آشنایی با عناصر نادر خاکی سبک و سنگین

عناصر نادر خاکی در گروه پانزده و سری لانتانیدها (به علاوه اسکاندیوم و ایتریوم) در جدول تناوبی قرار دارند و براساس شعاع یونی به دو گروه اصلی عناصر نادر خاکی سبک از لانتان تا ساماریوم و عناصر نادر خاکی سنگین از یوروپیوم تا لوتتیوم تقسیم می‌شوند.

این عناصر به صورت گروهی و با خواص فیزیک و شیمیایی مشابه در برخی کانی‌ها موجودند. خواص منحصر به فرد این عناصر سبب شده است که کاربرد و جایگاه مهمی در صنایع مختلف نظیر خودروسازی، نظامی، الکترونیک و… پیدا کنند.

در سال 2015 سازمان زمین‌شناسی آمریکا اعلام کرد که در سال 2014 حدود 130 میلیون تن ذخیره عناصر نادر خاکی کشف شده و درخواست جهانی برای اکسید این عناصر در سال 2014 از 120148 تن در سال به 150766 تن در سال 2020 خواهد رسید که افزایش 9/3 درصدی تقاضا را نشان می‌دهد.

بر طبق گزارش سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا در سال 2012 فراوانی عناصری از عناصر نادر خاکی که عدد اتمی کمتری دارند در پوسته زمین بیشتر است و این عناصر را می‌توان از کانی‌هایشان به عنوان محصول اصلی و یا جانبی استحصال کرد.

کانی‌های این عناصر در سرار جهان پراکنده بود اما بیشترین ذخایر آنها در کشورهای چین، هند، مالزی، استرالیا و روسیه واقع است. با افزایش رو یه رشد نیاز به این عناصر دولت چین علی رغم دارا بودن ذخایر زیاد از این عناصر سیاست واردات را در دستور کار خود قرار داده که این سبب افزایش قیمت این عناصر گردیده است.

این عناصر برای اولین بار در سال 1969 در استان جیانجی چین کشف شد که پراکندگی زیاد و خاصیت رادیواکتیویته کمی داشتند. تاکنون 250 نوع کانی از این عناصر شناخته شده که پایدارترین کانی‌های آنها چهار کانی باستانسیت، مونازیت و زنوتایم هستند. در میان کانی‌های معرفی شده برای این عناصر ماسه‌های مونازیتی در سنگ‌های آذرین اسیدی و رگه‌ای شامل 12-4% اکسید توریوم، 30-20% اکسید سریم و 40-10% اکسید لانتانیوم است. برای استحصال این عناصر از ماسه‌های مونازیتی روش‌های مختلفی نظیر ثقلی ، فلوتاسیون، لیچینگ و… وجود دارد.

عناصر نادر خاکی شامل 15 عنصر لانتایدی با عدد اتمی 57 تا 71 و دو عنصر ایتریم و اسکاندیم می‌باشند که مهمترین کانی‌های آنها مونازیت، زیرکن، آلانیت و بایدلیت است. این عناصر به دو گروه عناصر نادر خاکی سبک که شامل هفت عنصر اول با عدد اتمی 57 تا 63 بوده و عناصر نادر خاکی سنگین شامل عناصر با عدد اتمی 64 تا 71 تقسیم می‌شوند.

• در این تقسیم‌بندی ایتریم با وجود اینکه سبک است جزء عناصر نادر سنکین محسوب می‌شود زیرا خصوصیات آن به عناصر نادر خاکی سنگین نزدیک‌تر است.
• بدلیل خواص شیمیایی مشابه، این عناصر به سختی جدا و با هزینه زیاد جداسازی می‌شوند.
• مصارف عمده این عناصر در پالایشگاه نفت خام، صنایع شیشه و سرامیک، تولید لامپ تصویر تلویزیون، تهیه آهن رباهای دائمی، ترکیبات ساینده و… است.
• حدود 95 درصد کاربرد این عناصر به صورت ترکیب بوده و بیشترین کاربرد آن به عنوان کاتالیزور در پالایشگاه نفت خام است.

