العناصر الأرضية النادرة — خمسة عشر فلزاً متشابهة تقريباً تدير التكنولوجيا الحديثة بهدوء

اللانثانيدات

من اللانثانوم إلى اللوتيتيوم: خمسة عشر فلزًا لينًا فضيًا متشابهة كيميائيًا إلى حد أن فصلها أرهق الكيميائيين لأكثر من قرن. وهي ليست نادرة في الواقع. إنها موجودة في هاتفك وسماعاتك وتوربينات الرياح وجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.

العناصر: 15
المجموعة: المستوى الفرعي f، الدورة 6
التكوين: [Xe] 4f¹⁻¹⁴ 5d⁰⁻¹ 6s²
مشعة: 1

مُظلَّل في الجدول الدوري

كل عضو

الـ15 من اللانثانيدات

57 La لانثانوم 138.905 u أول لانثانيد، والعنصر الذي ظل مختبئًا داخل سيريوم مدة 36 عامًا قبل أن يلاحظه أحد. صلب 58 Ce سيريوم 140.116 u أوفر العناصر الأرضية النادرة، وأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية من النحاس. صلب 59 Pr براسيوديميوم 140.908 u عنصر أرضي نادر يلوّن نظارات اللحام، وعند خلطه مع نيوديميوم يصنع مغناطيسات هائلة القوة. صلب 60 Nd نيوديميوم 144.242 u عنصر المغناطيس: مغناطيسات نيوديميوم-حديد-بورون هي أقوى المغناطيسات الدائمة التي صُنعت على الإطلاق. صلب 61 Pm بروميثيوم 145 u اللانثانيد الوحيد الذي لا يملك نظيرًا مستقرًا؛ تحلل واختفى، وكان لا بد من صنعه في مفاعل. مشعة اصطناعي صلب 62 Sm ساماريوم 150.36 u عنصر أرضي نادر تواصل مغناطيساته عملها عند درجات حرارة تدمر نيوديميوم. صلب 63 Eu يوروبيوم 151.964 u عنصر الأمان: فسفورات يوروبيوم هي التوهج المضاد للتزييف في الأوراق النقدية لليورو. صلب 64 Gd غادولينيوم 157.25 u العنصر الأرضي النادر ذو أكبر مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات بين جميع النويدات المستقرة. صلب 65 Tb تيربيوم 158.925 u عنصر أرضي نادر ذوفوسفور أخضر، يغيّر شكله أيضًا في مجال مغناطيسي. صلب 66 Dy ديسبروسيوم 162.5 u «يصعب الحصول عليه»، وهو الآن لا غنى عنه للمغناطيسات التي يجب أن تتحمل حرارة حجرة المحرك. صلب 67 Ho هولميوم 164.93 u العنصر ذو أقوى عزم مغناطيسي بين أي ذرة تحدث طبيعيًا. صلب 68 Er إربيوم 167.259 u العنصر الأرضي النادر الذي يُبقي الإنترنت قيد التشغيل: يضخّم إربيوم الضوء داخل كبل الألياف الضوئية. صلب 69 Tm ثوليوم 168.934 u أندر اللانثانيدات المستقرة، ومصدر محمول للأشعة السينية عند تشعيعه. صلب 70 Yb إتيربيوم 173.045 u عنصر أرضي نادر لين، تقفز مقاومته الكهربائية تحت الضغط، مما يجعله مقياسًا للإجهاد. صلب 71 Lu لوتيتيوم 174.967 u أقسى اللانثانيدات وأكثفها وأغلاها ثمنًا. صلب

ما الذي يميزها

ثلاثة أشياء تميز اللانثانيدات

ملء غلاف داخلي

تقع مدارات 4f التي يجري ملؤها *تحت* الإلكترونات الخارجية، محميةً عن العالم الخارجي. تكاد الكيمياء لا تلاحظ أيّ مدار 4f مشغول، ولذلك تتصرف العناصر الخمسة عشر جميعها بصورة متشابهة تقريباً — ولهذا يصعب فصلها للغاية.

انكماش اللانثانيد

عبر السلسلة، تنكمش الذرات باستمرار مع إضافة البروتونات، بينما تحجب إلكترونات 4f المنتشرة على نحو ضعيف. ويكون الأثر التراكمي كبيراً بما يكفي للوصول إلى الدورة التالية: ينتهي الأمر بالهافنيوم إلى الحجم نفسه للزركونيوم الذي يعلوه، ولذلك يكاد يستحيل التمييز بينهما كيميائياً.

+3 بصورة منتظمة

تشكل جميعها تقريباً أيونات +3. ويمكن لسيريوم أيضاً أن يتخذ حالة +4، ويوروبيوم حالة +2، وهذان الاستثناءان تحديداً هما الطريقة التي تعلم بها الكيميائيون فصل العنصرين عن البقية.

