عنصر أرضي نادر

ركاز أرضي نادر، يظهر مع پني أمريكي للمقارنة الحجمية
These rare-earth oxides are used as tracers to determine which parts of a watershed are eroding. Clockwise from top center: praseodymium, cerium, lanthanum, neodymium, samarium, and gadolinium.[1]

كما تعرفها ايوپاك، العناصر الأرضية النادرة rare earth elements أو الفلزات الأرضية النادرة هي مجموعة من سبعة عشر عنصر كيميائي في الجدول الدوري، وهم سكانديوم، إتريوم، و15 من اللانثانيدات.[2] واعتبر السكانديوم والايتريوم من العناصر الأرضية النادرة بعد اكتشاف تكوينها نفس الرواسب التي تكونها اللانثانيدات ولها خصائص كيميائية متشابهة.

الأتربة النادرة بالإنجليزية rare earth ، هي أكاسيد متشابهة جداً لسلسلة من العناصر الفلزية تضم أربعة عشر عنصراً تلي عنصر اللانتانيوم ، وتنتهي باللوتسيوم بدءاً من العدد الذري 58 وحتى 71.[3] بحسب مجمع اللغة العربية بالقاهرة:

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

القائمة

تحتوي هذه القائمة على 17 من العناصر الأرضية، ورقمهم الذري ورمزهم، نظام التسمية الخاص بهم، والاستخدام الرئيسي لهم. بعض هذه العناصر النادرة تم تسميته باسم العالم الذي قام باكتشافه أو اكتشاف خصائصه الكيميائية، أو حسب الاكتشاف الجغرافي الخاص به.

Z الرمز الاسم أصل الاسم استخدامات مختارة
21 Sc سكانديوم من اللاتينية Scandia (سكانديناڤيا)، حيث اكتشف أول عنصر نادر. خليط السكانديوم
39 Y إتريوم قرية إتربـِبي في السويد، حيث أكتشف أول عنصر أرضي نادر. گارنت YAG، YBCO الموصلات الفائقة عند درجة حرارة عالية
57 La لناثانم من اليونانية "lanthanein"، وتعني المختفي. زجاج ذو معامل انكسار عالي، flint, تخزين الهيدروجين، battery-electrodes, عدسات الكاميرا، fluid catalytic cracking catalyst لمصافي النفط
58 Ce سريوم على اسم الكوكب القزم سيريس (كوكب قزم). Chemical oxidizing agent, مسحوق تلميع، الألوان الصفراء في الزجاج والسيراميك، حفازات من أجل الأفران ذاتية التنظيف، حفاز fluid catalytic cracking catalyst لمصافي النفط
59 Pr پراسيوديميوم من اليونانية "prasios"، وتعني شبيه-الأخضر, و "didymos"، وتعني توأم. المغناطيسات الأرضية النادرة، الليزر، الألوان الخضراء في الزجاج والسيراميك، الصوان
60 Nd نيوديميوم من اليونانية "neos",، وتعني جديد، و"didymos"، وتعني توأم. المغناطيسات الأرضية النادرة، الليزر، الألوان البنفسجية في الزجاج والسيراميك، ceramic capacitors
61 Pm پرومثيوم على اسم العملاق پرومثيوم، الذي جلب النار للبشر. البطاريات النووية
62 Sm سماريوم على اسم ڤاسيلي سمارسكي-بيخوڤتس، الذي اكتشف الخام الأرضي النادر سمارسكيت. المغناطيسات الأرضية النادرة، الليزر، neutron capture, ميزرات
63 Eu یوروپیوم على اسم قارة اوروپا. الفسفور الأحمر والأزرق، الليزر، مصباح بخار الزئبق
64 Gd گادولینیوم على اسم يوهان گادولین (1760–1852)، تكريما له على اكتشافه العناصر الأرضية. المغناطيسات الأرضية النادرة، زجاج ذو معامل انكسار عالي أو گارنت، الليزر, x-ray tubes, ذاكرة الحاسوب, neutron capture
65 Tb تربيوم قرية إتربـِبي في السويد. الفسفور الأخضر، الليزر، المصباح الفلوري
66 Dy ديسپروسيوم من اليونانية "dysprositos"، وتعني صعب الحصول عليه. المغناطيسات الأرضية النادرة، الليزر
67 Ho هولميوم على اسم ستوكهولم (باللاتينية "Holmia")، المدينة التي ولد فيها أحد مكتشفي العنصر. الليزر
68 Er إربيوم قرية إتربـِبي في السويد. الليزر، الڤانديوم
69 Tm ثوليوم أرض ثول الأسطورية. آلة أشعة إكس المحمولة
70 Yb إتيربيوم قرية إتـِريبي، السويد. الأشعة تحت الحمراء الليزر، العناصر المختزلة الكيميائية
71 Lu لوتـِتيوم على اسم مدينة لوتـِتيا، باريس حاليا.


