વિરલ મૃદ-તત્વો (rare earth elements)

વિરલ મૃદ–તત્વો (rare earth elements) : આવર્તક કોષ્ટકમાં આવેલા, પરમાણુક્રમાંક 21 (સ્કૅન્ડિયમ), 39 (ઇટ્રિયમ) અને 57 (લેન્થેનમ)થી 71 (લ્યુટેશિયમ) ધરાવતાં રાસાયણિક તત્વોનો સમૂહ. આ પૈકી 58થી 71 સુધીનાં તત્વોને લેન્થેનાઇડ તત્વો (અથવા લેન્થેનાઇડ) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ખરેખર તો વિરલ મૃદાઓ (rare earths) એ ખોટું નામ છે કારણ કે તેઓ ન તો વિરલ છે, ન મૃદાઓ. અગાઉના ગ્રીક લોકો એમ માનતા હતા કે વિશ્વમાંની દરેક વસ્તુ ચાર તત્વોની બનેલી છે : હવા, પાણી, પૃથ્વી (મૃદા) અને અગ્નિ. આ પૈકી મૃદાઓ એ એવા પદાર્થો હતા કે જેમને તે સમયે પ્રાપ્ય તાપમાનોએ ઉષ્મા દ્વારા રૂપાંતરિત કરી શકતા ન હતા. 19મી સદીની શરૂઆતમાં જે વિરલ મૃદાઓ શોધાઈ તે સામાન્ય મૃદાઓ (મૅગ્નેશિયમ, કૅલ્શિયમ અને ઍલ્યુમિનિયમના ઑક્સાઇડો) જેવી માલૂમ પડી હતી. વળી તેઓ કેટલીક વિરલ ખનિજોમાંથી મળી આવ્યાં હોવાથી તેમને માટે ‘વિરલ મૃદાઓ’ શબ્દપ્રયોગ કરવામાં આવેલો. ખરેખર તેઓ વિરલ નથી કારણ કે પૃથ્વીના પોપડામાં ટિન કરતાં સિરિયમની અને લેડ કરતાં યિટ્રિયમની વિપુલતા વધુ છે. વિરલ મૃદાઓ પૈકી અલ્પ પ્રમાણમાં મળી આવતા પ્રોમિથિયમ સિવાયનાં તત્વોની વિપુલતા પણ પ્લૅટિનમ-સમૂહની ધાતુઓ કરતાં વધુ છે.

લેન્થેનાઇડ શ્રેણીનાં તત્વોના સંશોધનનો ઇતિહાસ એક સદીથી પણ વધારે [1794માં ગેડોલિને ઇટ્રિયા (ઇટ્રિયમનો ઑક્સાઇડ) શોધ્યો ત્યાંથી માંડીને 1907માં લ્યુટેશિયમ ત્યાં સુધીના] સમયગાળાને આવરી લે છે. 1926માં આ શ્રેણીનું તત્વ પ્રોમિથિયમ પ્રયોગશાળામાં કૃત્રિમ રીતે બનાવવામાં આવ્યું. તેમની પૃથક્કરણીયતા(separa-bility)ને આધારે લેન્થેનાઇડોના બે ભાગ પાડવામાં આવ્યા છે :

(i) ‘સિરિયમ સમૂહ’ અથવા હલકી (light) મૃદાઓ [La(57)થી Eu (63) સુધીના]

(ii) ઇટ્રિયમ સમૂહ અથવા હલકી ધાતુઓ [ગેડોલિનિયમ, Gd(64)થી લ્યુટેશિયમ, Lu (71) Y(39)ને પણ આમાં ગણી લેવામાં આવે છે; કારણ કે તેની આયનિક ત્રિજ્યા સરખી છે અને તે વિરલ મૃદા ખનિજોમાં મુખ્ય તત્વ તરીકે મળી આવે છે.

જોકે લેન્થેનાઇડ શ્રેણી[Ce-58થી Lu(71)]ના બે ભાગ એ રીતે પાડવામાં આવે છે કે પ્રથમમાં Ce-58થી Gd (64) અને બીજામાં Tb(65)થી Lu (71) આવે. અહીં પ્રથમ વિભાગમાં 4f કક્ષકની દરેક પેટાકક્ષકમાં એક એક ઇલેક્ટ્રૉન અયુગ્મિત રહે તે રીતે દાખલ થાય છે જ્યારે બીજામાં નવો આવતો ઇલેક્ટ્રૉન ઇલેક્ટ્રૉન-યુગ્મ બનાવે છે.

ઉપસ્થિતિ : 147Pm કે જે યુરેનિયમની ખનિજોમાં અલ્પ પ્રમાણમાં મળી આવે છે તે સિવાયના લેન્થાનાઇડો ધરાવતા 100 જેટલાં ખનિજો જાણમાં છે પણ વ્યાપારી હેતુસર ફક્ત બે વધુ અગત્યનાં છે : મૉનેઝાઇટ અને બાસ્ટ્નેસાઇટ (Bastnaesite). તેમના નિક્ષેપો (deposits) દક્ષિણ ભારત, દક્ષિણ આફ્રિકા, બ્રાઝિલ, ઑસ્ટ્રેલિયા અને મલેશિયામાં મળી આવે છે. બાસ્ટ્નેસાઇટ (Bastnaesite) યુ.એસ.ના સીએરા નેવાડા પર્વતોમાં તેમજ ચીનમાંથી પણ મળી આવે છે. કેટલાંક ખનિજો સારણી(1)માં દર્શાવ્યા છે.