الاتجاهات الدورية

كيف تتغير عبر العائلة

ينخفض نصف القطر الأيوني بسلاسة من اللانثانوم إلى اللوتيتيوم. وتبلغ العزوم المغناطيسية ذروتها في منتصف السلسلة، حيث يتوافر أكبر عدد من إلكترونات f المفردة — ولهذا يهيمن النيوديميوم والديسبروسيوم على تكنولوجيا المغناطيسات الدائمة.

في العالم

فيما تُستخدم

نيوديميوم

أقوى المغناطيسات الدائمة التي صُنعت على الإطلاق. تُشغّل مغناطيسات Nd-Fe-B سماعات الرأس ومحركات الأقراص الصلبة والمحركات الكهربائية وتوربينات الرياح.

ديسبروسيوم وتيربيوم

تُضاف إلى مغناطيسات النيوديميوم للحفاظ على عملها عند درجات حرارة حجرة المحرك. ولهذا تُعد مواد موضع تنافس استراتيجي.

يوروبيوم وإتريوم

الفوسفورات الحمراء والزرقاء في شاشات العرض والإضاءة الفلورية؛ كما يُستخدم اليوروبيوم في التوهج المضاد للتزوير على الأوراق النقدية باليورو.

غادولينيوم

مادة التباين التي تجعل الأنسجة الرخوة مرئية في التصوير بالرنين المغناطيسي، وأكبر مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات بين أي نويدة مستقرة.

سيريوم

المحوّلات الحفزية، وتلميع الزجاج، والحجر القدحي في كل ولاعة للاستعمال مرة واحدة.

إربيوم

عند تطعيمه في ليف بصري، يضخّم الضوء مباشرةً — وهذا ما يجعل كابل الإنترنت العابر للقارات عملياً.

التعامل

السلامة

سمية منخفضة إلى متوسطة بوصفها فلزات وأملاح بسيطة، مع أن المساحيق الدقيقة منها قابلة للاشتعال الذاتي وتحترق بسهولة. والمشكلة الحقيقية هي الاستخراج: تحتوي خامات العناصر الأرضية النادرة على الثوريوم واليورانيوم، لذا تولّد المعالجة مخلفات مشعة، كما تستهلك كيمياء الفصل كميات كبيرة من الحمض. والبروميثيوم مشع ولا يملك نظيرًا مستقرًا.

من المفيد معرفته

ليست نادرة: فالسيريوم أكثر وفرة في القشرة الأرضية من النحاس، وحتى الثوليوم يفوق الذهب وفرة.
استُخلصت العائلة بأكملها من عينتين معدنيتين سويديتين على مدى قرن — وقد سُمّي أربعة عناصر باسم قرية Ytterby وحدها.
يمكن لمغناطيس من نيوديميوم بحجم عملة معدنية أن يرفع أكثر من ألف ضعف وزنه.

الأسئلة الشائعة

حول اللانثانيدات

لماذا تُسمى العناصر الأرضية النادرة إذا لم تكن نادرة؟

لأنه عندما اكتُشفت كان الحصول عليها صعبًا فعلًا: فهي لا توجد أبدًا مركزة في خام واحد، بل توجد مختلطة معًا، وكان فصلها شبه مستحيل. وكانت «الأرض» المصطلح القديم للأكسيد. فالاسم يسجل صعوبة القرن الثامن عشر، لا ندرة جيولوجية.

لماذا يصعب فصل اللانثانيدات؟

كيمياؤها متطابقة تقريبًا لأن إلكترونات 4f المضافة مدفونة تحت المستويات الخارجية ولا تشارك تقريبًا في تكوين الروابط. ويكوّن كل واحد منها أيونًا بشحنة +3 وحجمًا متشابهًا جدًا. يعتمد الفصل الحديث على مئات المراحل المتعاقبة من الاستخلاص بالمذيب، مستغلًا فروقًا ضئيلة في نصف القطر الأيوني — إذ إن تقلص اللانثانيدات هو الوسيلة الوحيدة المتاحة هناك.

أي لانثانيد هو الأهم اليوم؟

نيوديميوم من حيث الوزن الاقتصادي. توجد مغناطيسات Nd-Fe-B في محرك كل مركبة كهربائية، ومولد كل توربين رياح، وكل محرك أقراص صلبة، وكل زوج من سماعات الرأس. ويأتي ديسبروسيوم في المرتبة الثانية بفارق قريب، لأنه ما يحافظ على عمل تلك المغناطيسات عند سخونتها، كما أن إمداده يتركز في أماكن قليلة جداً.

تابع

العائلات التسع الأخرى

6 الفلزات القلوية Li Na K Rb Cs Fr 6 الفلزات القلوية الترابية Be Mg Ca Sr Ba Ra 38 الفلزات الانتقالية Sc Ti V Cr Mn Fe Co 12 الفلزات بعد الانتقالية Al Ga In Sn Tl Pb Bi 7 أشباه الفلزات B Si Ge As Sb Te At 7 اللافلزات H C N O P S Se 5 الهالوجينات F Cl Br I Ts 7 الغازات النبيلة He Ne Ar Kr Xe Rn Og 15 الأكتينيدات Ac Th Pa U Np Pu Am