الاختصارات

الاختصارات التالية المستخدمة عادة:

  • RE = عنصر أرضي
  • REM = عنصر أرضي (فلز)
  • REE = عناصر أرضية نادرة
  • REO = عناصر أرضية (أكاسيد)
  • LREE = عناصر أرضية خفيفة (La-Sm)
  • HREE = عناصر أرضية ثقيلة (Eu-Lu)

الاكتشاف والتاريخ المبكر

عرفت العناصر الأرضية النادرة مع اكتشاف المعدن الأسود "إتـِربايت" (وأعيد تسميته گادولينيت عام 1800) عن طريق الملازم كارل أكسل أرثيونيس عام 1787، في محجر بقرية إتـِربي، السويد.[4]

الإكتشاف والتاريخ المبكر

هي عناصر دعيت قديماً الفلزات 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 5d1 6s2 أساساً لها، وافترض البدء بالملء الإلكتروني بالسيريوم وانتهاء باللوتسيوم Lu الذي يحوي أربعة عشر إلكتروناً في المدار 4f. 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 والجادولينيوم.

اسم العنصر الرمز والعدد الذري ملء F أرقام الأكسدة
لانتانيوم Lanthanium 57La 4f 0 3
سريوم Cerium 58 Ce 4f 1 4.3
پريسيوديميوم Praeseodymium 59Pr 4f 2 4.3
نيوديميوم Neodymium 60Nd 4f 3 4.3.2
پرومثيوم Promethium 61Pm 4f 4 3.2
ساماريوم Samarium 62Sm 4f 5 3.2
اوروبيوم Europium 63Eu 4f 6 3
گادولينيوم Gadolinium 64Gd 4f 7 3
تربيوم Terbium 65Tb 4f 8 4.3
ديسپروسيوم Dysprosium 66Dy 4f 9 4.3
هولميوم Holmium 67Ho 4f 10 3
إربيوم Erbium 68Er 4f 11 3
توليوم Thulium 69Tm 4f 12 3.2
إتربيوم Ytterbium 70Yb 4f 13 3.2
لوتتيوم Lutetium 71Lu 4f 14 3

في عناصر الأتربة النادرة ، يدل رقم الأكسدة الموجب على عدد الإلكترونات التي يخسرها العنصر. اللوتتيوم 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 الپگماتيت pegmatite.


تفاعلات العناصر اللانتانيدية

تستخرج العناصر اللانتانيدية الخفيفة خصوصاً من المونازيت المكون غالباً من فوسفات التوريوم و السيريوم وغيرهما، أما العناصر اللانتانيدية الثقيلة فتستخرج من الجادولينيت Fe Be2 Y2 Si2 O10.

وتنحصر درجات انصهار هذه العناصر بين 824°س في الإتربيوم Yb و 1652°س 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 الكالسيوم 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 هيدروكسيد الكلسيوم، لكنها أكثر أساسية من هيدروكسيد الألومنيوم ، وتتفكك كربوناتها ونتراتها بالحرارة إلى الأكاسيد الموافقة بسهولة أكبر مما هي في أملاح الكالسيوم الموافقة.

إن أكاسيد المجموعة 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.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التوزيع الجغرافي

توافر العناصر في القشرة الأرضية لكل مليون ذرة سليكون.

أنتجت الصين 95% من العناصر النادرة في عام 2010، وفي الوقت نفسه لديها 37% من الاحتياطيات المحققة. وكان لفرض حصص تصدير في سبتمبر 2009، مع الانخفاضات التي تلت ذلك إلى مستويات لا تلبي الطلب العالمي،[5] وما بدى أنه حظر صيني على تصدير الفلزات الأرضية النادرة في أكتوبر 2010 بسبب حادثة دولية مع اليابان ركزت الانتباه على المصادر المحتملة الأخرى لتلك المعادن. فقد أبرز تحليل اخباري في النيويورك تايمز أن رواسب المعادن النادرة الموجودة في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا والهند والبرازيل وأماكن أخرى، لا يتم استغلالهم أو على الأقل لا يتم تنقيتهم خارج الصين، لأسباب بيئية.[6]

الاستخدامات التقنية

هذه الأكاسيد الأرضية النادرة تستخدم ككواشف لتحديد أي الأجزاء في مفيض نهر تتعرض للنحر. مع عقارب الساعة من وسط القمة: پراسيوديميوم، سريوم، لناثانم، نيوديميوم، سماريوم، وگادولينيوم.[7]

