લૅન્થેનમ

લૅન્થેનમ : આવર્તક કોષ્ટકના ત્રીજા (અગાઉના III A) સમૂહનું રાસાયણિક ધાતુ-તત્ત્વ. સંજ્ઞા La. તે સિરિયમ ઉપસમૂહનું બીજા નંબરનું સૌથી વધુ વિપુલતા ધરાવતું વિરલ મૃદા (rare earth) તત્ત્વ ગણાય છે. 1839માં કાર્લ ગુસ્તાફ મૉસાન્ડરે સિરિયમ નાઇટ્રેટમાંથી એક (છુપાયેલી) અશુદ્ધિ તરીકે લૅન્થેનમ ઑક્સાઇડનું નિષ્કર્ષણ કર્યું હતું અને તેને લેન્થેના (ગ્રીક, છુપાયેલ) નામ આપ્યું હતું. પૃથ્વીના પોપડાના ખડકોમાં તેનું પ્રમાણ દસ લાખ ભાગે 35 (ppm) જેટલું છે. તેની શોધ પછી સો-સવાસો વર્ષ સુધી તેનો ખાસ ઉપયોગ થયો ન હતો.

ઉપસ્થિતિ (occurrence) : પૃથ્વીના પોપડામાં લૅન્થેનમનું પ્રમાણ 0.0018 % જેટલું છે. મોનેઝાઇટ, બેસ્ટ્નેસાઇટ (bastnasite), એલેનાઇટ (allanite) અને સિરાઇટ એ લૅન્થેનમ ધરાવતી મુખ્ય ખનિજો છે. વ્યાપારી ઉત્પાદન માટે પ્રથમ બે અગત્યની ગણી શકાય. મોનેઝાઇટ એ વિરલ મૃદા-થૉરિયમ ફૉસ્ફેટ ખનિજ છે અને ભારત, બ્રાઝિલ, દક્ષિણ આફ્રિકા, ઑસ્ટ્રેલિયા, યુ.એસ. વગેરે દેશોમાં મળી આવે છે. બેસ્ટ્નેસાઇટ એ ઓછો ફ્લોરાઇડ અને વધુ કાર્બોનેટ ધરાવતો હોઈ ઔદ્યોગિક પ્રક્રમણ માટે સરળ છે. એલેનાઇટ એ વિરલ મૃદા-કૅલ્શિયમ-આયર્ન-ઍલ્યુમિનિયમ સિલિકેટ છે. સિરાઇટ એ મુખ્યત્વે સ્વીડનમાં મળી આવતા અને 50-70 % સિરિયમ સમૂહનાં તત્ત્વો ઉપરાંત કૅલ્શિયમ અને આયર્ન ધરાવતી ખનિજ છે, પણ તેની વિપુલતા ઓછી છે.

નિષ્કર્ષણ : લૅન્થેનમ ધરાવતી મોનેઝાઇટ ખનિજને સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ સાથે ગરમ કરવાથી ખનિજનું રાસાયણિક ભંજન થાય છે. પ્રક્રિયામિશ્રણમાં આધિક્યમાં પાણી ઉમેરવાથી લૅન્થેનમ સલ્ફેટ ઓગળે છે, જ્યારે મોનેઝાઇટમાંનાં વિરલ મૃદા તત્ત્વો સાથે જતા થૉરિયમનું પાયરોફૉસ્ફેટ રૂપે અવક્ષેપન કરવામાં આવે છે. થૉરિયમ મુક્ત દ્રાવણમાંથી લૅન્થેનમનું ઑક્ઝેલેટ અથવા સોડિયમ લૅન્થેનમ દ્વિક્ષાર તરીકે અવક્ષેપન કરવામાં આવે છે.

બેસ્ટ્નેસાઇટ ખનિજને કચરી, દળી, પ્લવન (floatation) પ્રવિધિ વડે સંકેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે. ગાંગડાઓને ભૌતિક રીતે અલગ કરી મંદ હાઇડ્રોક્લૉરિક ઍસિડ વડે નિક્ષાલન કરી નિસ્તાપન કરવાથી 90 % વિરલ મૃદા ઑક્સાઇડ મળે છે. ખનિજ ઍસિડ સાથે આવી પ્રક્રિયા કર્યા બાદ લૅન્થેનમને ઑક્ઝેલેટ કે ફ્લોરાઇડ તરીકે મેળવવામાં આવે છે.

