Nadir Toprak Elementleri (Azrak Toprak Metalleri) Özellikleri

Nadir Toprak Elementleri – Azrak Toprak Metalleri Nedir, Nadir Toprak Elementleri Özellikleri ve Kullanım Alanları

Azrak toprak metalleri, nadir toprak elementleri olarak da bilinir, periyodik tablonun Illb grubundaki skandiyum, itri­yum ve lantan ile 6. periyottaki lantanitler dizisinin 14 elementini içeren ve kimyasal özellikleri açısından büyük benzerlik göste­ren elementler dizisi. Bu 17 elementin tümü de metal yapısındadır ve prometyum dışın­da hepsi doğada bulunur. Kararlı izotopları olmadığı için doğada bulunmayan promet­yum ise ancak 1945’te, nükleer reaktörler- deki parçalanma ürünlerinden elde edilebil­miştir.

Nadir Toprak Elementleri  Tarihçe: Eski Yunan bilginleri, o çağda erişilebilen sıcaklık derecelerinde ayrışma­yan kimyasal maddeleri toprak olarak ad­landırmışlardı; bu kavram 18. yüzyılın son­larına değin kimyada geçerliliğini korudu ve kalsiyum, alüminyum, magnezyum gibi me­tallerin oksitleri, ısıyla kolayca bozulmadığı için element sanılarak toprak adıyla anılageldi.

1794’te Finlandiyalı kimyacı Johan Gadolin, doğada az bulunan bir mineral örneği­nin bileşiminde yeni bir “toprak” buldu ve element olduğuna inandığı bu maddeye, mineralin çıkarıldığı İsveç’teki Ytterby kö­yünün adından esinlenerek iterbiya adını verdi; bir süre sonra bu ad kısaltılarak itriya yapıldı. 1803’te, sonradan Gadolin’in anısı­na saygı için gadolinit olarak adlandırılan aynı minerali inceleyen kimyacılar, o güne değin bilinmeyen yeni bir toprak daha buldular ve iki yıl önce keşfedilmiş olan küçük Ceres gezegeninden esinlenerek seri- ya adını verdiler. İtriya ve seriya, doğada ender rastlanan aynı mineral içinde keşfedil­dikleri ve bilinen öbür topraklara çok benzedikleri için, zamanla azrak topraklar adıyla anılır oldu. Ancak 1808’de Sir Humphry Davy’nin bu toprakların birer element değil metal oksidi olduğunu kanıt­lamasından sonra, elementlerin adı itriyum ve seryum olarak değiştirildi; itriya ve seriya adı da oksitleri için kullanılmaya başlandı.

1839-43 arasında İsveçli kimyacı Cari Gus­taf Mosander, itriya ve seriyanın gerçekte tek bir elementin oksitleri değil, birer karışım olduğunu gösterdi. Bu toprakları ayrıştırarak, seriyadan lantana ve didimya, itriyadan ise erbiya ve terbiya adıyla dört yeni oksit elde etti ve bu oksitlerden, katışıklı da olsa elementleri ayırmayı başar­dı. Kimyasal ayırma yöntemlerinin gelişme­siyle, 1843’ten 1939’a değin, çeşitli mineral­lerin bileşimindeki azrak toprak karışımları ayrılabildi ve bu oksitlerin azrak toprak elementleri, doğada bulunmayan promet­yum dışında, tümüyle ayrılarak tanımlandı.

Yeryüzündeki dağılımları. Azrak toprak metalleri, doğada sanıldığı kadar az bulu­nan ve bu adla anılmalarını gerektirecek ölçüde seyrek rastlanan elementler değildir. Bu yanlış adlandırma, bu elementlerin ok­sitlerine ilk kez gadolinit gibi az bulunan bir mineralin bileşiminde rastlanmış olmasın­dan ve uzun süre oksitlerinin element sanılmasından kaynaklanmıştır. Yerkabu­ğunda yaygın olarak, ama az miktarlarda, minerallerin çoğunda ise bol miktarda bulu­nan bu elementler göktaşlarının, Güneş’in ve Ay’ın yapısında da yer alır. Bazı yıldız­larda, Güneş sistemindekinden çok daha fazla bulundukları belirlenmiştir.

