الأتربة النادرة

الأتربة النادرة

الأتربة النادرة rare earthe أكاسيد متشابهة جداً لسلسلة من العناصر المعدنية تضم أربعة عشر عنصراً تلي عنصر اللانتانيوم، وتنتهي باللوتسيوم بدءاً من العدد الذري 58 وحتى 71.

وهي عناصر دعيت قديماً «المعادن الترابية النادرة» مع أنها ليست كلها نادرة، إذ إن بعضها أكثر انتشاراً في الطبيعة من الرصاص، وقد احتفظت بتسميتها هذه مع أنها تصنف اليوم باسم العناصر اللانتانيدية نسبة إلى أول عناصرها وهو اللانتانيوم La كما يشار إليها أحياناً باسم العناصر الانتقالية الداخلية. وقد وسمت قبل بداية القرن التاسع عشر بالندرة وارتفاع الثمن، إذ لم تكن تسترعي اهتمام إلا قلة من العلماء لم يكن عددهم يتجاوز في العالم آنذاك مئتي عالم، ثم تضافرت الجهود تدريجياً، وازداد توجه الأنظار إلى هذه الأتربة لسبر أغوار عناصرها على الصعيد التجريبي بغية فصل بعضها عن بعض من جهة، وتبين خواصها الفيزيائية والكيمياوية من جهة أخرى.

تتضمن السلسلة اللانتانيدية أربعة عشر عنصراًَ يُرمز إليها عموماً بـ (Ln) ولم تعرف بنيتها الإلكترونية معرفةً جيدة، وقد اعُتمدت بنية اللانتانيوم الإلكترونية 5d¹6s² أساساً لها، وافترض البدء بالملء الإلكتروني بالسيريوم وانتهاء باللوتسيوم Lu الذي يحوي أربعة عشر إلكتروناً في المدار 4f (انظر الجدول). ومع أن الاختلاف بين هذه العناصر يكمن في ملء سوية الطاقة الداخلية 4f، إلا أنها تتميز بخواص كيمياوية متقاربة.

وتغلب على هذه العناصر في مركباتها حالة الأكسدة «+3»، وتظهر في بعضها الحالتان «+2» و «+4». وتعد الحالة «+3» الحالة الوحيدة الأكثر ثباتاً في اللانتانيوم والغادولينيوم

اسم العنصر	الرمز والعدد الذري	ملء F	أرقام الأكسدة
اللانتانيوم Lanthanium	₅₇La	4f ⁰	3
السيريوم Cerium	₅₈ Ce	4f ¹	4.3
البرازيوديميوم Praeseodymium	₅₉Pr	4f ²	4.3
النيوديميوم Neodymium	₆₀Nd	4f ³	4.3.2
البرومثيوم Promethium	₆₁Pm	4f ⁴	3.2
الساماريوم Samarium	₆₂Sm	4f ⁵	3.2
الأوروبيوم Europium	₆₃Eu	4f ⁶	3
الغادولينيوم Gadolinium	₆₄Gd	4f ⁷	3
التربيوم Terbium	₆₅Tb	4f ⁸	4.3
الدسبروزيوم Dysproisum	₆₆Dy	4f ⁹	4.3
الهولميوم Holmium	₆₇Ho	4f ¹⁰	3
الإربيوم Erbium	₆₈Er	4f ¹¹	3
التوليوم Thulium	₆₉Tm	4f ¹²	3.2
الإتربيوم Ytterbium	₇₀Yb	4f ¹³	3.2
اللوتسيوم Lutetium	₇₁Lu	4f ¹⁴	3
عناصر الأتربة النادرة. (يدل رقم الأكسدة الموجب على عدد الإلكترونات التي يخسرها العنصر)

واللوتسيوم لأنها تتوافق مع شغور المدار (المحط) 4f فيها وامتلائها إلى النصف ثم امتلائها الكامل. وتميل العناصر اللانتانيدية إلى التوضع في الفلزات التي تتبلور أخيراً على السطح بدءاً من المُهْل (الصهارة) magma، نتيجة لكبر شواردها (أيوناتها) ولذا تصادف في ضرب من حجر الصوان هو البغماتيت pegmatite.