 

معرفی جداگانه عناصر نادر خاکی:

اسکاندیوم

اسکاندیوم عنصر اول دوره چهارم و گروه سوم جدول تناوبی یوده و دارای عدد اتمی 21 است. این عنصر به رنگ نقره‌ای – سفید است و بیشترین کاربرد آن به عنوان آلیاژ آلومینیوم در صنایع هوایی و نظامی است. پس از آن بیشترین کاربرد این عنصر در حوزه تولید لامپ‌های فلوئورسانس و کم مصرف است.

 

ایتریوم

ایتریوم عنصر اول دوره پنچم جدول تناوبی با عدد اتمی 39 است که در گروه سوم قرار دارد. ایتریوم به رنگ نقره‌ای – متالیک است. بیشترین کاربرد آن در لیزر، آلیاژ تجهیزات پزشکی و ابررساناها است.

 

لانتانیوم

لانتانیوم عنصر اول لانتانیدها در دوره ششم جدول تناوبی با عدد اتمی 57 است که در گروه سوم قرار دارد. لانتانیوم به رنگ نقره‌ای – سفید متالیک است و کاربرد آن در عینک‌های طبی، باطری‌ها و موتورهای هیبریدی، آلیاژ و کاتالیست در فرایند کراکینگ نفت است.

 

سریوم

سریوم دومین لانتانید است که در دوره ششم جدول تناوبی دارای عدد اتمی 58 است. این عنصر فراوان‌ترین عنصر عناصر نادر خاکی بوده که به رنگ نقره‌ای – سفید درخشان است. کاربردهای این عنصر در سلول‌های خورشیدی، شیشه‌های صیقلی، مغناطیس، تولید رنگ، آلیاژ و کاتالیست است.

 

پراسئودیمیوم

پراسئودیمیوم سومین عنصر لانتانیدها در دوره ششم با عدد اتمی 59 است. این عنصر نرم، نقره‌ای، چکش‌خوار و هادی است. کاربرد اصلی آن تهیه مغناطیس دائمی، موتور فضاپیما، آلیاژ و پرتو نگاری است.

 

نئومیدیوم

نئومیدیوم چهارمین عنصر لانتانیدها در دوره ششم جدول تناوبی با عدد اتمی 60 است. این عنصر نرم، نقره‌ای رنگ است که کاربرد آن در تهیه مغناطیس دائمی، کاتالیست و موتورهای هیبریدی است.

 

پرومتیوم

پرومتیوم نایاب‌ترین عنصر لانتانیدها است که در دوره ششم دارای عدد اتمی 61 است. بدلیل ناپایداری این عنصر، کاربرد آن همچنان در دست تحقیقات است.

 

ساماریوم

ساماریوم ششمین عنصر لانتانیدها است که در دوره ششم جدول تناوبی دارای عدد اتمی 62 است. ساماریوم یک فلز نقره‌ای رنگ است که در صنایع دفاعی، پزشکی، تهیه داروهای ضد سرطان و تولید مغناطیس دائمی کاربرد دارد.

 

یوروپیوم

یوروپیوم هفتمین عنصر لانتانیدها است که در دوره ششم جدول تناوبی قرار داشته و عدد اتمی آن 63 است. یوروپیوم یک فلز نقره‌ای با سختی متوسط است که کاربرد آن سلول‌های آشکار ساز نظیر رنگ سبز و قرمز تلویزیون و میله‌های کنترل کننده صنایع هسته‌ای است.

 

گادولینیوم

گادولینیوم هشتمین عنصر لانتانیدها با عدد اتمی 64 در دوره ششم جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر در رده عناصر نادر خاکی سنگین قرار داشته و یک فلز نقره‌ای – سفید چکش خوار و هادی است که در راکتورهای صنایع هسته ای ، مغناطیس و آلیاژ های بسیار مقاوم کاربرد دارد.