દ્વિતીય વિશ્વયુદ્ધ અગાઉ લેન્થનમના અલગન માટે તેના ક્ષારોનું વિભાગીય (fractional) સ્ફટિકીકરણ એ મુખ્ય પદ્ધતિ હતી. જોકે તે કંટાળાજનક હતી અને અંતિમ નીપજ શુદ્ધ મળતી ન હતી. આ માટે લૅન્થેનમના એમોનિયમ નાઇટ્રેટ દ્વિક્ષાર(double salt)નો ઉપયોગ થતો. આ ક્ષારની સાંદ્રતા સૌથી વધુ અદ્રાવ્ય અંશો(fractions)માં વધતી જાય છે.

લૅન્થેનમના અલગન માટેની આધુનિક પદ્ધતિઓમાં સૌથી અગત્યની ટેક્નિક આયન-વિનિમયની છે. યોગ્ય રેઝિનના સ્તરો (beds) ઉપર લૅન્થેનમ-આયનોનું હાઇડ્રોજન આયન વિનિમય દ્વારા શોષણ થાય છે. આ સ્તર ઉપર તબક્કાવાર સંકીર્ણકારક પદાર્થ પસાર કરવાથી આયનો વરણાત્મક રીતે દૂર થાય છે. ઔદ્યોગિક પદ્ધતિઓમાં ક્યુપ્રિક અવસ્થાવાળા રેઝિન ધરાવતા સ્તર ઉપર નાઇટ્રિલો-ટ્રાઇએસિટેટ અથવા ઇથિલીનડાઇએમાઇન ટેટ્રાએસિટેટવાળી ઍસિડી કિલેટ-ક્ષાલન (acid chelate elutions) વિધિનો ઉપયોગ થાય છે. આયન-વિનિમય રીત દ્વારા અંતિમ નીપજ તરીકે મેળવાતા લૅન્થેનમ ઑક્સાઇડની શુદ્ધતા 99.999 % સુધી પ્રાપ્ત થઈ છે.

પ્રવાહી-પ્રવાહી નિષ્કર્ષણ(liquid-liquid extraction)ની ટૅકનિક પણ આધુનિક પદ્ધતિ ગણાય છે. લેન્થેનાઇડોના મોટાભાગના ત્રિકધનાત્મક (tripositive) આયનયુગ્મો જલીય નાઇટ્રેટ માધ્યમમાંથી ઘણા કાર્બનિક પ્રવાહીઓ (દા.ત., ટ્રાઇ-n-બ્યુટાઇલ ફૉસ્ફેટ) વડે ઝડપથી દૂર થાય છે. જોકે આ પદ્ધતિ આયન-વિનિમય પદ્ધતિ સામે હરીફાઈમાં ઊભી રહી શકે તેમ નથી. આથી તેનો વપરાશ લેન્થેનાઇડો પૈકી સીરિયમ, થૉરિયમ અને લૅન્થેનમના શુદ્ધીકરણ માટે થાય છે.

તેનાં સંયોજનોમાંથી લૅન્થેનમ ધાતુ મેળવવા માટેની બે મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે : મેટલોથર્મિક (metallothermic) અપચયન અને પિગલિત (fused) ક્ષારોનું વિદ્યુતવિભાજન વ્યાપારિક દૃષ્ટિએ ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળી ધાતુ મેળવવા માટે પ્રથમ પદ્ધતિ વપરાય છે. આ માટે લૅન્થેનમ ઑક્સાઇડ વાપરી 300°થી 400° સે.એ નિર્જળ (anhydrous) હેલાઇડ બનાવવામાં આવે છે.

La₂O₃ + 6NH₄F.HF → 2LaF₃ + 6NH₄ F ↑  + 3H₂O ↑

La₂O₃ + 6NH₄Cl → 2LaCl₃ + 6NH₃ ↑ + 3H₂O ↑

આ હેલાઇડોનું આલ્કલી અથવા આલ્કલાઇન મૃદા (earth) ધાતુઓ વડે શૂન્યાવકાશમાં કે નિષ્ક્રિય વાયુની હાજરીમાં 1000° અને 1500° સે. વચ્ચે અપચયન થઈ શકે છે.

2LaF₃ + 3 Ca → 2 La + 3 CaF₂

LaCl₃ + 3 Li → La + 3 LiCl

આ રીતે 99.9 % શુદ્ધિવાળું લૅન્થેનમ મળે છે.