تفاعلات العناصر اللانتانيدية (Ln = ذرة لانتانيدية)

وتستخرج العناصر اللانتانيدية الخفيفة خصوصاً من «المونازيت» المكون غالباً من فوسفات التوريوم ,والسيريوم وغيرهما، أما العناصر اللانتانيدية الثقيلة فتستخرج من الغادولينيت Fe Be₂ Y₂ Si₂ O₁₀.

وتنحصر درجات انصهار هذه العناصر بين 824ْس في الإتربيوم Yb و1652ْس في اللوتسيوم Lu. ومع أنها تُعدُّ من المعادن إلا أنها ليست على درجة عالية من الجودة في صفاتها الميكانيكية وفي نقلها الحراري والكهربائي. وهذه العناصر ذات لون أبيض فضي، وتبقى الثقيلة من هذه العناصر لامعة في الدرجات العادية من الحرارة، أما الخفيفة منها فلا تلبث أن تكسوها طبقة من الأكسيد.

وتشبه العناصر الأولى منها الكلسيوم في خواصه الكيمياوية، ولكن هذه الخواص تتبدل كلما ازداد العدد الذري فيها شيئاً فشيئاً حتى تقارب خواص الألمنيوم. ومع ذلك فإن جميع عناصرها تُكون هدروكسيدات شاردية صيغتها العامة Ln Oh)₃)، وهي أقل أساسية من هدروكسيد الكلسيوم، لكنها أكثر أساسية من هدروكسيد الألمنيوم، وتتفكك كربوناتها ونتراتها بالحرارة إلى الأكاسيد الموافقة بسهولة أكبر مما هي في أملاح الكلسيوم الموافقة.

إن أكاسيد الزمرة اللانتانيدية (Ln₂O₃) ثابتة جداً حرارياًَ، وهي تكون في درجات حرارة عالية وتتميز بمقاومتها الشديدة للحرارة refractory وتتناقص أنصاف أقطارها الشاردية من السريوم (Ce³⁺) إلى اللوتسيوم (Lu³⁺⁾ وهكذا يصبح Ce (OH)₃ أقواها أساسية و Lu (OH)₃ أضعفها أساسية.

وينفرد السيريوم عن باقي أترابه بتفاعلين لم يظهرا في الشكل، يتحد في أحدهما بالفلور ليكون CeF₄ ويتحد في الثاني بالأكسجين ليعطي CeO₂.

أما أملاح العناصر اللانتانيدية فعديمة الانحلال في الماء، وهي تشبه أملاح العناصر القلوية الترابية مع اختلاف طفيف فيما يتعلق بملح الكبريتات المنحل.وتبدو بعض الشوارد اللانتانيدية الثلاثية ملونة سواءً أكانت صلبة أم منحلة، ويبدو أن اللون يعود إلى عدد الإلكترونات الحرة في المدارات 4f. وأن شوارد العناصر التي يحتوي فيها المدار f على X إلكتروناً تتلون بلون شوارد العناصر التي يحتوي فيها المدار ((f على (14-X) إلكتروناً.

وتتصف الشوارد اللانتانيدية بمغناطيسية مسايرة (طردية) Paramagnetic باستثناء ذات المدار 4f ⁰ أو المدار 4f ¹⁴؛ وللعناصر اللانتانيدية ومشتقاتها تطبيقات عملية محدودة، فالسيريوم مثلاً يدخل في بعض الأشابات (السبائك الخليطة) مثل فولاذ السريوم مكوناً ما يدعى حديدي السيريوم لصنع أحجار القداحات، وتستعمل بعض أكاسيد السيريوم لتلوين الزجاج.

عبد المجيد البلخي

مراجع للاستزداة

- R. B. HESLOP et P. L. ROBINSON, Chimie inorganique (Flammarion Sciences 1977).