Yerkabuğunda seryumun kalaydan, itri­yum ve neodimin kurşundan, tulyumun altın, gümüş ve platinden daha bol bulun­duğu saptanmıştır. Daha ender bir element olan lütesyum bile cıva ile iyottan daha boldur. Bu elementlerin en yaygınları olan seryumun yerkabuğundaki oranı milyonda 46, itriyumun 28, neodimin 24, lantanın 18’dir. Kumlu göktaşlarının bileşiminde ser­yumun milyonda 0,84, itriyumun 1,8, neodi­min 0,58, lantanın 0,3 düzeyinde bulunması da bu elementlerin evrendeki bağıl bolluklarının göstergesidir.

Azrak toprak elementleri yerkabuğunda hiçbir zaman serbest metal halinde bulun­madığı gibi bu elementlerden yalnızca birini içeren katışkısız minerallere de doğada rastlanmaz; bilinen bütün mineraller bu elementlerin bir karışımıdır. Gerçekten de, azrak toprak elementleri hemen hemen tüm kütlesel kayaç oluşumlarında, karışımlar halinde bulunur. Alkali kayaçlarda bu elementlerin görece az bulunması, jeolojik oluşum sürecinde, erimiş kayaçlardaki ele­mentlerin asitli bölgelerce özütlenmesiyle açıklanabilir. Yüksek oranda toryum da içeren monazit ile ksenotim fosfatlı mineral­lere, şerit ve talenit silikatlı minerallere, demir ve berilyum da içeren gadolinit ise oksit minerallere örnek gösterilebilir.

Ticari değeri yüksek olan monazitte yakla­şık yüzde 50 kadar azrak toprak elementi bulunur; bunların yüzde 50’si seryum, yüz­de 20’si lantan, yüzde 20’si neodim, yüzde 5’i praseodim, geri kalanları da samaryum, gadolinyum ve itriyumdur. En önemli mo­nazit yatakları Brezilya, Hindistan, Avus­tralya, Bağımsız Devletler Topluluğu ve Güney Afrika’da bulunur. Dünya evropi­yum gereksiniminin büyük bölümü, lantan ve seryumun flüorokarbonotları karışımı olan bastnaezit mineralinden karşılanır. Bu mineral en çok Afrika, Bağımsız Devletler Topluluğu ve ABD’de California’da çıkarıl­maktadır.

Nadir toprak elementleri kimyasal özellikleri

Kimyasal özellikleri: Periyodik tablonun Illb grubundaki skandiyum, itriyum ve lantanın en dıştaki 4i, 5i ve 6s alt enerji düzeylerinde bulunan yörüngemsileri iki elektronla dolmuştur. İç bölgedeki 3d, Ad, 5d, alt enerji düzeylerindeki yörüngemsilerinde ise birer elektron vardır. Bu üç ele­ment üç değerlikli iyonlar verir; oksitleri suyla tepkimeye girerek hidroksitleri oluştu­rur, karbonatlan ise ısılbozunmayla karbon dioksite (CO2) ayrışır. Hidroksitlerin baz niteliği skandiyumdan lantana doğru artar, sülfatların çözünürlükleri ise aynı sırayı izleyerek azalır.

Lantanitlerde, en dıştaki 6î yörüngemsisi iki elektronla, 5p’deki yörüngemsiler ise altışar elektronla dolmuştur, içteki 4/nin yörüngemsileri artan her atom numarasında bir elektron alır; yalnız 4/deki 7 yörüngemsi, gadolinyumda 7 elektronla yarı dolmuş, lütesyumda 14 elektronla tam dolmuş oldu­ğundan bu elementlerin 5d yörüngemsile- rinde birer elektron bulunur. Azrak toprak elementleri, kararlı bileşiklerinde +3 değer­liklidir. Yalnız seryum, terbiyum ve praseo­dim +4, samaryum, evropiyum, tulyum ve iterbiyum +2 değerlik de alabilir.

Seryumdan lütesyuma doğru iyon yarıçapı azaldığı için, bileşiklerinde OH grupları daha sıkı bağlanır ve hidroksitlerin baz niteliği azalır. Azrak toprak metallerinin hidrorürleri alaşımlara benzer özellikler gösterir.