વિદ્યુતીય પદ્ધતિમાં પ્રથમ લૅન્થેનમ ટ્રાઇક્લોરાઇડને ઑક્સિજનમુક્ત વાતાવરણમાં ગરમ કરી લગભગ નિર્જળ નીપજમાં ફેરવવામાં આવે છે. વિદ્યુત-વિભાજન માટેના કોષો આયર્ન, કાર્બન અથવા ઉચ્ચતાપસહ(refractory) અસ્તરવાળા હોય છે. લૅન્થેનમ ટ્રાઇક્લોરાઇડમાં NaCl, KCl, અથવા CaCl₂ ઉમેરી, પિગાળી કોષમાં ભરવામાં આવે છે અને ઑક્સિજનની ગેરહાજરીમાં 800°થી 900° સે. તાપમાને કાર્બન અથવા ટંગસ્ટનના એનોડ વડે વિદ્યુત-વિભાજન કરવામાં આવે છે. આ રીતે 99.8 % જેટલી શુદ્ધિવાળી ધાતુ કોષના તળિયે એકઠી થાય છે.

ગુણધર્મો : લૅન્થેનમ નરમ અને ટીપાઉ (melleable) સફેદ ધાતુ છે. જોકે આ ગુણ ધાતુની શુદ્ધિની માત્રા તથા પૂર્વ-માવજત પર આધાર રાખે છે. તાજી કાપેલી ધાતુ ચાંદી જેવો ચળકાટ ધરાવે છે પણ તે ઝડપથી ઝાંખી પડે છે. વિરલ મૃદા તત્ત્વોમાં લૅન્થેનમ જ એક એવું તત્ત્વ છે કે જે (6 K તાપમાનથી નીચે) અતિવાહક છે. તેના કેટલાક ગુણધર્મો સારણીમાં આપ્યા છે.

લૅન્થેનમના કેટલાક ગુણધર્મો  

ગુણધર્મ	મૂલ્ય
પરમાણુભાર	138.9055
પરમાણુક્રમાંક	57
ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ	[Xe]5d16s2
કુદરતી વિપુલતા (%)	0.0018
કુદરતી સમસ્થાનિકો	2
પરમાણ્વીય કદ (ઘ.સેમી./મોલ)	22.35
વિદ્યુત-ઋણતા	1.1
ગલનબિંદુ (°સે.)	920
ઉત્કલનબિંદુ (°સે.)	3420
આયનિક ત્રિજ્યા (6 ઉપ-સહસંયોજકતા) (પિમી.)	103.2
પ્રમાણભૂત વીજધ્રુવવિભવ E° [M3+ + 3e = M(s)]	2.37
ઘનતા (20° સે.) (ગ્રા./ઘ.સેમી.)	6.17
વિદ્યુતીય અવરોધકતા (20° સે.) (μ-ઓહ્મ-સેમી.)	57-80
ગલનની ગુપ્ત ગરમી, ΔHfus (કિ.જૂ./મોલ)	8.5
બાષ્પીભવનની ગુપ્ત ગરમી, ΔHvap (કિ.જૂ./મોલ)	402

તેની શ્રેણીમાંનાં ત્રિસંયોજક તત્ત્વો પૈકી લૅન્થેનમ સૌથી વધુ પારમાણ્વિક (atomic) (અને આયનિક, ionic) આમાપ (size) ધરાવે છે અને સૌથી પ્રબળ અપચયનકારી તત્ત્વ છે. હવામાં તેનું ઝડપથી ઉપચયન (oxidation) થાય છે અને 400° સે.એ તે સળગી ઊઠે છે. ભેજવાળી હવામાં તેનું સંક્ષારણ (corrosion) થાય છે. તે ઍસિડમાંથી હાઇડ્રોજન મુક્ત કરી દ્રાવ્ય બને છે; જ્યારે ગરમ પાણીનું વિઘટન કરી લૅન્થેનમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ બનાવે છે અને હાઇડ્રોજન મુક્ત કરે છે.

હાઇડ્રોજન સાથે તે અંતરાકાશી (interstitial) હાઇડ્રાઇડ બનાવે છે. કાર્બન, સિલિકન, ફૉસ્ફરસ, બોરોન, આર્સેનિક, સેલિનિયમ અને ટેલ્યુરિયમ સાથે તે સીધું સંયોજાય છે. હેલોજનની બાષ્પમાં 200° સે. કરતાં વધુ ગરમ કરતાં તે જોરથી સળગી ઊઠે છે. પીગળેલ લૅન્થેનમ મૅગ્નેશિયા, ઍલ્યુમિના, થોરિયા જેવા ઑક્સાઇડોનું ઊંચા તાપમાને અપચયન કરે છે.