 

تربیوم

تربیوم در دوره ششم جدول تناوبی با عدد اتمی 65 نهمین عنصر لانتانیدها است. این عنصر سخت، نقره‌ای – سفید است و کاربرد اصلی آن تهیه مغناطیس است.

 

دیسپروسیوم

دیسپروسیوم دهمین عنصر لانتانیدها در دوره ششم جدول تناوبی قرار داشته و عدد اتمی 66 دارد. دیسپروسیوم به رنگ نقره‌ای متالیک درخشان است و کاربرد‌های آن در تهیه مغناطیس، آلیاژ، راکتورهای هسته ای و خودروهای هیبریدی است.

 

هولمیوم

هولمیوم یازدهین عنصر لانتانیدها در دوره ششم جدول تناوبی بوده که دارای عدد اتمی 67 است. هولمیوم نرم، چکش‌خوار و به رنگ نقره‌ای – سفید است که مهمترین کاربردهای آن در تولید مغناطیس، راکتورهای هسته‌ای، تجهیزات پزشکی و فیبر نوری است.

 

اربیوم

اربیوم عنصر دوازدهم لانتان‌ها در دوره ششم جدول تناوبی و دارای عدد اتمی 68 است. این فلز نقره‌ای – سفید در تجهیزات پزشکی، راکتورهای هسته‌ای و اپتیک کاربرد دارد.

 

تولیوم

تولیوم در دوره ششم جدول تناوبی سیزدهمین لانتان بوده و دارای عدد اتمی 69 و به رنگ نقره‌ای – خاکستری روشن درخشان است. این عنصر در لیزر و منابع اشعه ایکس کاربرد دارد.

 

ایتربیوم

ایتربیوم با عدد اتمی 70 در دوره ششم جدول تناوبی چهاردهین عنصر لانتانیدها بوده که یک فلز نرم، هادی و چکش‌خوار نقره‌ای رنگ درخشان است. این عنصر به عنوان مواد آتش‌زا و آلیاژ تجهیزات پزشکی کاربرد دارد.

 

لوتتیوم

لوتتیوم آخرین و پانزدهین عنصر لانتانیدها است که در دوره ششم جدول تناوبی قرار داشته و دارای عدد اتمی 71 است. این عنصر به رنگ نقره‌ای بوده و در بین لانتانیدها کوچک‌ترین اتم را داشته که به عنوان کاتالیست کاربرد دارد.

 

 

عنصر	نماد شیمیایی	عدد اتمی	فراوانی
لانتانیوم	La	57	30
سریوم	Ce	58	64
پراسئودیمیوم	Pr	59	1/7
نئودیمیوم	Nd	60	26
پرومتیوم	Pm	61	ناپایدار و نامعلوم
ساماریوم	Sm	62	5/4
یوروپیوم	Eu	63	88/0
گادولینیوم	Gd	64	8/3
تربیوم	Tb	65	64/0
دیسپروسیوم	Dy	66	5/3
هولمیوم	Ho	67	80/0
اربیوم	Er	68	3/2
تولیوم	Tm	69	33/0
ایتربیوم	Yb	70	2/2
لوتتیوم	Lu	71	32/0
اسکاندیوم	Sc	21	6/13
ایتریوم	Y	39	22

جدول1-1-عناصر نادر خاکی ، عدد اتمی و فراوانی در پوسته زمین

 

کانی شناسی عناصر نادر خاکی:

عناصر نادر خاکی از گوشته نشات گرفته و در پوسته تغلیظ می‌شوند. کربناتیت‌ها و سنگ‌های آذرین قلیایی بیشترین غنی شدگی از عناصر نادر خاکی را داشته که هوازدگی آنها سبب تشکیل کانسارهای رسوبی نظیر لاتریت‌ها و رس‌های حاوی عناصر نادر خاکی می‌گردد. انتقال این مواد در حوضه‌های رسوبی، تشکیل کانسارهایی نظیر پلاسرها، فسفریت ها و ندول های کف دریا را می‌دهد.