تزايد استخدام العناصر الأرضية النادرة في التكنولوجيا الحديثة بشكل مضطرد في السنين الأخيرة. فالعناصر الأرضية النادرة تدخل حالياً في العديد من الأجهزة التكنولوجية، بما فيها أشباه الموصلات، المغناطيسات الأرضية النادرة عالية الفيض من السماريوم-كوبالت ونيوديميوم-حديد-بورون، المـُلمـِّعات الإلكترونية، حفازات التصفية ومكونات السيارة الهجين (أساساً البطاريات والمغناطيسات).[8] وتـُستخدم الأيونات الأرضية النادرة كأيونات نشطة في المواد المستضيئة المستعملة في تطبيقات الإلكترونيات البصرية، وأهمها ليزر Nd:YAG. ومضخمات الألياف المغموسة بالإربيوم لها دور هام في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. الفسفورات ذات الغموس الأرضي النادر هي أيضاً واسعة الاستخدام في تقنية أنبوب آشعة المهبط مثل أجهزة التلفزيون. فأول شاشات عرض تلفزيون ملون اتسمت بلون أحمر رديء الجودة؛ إلى أن جعل اليوروپيوم كغموس فسفوري الفسفورات الحمراء الجيدة ممكنة. وكرات الإتريوم حديد گارنت (YIG) كانت مفيدة كرنانات ميكروية قابلة للضبط. وتـُخلط الأكاسيد الأرضية النادرة مع التنگستن لتحسين خصائصه عند درجات الحرارة العالية للحام، ليحل محل الثوريوم، الذي كان يشكل خطورة إلى حد ما في التشغيل. كما تستخدم العديد من المنتجات الدفاعية عناصر أرضية نادرة كمحسنات. فعلى سبيل المثال، نظارات الرؤية الليلية، مقدرات المسافات، رادار SPY-1 المستخدمة في بعض السفن الحربية المزودة بنظام أيجيس القتالي، ونظام الدفع في المدمرات من طراز أرلي برك كلها تستعمل عناصر أرضية نادرة في وظائف حرجة.[9]

الانتاج العالمي من العناصر الأرضية النادرة

الانتاج العالمي ما بين 1950-2000

حتى 1948، كان معظم الانتاج العالمي من العناصر الأرضية النادرة من تراب placer الموجود في الهند والبرازيل.[10] وفي الخمسينيات، أصبحت جنوب أفريقيا من بلدان العالم المنتجة للعناصر الأرضية النادرة، بعد اكتشاف عرق ضخم من العناصر الأرضية النادرة في مونازيته.[10] من الستينيات حتى الثمانينيات، أصبح الممر الجبلي لتعدين العناصر الأرضية النادرة في كاليفورنيا المنتج الرائد في العالم. واليوم، لازالت مستودعات الهند وجنوب أفريقيا تنتج مركزات العناصر النادرة، لكنها تتضاءل أمام الانتاج الصيني. تنتج الصين الآن 97% من الانتاج العالمي للعناصر الأرضية النادرة، معظمها في منغوليا الداخلية.[8][11] معظم إجمالي العناصر الأرضية النادرة الثقيلة في العالم (مثل ديسپروسيوم) يأتي من مصادر صينية مثل رواسب بيان اوبو متعدد الفلزات.[11][12]


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الاعتبارات الجيو سياسية

عـُزي إلى دوافع غير بيئية سياسة الصين في العناصر الأرضية النادرة.[13] فحسب مجلة الإكونومست، "خفض صادراتهم من الفلزات الأرضية النادرة...هو لدفع الصناع الصينيين لأعلى في سلسلة الإمداد، لكي يستطيعوا بيع سلع مصنعة ذات قيمة عالية للعالم بدلاً من بيع مواد خام رخيصة [نسبياً]."[14]

فرداً على إلقاء القبض على قبطان قارب صيد صيني من قِبل خفر السواحل الياباني، قيل أن الصين فرضت حظراً على صادرات وشحنات الأكاسيد الأرضية النادرة (ولكن ليس السبائك) إلى اليابان في 22 سبتمبر 2010.[15] وبالرغم من أن الصينيين ينفون رسمياً وجود حظر على الصادرات،[16] فقد أثار وزير الخارجية الياباني السابق كاتسويا اوكادا احتجاجاً على الضرر الذي ألحقه تصرف الصين المفاجئ على الانتاج العالمي.[17] وفي 2 سبتمبر 2010، حتى قبل حادث قارب الصيد، فقد أوردت الإكونومست أن "الصين...في يوليو أعلنت آخر خطوة من سلسلة من التخفيضات السنوية لصادراتها من العناصر الأرضية النادرة، هذه المرة بمقدار 40% لتصبح بالضبط 30,258 طن."[18]

مصفاة ماليزيا

احتجاجات ماليزيا على اقامة مصفاة المعادن النادرة 30 يونيو 2011.