Nadir toprak elementleri fiziksel özellikleri

Fiziksel özellikleri: Katışkısız azrak toprak metalleri, parlak, gümüşsü renktedir, itri­yum, gadolinyum ve lütesyum dışındakiler havadan ve katışkı maddelerinden etkilenir, oksitler yaparak yenime (korozyona) uğrar. Çok az miktardaki katışkı maddeleri bile bu elementlerin fiziksel özelliklerinde büyük değişikliklere yol açar. Lütesyumun erime noktası, iterbiyum ve lantanınİcinin yaklaşık iki katıdır. 1.000°C’de iterbiyum ve evropi­yumun buhar basıncı, lantan ve seryumun buhar basıncından milyonlarca kez büyük­tür. Azrak toprak metallerinin alaşımları, sert ya da yumuşak, kırılgan ya da dövülebi­lir, yüksek ya da düşük erime noktalı gibi çok farklı nitelikler gösterebilir.

Lantanitlerin kıvılcım ve ark tayfları çok karmaşıktır. Gaz halindeki elementler, on binlerce frekansta ışık salımı yapar. Bu karmaşıklığın nedeni, tamamlanmamış iç enerji düzeylerindeki elektronların spinleri ile yörüngelerindeki hareketlerin açısal momentumlarının farklı enerji durumları vere­cek birleşimler yapmasıdır. 4f alt enerji düzeylerinin yörüngelerini doldurmamış elektronlar, bu elementlerde ilginç magnetik davranışlara neden olur. Yüksek sıcak­lıklarda lütesyum dışındaki lantanitler para- magnetiktir. Sıcaklık belli bir değere düşü­rülünce bu metallerin çoğu karşıt ferromagnetiklik özelliği kazanır. Sıcaklık daha da düşürülürse spinlerdeki yeni düzenlemeler sonucu ferromagnetiklik başlar. Gadolin­yum tuzlarında adyabatik mıknatıslık giderimi yöntemiyle 10″5K sıcaklığına kadar inilebilmiştir. Azrak toprak elementlerinden her birinin ortalama 20 kadar izotopu vardır. Tek atom numaralı elementlerde kararlı izotop sayısı en çok iki, çiftlerde ise dört ile yedi arasındadır. Çekirdeklerin çoğunun küresel olmayışı, kararlılık özelliğini etkiler. Bu nitelik, özgün kuramların sınanmasında il­ginç çalışmalara yol açmıştır.

Nadir toprak elementleri Ayırma ve arıtılmaları

Azrak toprak me­tallerinin iyonları suyla sarılı olduğundan özellikleri birbirine çok benzer. Ayrıca kristal yapıda birbirlerinin yerini kolayca alabilirler. Elementleri ayırmak için başvu­rulan ilk yöntemler ayrımsal kristallendirme, çöktürme, bozundurma ve özütleme olmuştur. Ayırmanın temeli, karışık azrak topraklarını (metal oksitlerini) biri hafif, öbürü ağır elementlerce zengin iki eşit ayrıma bölmeye dayanır. Her ayrım çözelti içine konur ve süreç her biri için yinelenir; sonunda hafif ve ağır olanlar gruplanır. İşlemler sonunda az miktarda kalan madde­ler, benzer dizi işlemlerdeki eşdeğer ayrım­larla birleştirilir. Bu noktada birinci diziler ayrı bağımsız gruplara bölünür ve her ayrımdaki elementlere uygun yeni bir ay­rımlama süreci başlatılır. Son kaptan, göre­ce arı azrak toprak bileşiği elde edilir.

İyon değişimi yöntemi, bir cam boru içindeki küçük tanecikli katı destek malze­meler üzerinde maddelerin ayrımsal soğurulmasma ya da yıkanmasına dayanan bir ayırma yöntemidir. H+ ya da NH+4 ile doyurulmuş reçineye kuvvetli asitle birlikte azrak toprak iyonları içeren çözelti üstten dökülür. Reçinedeki tek değerli iyon, çözel­tiye geçerek kolonun altından çıkarken, kolonun üstünde azrak toprak iyonlarıyla doymuş bir kuşak oluşur. Kolona, azrak toprak iyonlarıyla birleşecek anyonlar içe­ren bir başka çözelti dökülür. Bu çözelti kuşaktaki iyonları yıkayarak karmaşığa alır ve reçineye tek değerlikli iyonlar verir. Ancak, çözelti kuşak bölgesinin altına indi­ğinde, reçinede gene azrak toprak iyonları birikir. Böylece, kolonda kuşak aşağıya doğru kayarak ilerlerken zenginleşme sürer.