فراوانی این عناصر بطور قابل توجهی بیشتر از جیوه و عناصر گروه پلاتین است و سه کانی اصلی این عناصر که 95 درصد ذخایر آنها را تشکیل می‌دهد باستانزیت، مونازیت و زنوتایم هستند.

 

کانی	فرمول شیمیایی	فراوانی
آئسچینیت	(Ce,Ca,Fe,Th)(Ti,Nb)2(O,OH)6	32
آلانیت	(Ce,Ca,Y)2(Al,Fe)3(SiO4)3(OH)	38
آپاتیت	Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)	19
باستانزیت	(Ce,La)(CO3)F	75
برانریت	(U,Ca,Ce)(Ti,Fe)2O 6	9
بریتولیت	(Ce,Ca,Th,La,Nd)5(SiO4,PO4)3(OH,F)	32
ائودیالیت	Na4(Ca,Ce)2(Fe,Mn,Y)ZrSi8O22(OH,Cl)2	9
ائوزنیت	(Y,Ca,Ce)(Nb,Ta,Ti)2O 6	24
فرگوسونیت	(Ce,La,Nd)NbO 4	53
گادولینیت	Y2Fe2Be2Si2O 01	60
کاینوسیت	Ca2(Y,Ce)2Si4O02(CO3)(H2O)	38
لوپاریت	(Ce,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O 6	30
مونازیت	(Ce,La,Nd,Th)(PO4)	65
پاریسیت	Ca(Ce,La)2(CO3)3F 2	61
زنوتایم	YbPO 4	61
ایتروسریت	CaF2(Y,Ce)F 3	53
هوآنگویت	BaCe(CO3)2F	39
سبائیت	Ba3Ce2(CO3)5F 2	32
فلورنسیت	(La,Ce)Al3(PO4)2(OH)6	32
سینچیسیت	CaCe(CO3)2F	51
سامارسکیت	(Y,Fe,U)(Nb,Ta)5O 4	24

جدول 2-1-کانی های عناصر نادر خاکی

کانی مونازیت:

نام مونازیت از واژه یونانی به معنای در انزوا بودن گرفته شده و کنایه از کمیاب بودن آن است. این کانی بی‌رنگ و با سیستم تبلور مونوکلینیک است. سختی آن بین 5 تا 5/5 و وزن مخصوص آن 6/4 تا 4/5 است. این کانی در اسید کلریدریک حل و در حرارت با اسید سولفوریک غلیظ تجزیه می‌شود. مونازیت یک کانی شامل عناصر نادر و فسفات‌ها بوده که منبع اصلی توریوم محسوب می‌شود. ترکیب شیمیایی این کانی به فرم زیر است:

(Ce , La , Nd , Th , Y)PO₄

 

کانی باستنانزیت:

باستنانزیت توسط شیمیدان سوئدی بنام ویلهلم هایسینگر در سال 1838 کشف شد. نام این کانی از معدن باستناس سوئد گرفته شده است. باستنانزیت به رنگ زرد عسلی تا قهوه‌ای قرمز بوده و سیستم تبلور آن هگزاگونال است. درجه سختی این کانی 4 تا 5 و وزن مخصوص آن 5 است. این کانی در اسید حل شده و قابل اشتعال است. محل اکتشاف این کانی معمولا در سنگ‌های گرانیتی و پگماتیتی است. فرمول شیمیایی این کانی به فرم زیر است:

(Ce , La)CO₃F

 

کانی زنوتایم:

زنوتایم برای اولین بار در سال 1832 در نروژ کشف شد. زنوتایم دارای سیستم تبلور تتراگونال و جزء کانی‌های فسفاته است. سختی آن حدود 5/4 و وزن مخصوص آن 4/4 تا 1/5 است. این کانی عموما در پگماتیت‌ها و گنایس‌های غنی از میکا یافت شده و فرمول آن به صورت زیر است:

YPO₄

 

کانی آلانیت:

آلانیت از گروه اپیدوت‌ها بوده و دارای فرمول شیمیایی Ca(Y , Ce)(Fe²⁺Al₂)(SiO₄)₃(OH) به رنگ به رنگ سیاه یا قهوه‌ای است. این کانی دارای سختی 5 تا 6 و وزن مخصوص 3 تا 4 گرم بر سانتی‌مترمکعب است. سیستم تبلور این کانی منوکلینیک بوده و به عنوان کانی فرعی در کنار گرانیت‌ها، نفلین سینیت‌ها، گرانودیوریت‌ها و… یافت می‌شود.

 

کانی یوکسنیت:

این کانی در سال 1840 توسط بی. ام. کیلهان نروژی کشف شد. این کانی دارای سیستم تبلور ارترومبیک به رنگ سیاه مایل به قهوه‌ای است. سختی  آن 5/6-5/5 و وزن مخصوص آن 9/5-5 است این کانی کمیاب بوده و درای فرمول شیمیایی زیر است:

(Y , Ca , Ce , U , Th)(Nb , Ta , Ti)₂O₆

 

کانی فرگوسونیت:

این کانی در سال 1806 توسط جیسیچ کشف شد. فرگوسونیت به رنگ سیاه مایل به قهوه‌ای و دارای فرمول شیمیایی (Y , Ce , U , Th , Ca)(Nb , Ta , Ti)O₄ است. این کانی نیمه فلزی دارای سیستم تبلور تتراگونال، سختی 5/6-5/5 و وزن مخصوص 5/7-2/4 است.

 

کانی فلورنسیت:

کانی فلورنسیت با فرمول شیمیایی REE,Al₃(PO₄)₂(OH)₆ بی‌رنگ تا زرد خالص بوده و دارای سختی 6-5 و وزن مخصوص 5/3 گرم بر سانتی متر مکعب است.

 

کانی گادولینیت:

کانی گادولینیت به رنگ سیاه تا سیاه مایل به سبز یا قهوه‌ای، سختی 7-5/6، وزن مخصوص 5/4-4 گرم بر سانتی‌متر مکعب و سیستم تبلور منوکلینیک است. فرمول شیمیایی این کانی به شکل زیر است:

Be₂FeY₂Si₂O₁₀

 

کانی لوپاریت:

لوپاریت با فرمول شیمیایی (Ca , Ce , N)₂(Nb _, Ti)₂O₆ به رنگ قهوه‌ای تا سیاه با وزن مخصوص 77/4 گرم بر سانتی متر مکعب، سختی 5/5 و سیستم تبلور ارترومبیک است.

 

کانی توریت:

کانی توریت با فرمول شیمیایی ThSiO₄ به رنگ سیاه، قهوه‌ای یا زرد-نارنجی با سختی 5-5/4 و وزن مخصوص 7/6-5/4 گرم بر سانتی متر مکعب و سیستم تبلور تتراگونال است.

 

کانی اورانوتوریت:

اورانوتوریت به رنگ قهوه‌ای تیره تا زرد-زیتونی و فرمول شیمیایی (U,Th)SiO₄، دارای سیستم تبلور تتراگونال، سختی 5-4 و وزن مخصوص 7-6 گرم بر سانتی‌متر مکعب است.