في محاولة للحد من احتكار الصين للمعادن الأرضية النادرة، قامت ماليزيا ببناء مصفاة للمعادن النادرة بتكلفة 230 مليون دولار، وتواجه هذه المصفاة انتقادات بيئية شديدة ومشكلات في التصميم، كما ورد في مذكرات داخلية ومهندسون حاليون وسابقون في المشروع. وسوف تكون بعد اكتمال انشاءها، أكبر مصفاة في العالم للمعادن النادرة، المستخدمة في تصنيع الهواتف الذكية، القنبال الذكية، والسيارات الهجين. وفي مارس 2011 بدأت الاحتجاجات الشعبية على مشروع المصفاة، خوفا من تسرب المواد المشعة والسامة إلى المياه الجوفية. وفي 30 يونيو 2011 قام المحتجون بحرق إطارات السيارات أمام منزل مدير المشروع.[19]

انظر أيضاً

الهامش

  1. ^ "News and events". US Department of Agriculture. Retrieved 2009-06-06.
  2. ^ Edited by N G Connelly and T Damhus (with R M Hartshorn and A T Hutton), ed. (2005). Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005 (PDF). Cambridge: RSC Publ. ISBN 0-85404-438-8. Retrieved 2007-12-17.CS1 maint: Extra text: editors list (link)
  3. ^ عبد المجيد البلخي. "الأتربة النادرة". الموسوعة العربية.
  4. ^ Gschneidner KA, Cappellen, ed. (1987). "1787-1987 Two hundred Years of Rare Earths". Rare Earth Information Center, IPRT, North-Holland. IS-RIC 10.
  5. ^ http://www.economist.com/blogs/babbage/2010/09/rare-earth_metals
  6. ^ Keith Bradsher (October 29, 2010). "After China's Rare Earth Embargo, a New Calculus". The New York Times. Retrieved Octber 30, 2010. Check date values in: |accessdate= (help)
  7. ^ "News and events". US Department of Agriculture. Retrieved 2009-06-06.
  8. ^ أ ب "Haxel G, Hedrick J, Orris J. 2006. Rare earth elements critical resources for high technology. Reston (VA): United States Geological Survey. USGS Fact Sheet: 087‐02" (PDF). Retrieved 2008-04-19.
  9. ^ Livergood R. (2010), Rare Earth Elements: A Wrench in the Supply Chain, Center for Strategic and International Studies, http://csis.org/files/publication/101005_DIIG_Current_Issues_no22_Rare_earth_elements.pdf, retrieved on 2010-10-22 
  10. ^ أ ب ER, Rose. Rare Earths of the Grenville Sub‐Province Ontatio and Quebec. GSC Report Number 59‐10. Ottawa: Geological Survey of Canada Department of Mines and Technical Surveys, 1960.
  11. ^ أ ب China's Rare Earth Dominance, Wikinvest. Retrieved on 11 Aug 2010.
  12. ^ Chao ECT, Back JM, Minkin J, Tatsumoto M, Junwen W, Conrad JE, McKee EH, Zonglin H, Qingrun M. "Sedimentary carbonate‐hosted giant Bayan Obo REE‐Fe‐Nb ore deposit of Inner Mongolia, China; a cornerstone example for giant polymetallic ore deposits of hydrothermal origin." 1997. United States Geological Survey Publications Warehouse. 29 February 2008 http://pubs.usgs.gov/bul/b2143/
  13. ^ Bradsher, Keith. After Rare Earth Embargo, a New Calculus for Toxic Work," New York Times. October 30, 2010.
  14. ^ "The Difference Engine: More precious than gold". الإكونومست September 17, 2010.
  15. ^ Bradsher, Keith (2010-09-22). "Amid Tension, China Blocks Vital Exports to Japan". The New York Times Company. Retrieved 22 September 2010.
  16. ^ James T. Areddy, David Fickling And Norihiko Shirouzu (2010-09-23). "China Denies Halting Rare-Earth Exports to Japan". Wall Street Journal. Retrieved 22 September 2010.
  17. ^ Backlash over the alleged China curb on metal exports, Daily Telegraph, London, 29 Aug 2010. Retrieved 2010-08-30.
  18. ^ "Rare earths: Digging in" الإكونومست September 2, 2010
  19. ^ KEITH BRADSHER (2011-06-30). "The Fear of a Toxic Rerun". نيويورك تايمز.

وصلات خارجية