)2CO3, و مونازيتCePO4وپاريزيت(Ca.La)2(CO3)3F2
حدود 130کاني مختلف تاکنون در کربناتيت ها تشخيص داده شده است.
عناصرکمياب مي تواند از سنگهاي آذرين آلکالن حاصل شود(سمينوف وهمکاران 1972).عناصر کمياب اکثرا در سنگهاي آلکالن غني از سديم-پتاسيم اسيدي يافت مي شود. نفلين سيانيت ها حاوي عناصر کمياب مي باشند.
پگماتيت هايي که در عمق5/ 3تا 7 کيلومتري(عمق متوسط)از سطح زمين تشکيل شده اند به پگماتيت هاي حاوي عناصر کمياب معروفند.بيشتر کاني هاي حاوي عناصر کمياب به صورت پلاسر يافت مي شوند.
کاني هاي زير حاوي عناصر کمياب مي باشند :
مونازيت(Ce,La,Nd,Th)PO4
زينوتيم YPO4
آلانيت(Ce,Ca,Y)2(Al+3,Fe+3)3O(SiO4)(Si2O7)(OH)
سريوپيرو کلر(Ce,Ca,Y)2(Nb,Ta)2O6(OH,F)
ايتروپيرو کلر(Y,Na,Ca,Y)1-2(Nb,Ta,Ti)2(O.OH)7
لوپاريت(Ca,Na,Ce)(Ti,Nb)O8
گادولينيت(Gadolinite)2BeO.FeO.Y2O3.2SiO2
بستنا سيت(Bastanasite)CeFCO3
سامارسکيت(Samarskite)(Ca,Fe,UO2)3O.Y2O3.3(Nb,Ta)2O5
فرگوزنيت(fergusonite)Y2O3.3(Nb.Ta)2O5
اگزنيت(Euxenite)Y2(NbO3)3.Y2(TiO3)3.1 1/2H2O
ايتروفلوئوريت(Yttrofluorite)2YF33CaF3
----------------------------------------------------------------
زينوتيم( YPO4)
زينوتيم يکي از کاني هاي کمياب ايتريوم مي باشد . Wakefielditeو chernovite-(Y)ديگر کاني هاي ايتريوم هستند هرچند به ترتيب وانادات وارسنات مي باشند. اغلب اوقات اورانيوم وبرخي از عناصر کمياب مانند ايربيوم، تريوم، ايتريوم، زيرکونيوم در اين کاني يافت مي شود. زينوتيم به مقدار کم راديواکتيويته مي باشد
----------------------------------------------------------------
گادولينيت(Gadolinite)
فرمول شيميايي 2BeO.FeO.Y2O3.2SiO2
نام ديگر آن Yttrium Iron Beryllium Silicateاست. اين کاني تاحدي کاني کمياب است . شکل آن منشوري، مقطع عرضي بلورها به شکل الماس، ومعمولابه رنگ سبز وبادرخشندگي زيبا مي باشد. اين کاني حاوي دو عنصر ايتريوم(yttrium)وبريليوم(beryllium)مي باشد.اتريوم(yttrium)يک فلز کمياب زمين است ودر صنعت مورد استفاده قرار مي گيرد
----------------------------------------------------------------
سامارسکيت(Samarskite)
نام دقيق آن smarskite-yاست اين کاني در گرانيت پگماتيت ها در سنگهاي آذرين دروني که آرام سردشده اند يافت مي شود.سامارسکيت همراه کوارتز، فلدسپات، کلومبيت، تانتاليت، وبرخي ازعناصر کمياب مي باشد. رنگ آن مشکي مخملي تا قهوه اي تيره است.وکريستال هاي آن مات و راديواکتيويته مي باشدواغلب با ليمونيت(Limonit)پوشيده شده است.درکوهاي ارال در روسيه، نروژ،سوئد، برزيل، امريکا يافت مي شود
----------------------------------------------------------------
ايتروفلوئوريت(Yttrofluorite)
اين کاني حاوي فلروريد ومقدار قابل محسوس ايتريوم(Ytrium )مي باشدويون هاي(Ca)در ساختار هاي فلوريد جايگزين شده اند . اين کاني در روسيه، امريکا، نروژ، ژاپن، مغولستان يافت مي شود.
معرفي عناصر کمياب و منابع آنها در روي زمين (بخش دوم)
----------------------------------------------------------------
منابع :
1)پايگاه هاي اينترنتي :
http://www.webelements.com
http://en.wikpedia.org
http://daneshnameh.roshd.ir
http://www.chimicalelements.com
http://beyondchem.com
http://www.galleries.com
http://mindat.org
2)کريم پور، محمد حسين وسعيد سعادت(1381)،زمين شناسي اقتصادي کاربردي:انتشارات دانشگاه فردوسي مشهد
3)شهاب پور،جمشيد(1384)،زمين شناسي اقتصادي،انتشارات دانشگاه شهيد باهنر
4) پایگاه علوم زمین Ngdir.com