 

ذخایر عناصر نادر خاکی در جهان

حدود یک میلیون تن ذخیره از عناصر نادر خاکی در جهان تخمین زده شده است که در بیش از سی کشور پراکنده‌اند. ذخایر باستنازیت در چین و آمریکا بیشترین درصد منابع عناصر نادر خاکی در جهان را دارا می‌باشند. ذخایر مونازیت در چین، استرالیا، هند، مالزی، تایلند، آفریقای جنوبی، برزیل و سریلانکا از مهمترین ذخایر این عناصر در جهان می‌باشند. در دهه 1990 چین شروع به تولید وسیع این عناصر و صادرات آن به قیمت کم کرد و هم اکنون این کشور 97 درصد تقاضای جهان برای این عناصر را تامین می‌کند.

 

ذخایر عناصر نادر خاکی در ایران

در ایران منابع اولیه عناصر نادر خاکی (باستنازیت، مونازیت و زنوتیم) وجود ندارد ولی مطالعاتی در ذخایر ثانویه این عناصر در کانسارهای آهن – آپاتیت تیپ کایرونا، پلاسرها، بوکسیت‌ها و زغال‌سنگ‌ها انجام شده است. در ایران مرکزی در کنار ذخایر آپاتیت‌، عناصر نادر خاکی به وفور یافت می‌شوند و عناصر تشکیل دهنده آنها لانتانیوم، سریم، نئودیمیم، ایتریوم، گادولینیوم، ساماریوم و پروسیدیمیم است. این کانسارها در معادن چغارت، لکه سیاه، زریگان، میشدوان، چاه گز و اسفوردی یافت شده‌اند و از مزایای این کانسارها در سطح قرار داشتن این عناصر است.

مطالعه بر روی عناصر نادر خاکی در پلاسر مروست نشان داد که اگر این عناصر توجیه اقتصادی نداشته و عیار مونازیت 150 گرم در تن است.

بررسی کانی شناسی کانسار بوکسیت جاجرم حاکی از حضور این عناصر همراه با آهن و فسفر در این کانسار است.

مطالعه بر روی زغالسنگ البرز (کارمزد، لوشان، شاهرود) و ایران مرکزی نشان داد که عیار عناصر نادر خاکی در زغالسنگ‌های ایران مناست است.

 

روند بازار و اقتصاد عناصر نادر خاکی

در سال 1990 با شروع تولید کشور چین در مقیاس وسیع و عرضه و صادرات آن به دیگر کشور ها قیمت این عناصر کاهش یافت اما در سال 2010 با افزایش تقاضا و عدم صادرات کشور چین این قیمت این عناصر رو به افزایش نهاد.

 

اثرات زیست محیطی عناصر نادر خاکی

مهم‌ترین مسئله زیست محیطی در رابطه با ذخایر عناصر نادر خاکی این مسئله است که این عناصر اغلب همراه مواد رادیواکتیو هستند و رعایت مسائل زیست محیطی آنها بسیار مهم است. عناصر نادر خاکی به طرق مختلف و عمدتا در اثر صنایع تولید کننده نفت در محیط پراکنده می شوند.

همچنین این عناصر از طریق دور ریختن لوازم خانگی فرسوده وارد محیط زیست شده و به تدریج در خاک تجمع پیدا کرده و نهایتا وارد بدن جانداران و انسان می شود. این عناصر به ویژه اگر به مدت طولانی استنشاق شوند باعث انسداد ریه و ایجاد سرطان و مشکلات کبدی می شود. بیشتر این عناصر سمی بوده و از طریق پوست بدن جذب و سبب مرگ می شوند.اثرات زیست محیطی تعدادی از این عناصر به شرح زیر است:

1. سریم: این عنصر دارای سمیت ضعیف تا متوسط است که در دمای 80-65 درجه سانتی گراد می سوزد. دود حاصل از سوختن سریم سمی است. کارگرانی که با سریم سروکار دارند عمدتا دارای علائمی نظیر خارش و حساسیت به گرما را دارند.
2. لانتانیوم: یکی از دلایل بیماری های تنفسی در معادن و کارخانجات عنصر لانتانیوم بوده که دارای مسمومیت ضعیف تا متوسط است و سبب کاهش فشار خون ، مشکلات طحال و کبدی می شود.