1952’de geliştirilen iyon yer değiştirmesi yönteminde, karışımdan yüzde 98-99 azrak toprak elementi sağlanabilir. Bu yöntemde gene reçine ve kolon donanımı kullanılır. Yalnız, azrak toprak kuşağının alt ve üst köşelerinden kelatlayıcılar gibi kuvvetli karmaşıklaştırıcı kimyasal maddeler verilir. Bu organik yapılı moleküller, azrak toprak iyonlarını sararak komşu su moleküllerin­den uzaklaştırır.

Bir başka yöntem sıvı-sıvı özütlemesidir. Tribütilfosfat gibi organik bir sıvı, azrak toprak tuzları içeren sulu çözelti akıntısına karşı ters akım yöntemiyle akıtılır. Azrak toprak iyonları, anyonlarla karmaşık yapa­rak organik evrede çözünebilen nötr mole­küller verebilir. Sulu ve organik evreler birbirini geçerken her ikisindeki karmaşık iyonlar arasında bir denge kurulur ve iki akıntıdan birinde ağır öbüründe hafif ele­mentlerin derişimi artar. Arı metallerin hazırlanmasında, elementin susuz klorürlerini indirgemek oldukça ko­lay, ama yüksek arılıkta metal elde etmek çok zordur. Bu elementlerin ametallere ilgisi yüksek olduğundan başka metallerde­ki katışkılarm giderilmesinde önemli rol oynarlar. Kızgın azrak toprak metali yonga­ları, yüksek arılıkta soygaz üretiminde kul­lanılır.

Çözelti halindeki azrak toprak klorürlerinin elektrolizi, sanayi ölçeğinde metal üreti­mine olanak vermiştir. Örneğin, yüzde 66 Sm, yüzde 26 Gd ve yüzde 8 Eu’dan oluşan bir toprak karışımı HCl’de çözülüp, cıva katot ve platin anotla elektroliz edilirse katotta biriken zor çözünen sülfat bileşiğin­de yüzde 91 Eu+2, yüzde 7 Sm+2 ve yüzde 2 Gd+3 bulunur.

Sanayide kullanımları. 17 azrak toprak elementinin metal, alaşım ve bileşik olarak çok yaygın kullanım alanları vardır. Petro­lün katalizörler eşliğinde parçalanmasında (katalitik kraking) milyonlarca ton azrak toprak kullanılmıştır. Ketonların ikincil alkollere, alkenlerin alkanlara hidrojenlenmesi, bütanlardan polyester vermek üzere hidrojen giderilmesi gibi tepkimeler için azrak toprak katalizörler tercih edilir. Fotoğraf makinesi ve dürbün mercekleri, gözlük camları ve televizyon ekranlarının parlatılmasmda seryum oksit kullanılır. Lantan oksit içeren camların kırılma indisle­ri yüksektir. Çok az miktardaki arı neodim oksit, cama mor renk verir. Praseodim ve neodim karışımı, televizyon ekranlarında oda ışıklarından ileri gelen parlamaları engeller.

Metalürjide azrak toprak elementleri, baş­ka metal ya da alaşımların çözeltilerine katıldığında çözeltideki katışkı maddelerini toplar. Çelik ve demir-krom alaşımlarında yenime karşı direnci artırır. Televizyon ekranının iç yüzeyindeki kırmı­zı renk merkezleri için eskiden kullanılan çinko kadmiyum sülfat yerine buğun evropi­yum oksit ve iridyum oksit kullanılmakta, böylece daha doğal ve parlak kırmızılar elde edilebilmektedir. Cıva buharlı sokak lam­balarına katılan azrak topraklar da daha sıcak bir beyaz ışık verir.

İtriyum-demir silikatlardan oluşan, özel bi­çimlendirilmiş değerli taşlar, haberleşme sanayisinde mikrodalga süzgeci olarak kul­lanılır. Kobalt-samaryum alaşımı çok güçlü mıknatıslık özelliği gösterir. Bazı azrak toprak elementlerinin ısıl nötronlar yakala­ma etki kesitlerinin büyük olması, başka bir deyişle birim alan başına çok sayıda nötron soğurabilmeleri, bu elementlerin nükleer reaktörlerdeki kontrol çubuklarında ya da koruma malzemelerinde kullanılmalarına olanak sağlamıştır.

Nadir Toprak Elementleri – Azrak Toprak Metalleri Özellikleri ve Hakkında Genel Bilgiler Verdik.

3 yorum

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.