સંયોજનો : લૅન્થેનમના અલગન માટેની સારી રીતો શોધવા અને વ્યાપારી ઉપયોગ થઈ શકે તે માટે તેનાં સેંકડો સંયોજનો બનાવવામાં આવ્યાં છે. સામાન્ય અકાર્બનિક તથા કાર્બનિક સંયોજનો ઉપરાંત તે કાર્બધાત્વિક (organometallic) સંયોજનો પણ બનાવે છે.

લૅન્થેનમ સેસ્ક્વિઑક્સાઇડ (લેન્થેના) એ અગત્યનું સંયોજન છે. ધાતુને બાળીને અથવા તેના ઑક્ઝલેટ, કાર્બોનેટ, હાઇડ્રૉક્સાઇડ, નાઇટ્રેટ કે સલ્ફેટના જ્વલનથી તે મેળવી શકાય છે. આ સફેદ ઑક્સાઇડ લગભગ ચૂના (CaO) જેટલો બેઝિક (basic) છે અને હવામાંથી કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ તથા ભેજનું શોષણ કરે છે. તેનું ગ.બિં. 2300° સે. જેટલું ઊંચું હોઈ ઊંચા તાપમાને કામ આપે તેવા ઉચ્ચ-તાપસહ પદાર્થ તરીકે ઉપયોગી નીવડે છે. લેન્થેનાનો ઉષ્મીય ન્યૂટ્રૉન આડછેદ નીચો હોઈ તે થોરિયા, યુરેનિયા અને પ્લૂટોનિયા ઇંધનો માટે આદર્શ મંદક (diluant) બની રહે છે.

લૅન્થેનમના હેલાઇડ પૈકી ક્લોરાઇડ પેટ્રોલિયમના વિભંજનમાં ઉદ્દીપક તરીકે વપરાય છે. La3+ આયનો ધરાવતાં દ્રાવણોમાં સોડિયમ, પોટૅશિયમ કે એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરતાં લૅન્થેનમ હાઇડ્રૉક્સાઇડનું અવક્ષેપન થાય છે. યોગ્ય ઍસિડમાં હાઇડ્રૉક્સાઇડ કે ઑક્સાઇડને ઓગાળવાથી લૅન્થેનમના ક્ષારો સહેલાઈથી મેળવી શકાય છે. લૅન્થેનમના દ્વિ-નાઇટ્રેટ [La(NO₃)₃.2NH₄NO₃.4H₂O]નો ઉપયોગ અગાઉ વિભાગીય સ્ફટિકીકરણ માટે વધુ થતો હતો.

ઉપયોગો : લૅન્થેનમનો ઉપયોગ સ્વત: જ્વલનશીલ (pyrophoric) મિશ્ર ધાતુઓ બનાવવા, રૉકેટ માટેના નોદક (propellants) માટે, x-કિરણ માટેના પડદાના સંદીપકો(phosphors)માં, લાઇટર માટેની પથરી(flint)માં વપરાતી મિશ (misch) ધાતુ (25 % La) બનાવવામાં, ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓમાં તથા નિષ્કાસિત (exhaust) વાયુઓમાંના નાઇટ્રોજનના ઑક્સાઇડોનું અપચયન કરનાર ઉદ્દીપક તરીકે થાય છે. તેના ક્ષારો બનાવવામાં પણ તે વપરાય છે. શુદ્ધ લૅન્થેનમ ઑક્સાઇડ લેન્સના ઘટકો માટે ઓછું પરિક્ષેપણ (dispersion) અને ઉચ્ચ-વક્રીભવનવાળા કાચ બનાવવા ઉપયોગમાં લેવાય છે. તેનો ફ્લોરાઇડ ચાપ-પ્રકાશ (arc light) માટેના કાર્બનમાં અંતર્ભાગી દ્રવ્ય (core material) તરીકે વપરાય છે. લૅન્થેનમનો સૌથી વધુ ઉપયોગ જોકે ક્રૂડ તેલના વિભંજનમાં ઉદ્દીપક તરીકે થાય છે.

કલ્પેશ સૂર્યકાન્ત પરીખ