સારણી 1 : વિરલ મૃદ–તત્વોનાં કેટલાંક સામાન્ય ખનિજો

ખનિજ	અંદાજી સંઘટન
મૉનેઝાઇટ	CePO4, સાથે Th3(PO4)4
ઝેનોટાઇમ	YPO4
ગેડોલિનાઇટ	2BeO . FeO . Y2O3 . 2SiO2
બાસ્ટ્નેસાઇટ	CeFCO3
સમર્સ્કાઇટ	3(Fe, Ca, UO2)3O . Y2O3 . 3(Nb . Ta)2O5
ફર્ગ્યુસોનાઇટ	Y2O3 . (Nb . Ta)2O5
યુક્ઝેનાઇટ	Y2(NbO3)3 . Y2(TiO3)3. 11H2O
ઇટ્રોફ્લોરાઇટ (yttrofluorite)	2YF3 . 3CaF2

બનાવટ : અયસ્ક્ધાા પ્રસાધન(dressing)ની પ્રણાલિકાગત પદ્ધતિઓ દ્વારા ખનિજોને 90 % જેટલા શુદ્ધ સ્વરૂપમાં મેળવી શકાય છે. ખનિજોને વધુ ખુલ્લી કરવા તેમને ઍસિડ અથવા આલ્કલીની માવજત આપવામાં આવે છે. ઍસિડ-દ્રાવણોમાંથી વિરલ મૃદાઓને ઑક્ઝલેટ અથવા અન્ય અદ્રાવ્ય અવક્ષેપો રૂપે અલગ કરવામાં આવે છે. ઑક્ઝલેટનું દહન કરવાથી મિશ્ર ઑક્સાઇડ  મળે છે. ઘણી વાર ઍસિડ દ્રાવણમાંથી આયન-વિનિમય પદ્ધતિ દ્વારા તેમનું સીધું સંકેન્દ્રણ થઈ શકે છે. તેમના ગુણધર્મો સરખા હોવાથી અલગન માટે પ્રક્રમણ વારંવાર કરવું પડે છે. પ્રભાજન (fractionation), આયન-વિનિમય, પ્રવાહી-પ્રવાહી નિષ્કર્ષણ વગેરે વિધિઓ આ માટે ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

ગુણધર્મો : વિરલ મૃદ્-તત્વોના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણી 2માં દશાવ્યા છે.

સારણી 2 : વિરલ મૃદ્–તત્વોના કેટલાક ગુણધર્મો

નામ	સંજ્ઞા	પરમાણુ– ક્રમાંક	ઇલેક્ટ્રૉન– સંરચના	ઉપચયન– અવસ્થા	આયનિક ત્રિજ્યા (RE3+ મિમી)	ગલનબિંદુ (0° સે.)	ઉત્કલનબિંદુ (0° સે.)	ઘનતા (25° સે.) ગ્રા.સેમી3
સ્કૅન્ડિયમ	Sc	21	[Ar]3d14s2	+3	74.5	1539	2748	3.0
ઇટ્રિયમ	Y	39	[Kr]4d15s2	+3	90.0	1530	3264	4.5
લેન્થેનમ	La	57	[Xe]4f05d16s2	+3	103.2	920	3420	6.17
સીરિયમ	Ce	58	[Xe]4f15d16s2	+3, +4	102	798	3433	6.770
પ્રેસિયોડીમિયમ	Pr	59	[Xe]4f35d06s2	+3, +4	99	931	3520	6.773
નિયોડીમિયમ	Nd	60	[Xe]4f45d06s2	+2, +3	98.3	1021	3074	7.007
પ્રોમિથિયમ	Pm	61	[Xe]4f55d06s2	(+2), +3	97	1042	(3000)
સમેરિયમ	Sm	62	[Xe]4f65d06s2	(+2), +3	95.8	1074	1794	7.520
યુરોપિયમ	Eu	63	[Xe]4f75d06s2	+2, +3	94.7	822	1429	5.234
ગેડોલિનિયમ	Gd	64	[Xe]4f75d16s2	+3	93.8	1313	3273	7.900
ટર્બિયમ	Tb	65	[Xe]4f95d06s2	+3, (+4)	92.3	1365	3230	8.229
ડિસ્પ્રોસિયમ	Dy	66	[Xe]4f105d106s2	+3, (+4)	91.2	1412	2567	8.550
હોમિયમ	Ho	67	[Xe]4f115d06s2	+3	90.1	1474	2700	8.795
અર્બિયમ	Er	68	[Xe]4f125d06s2	+3	89.0	1529	2868	9.066
થુલિયમ	Tm	69	[Xe]4f135d06s2	(+2), +3	88.0	1545	1950	9.321
ઇટર્નિયમ	Yb	70	[Xe]4f145d06s2	+2, +3	86.8	819	1196	6.965
લ્યુટેશિયમ	Lu	71	[Xe]4f145d16s2	+3	86.1	1663	3402	9.840

4f અને 5d કક્ષકોની ઊર્જા લગભગ સમાન હોવાથી ઇલેક્ટ્રૉન 5d કક્ષકને બદલે 4f કક્ષકમાં જાય છે અને 5d કક્ષક ખાલી રહે છે. અર્ધી અને સંપૂર્ણ ભરાયેલી કક્ષકો વધારે સ્થાયી સ્થિતિ ધરાવે છે. તેથી ગેડોલિનિયમ Gd (64) અને લુટેશિયમ Lu(71)માં ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણી અનુક્રમે 4f⁷, 5d¹, 6s² અને 4f¹⁴, 5d¹, 6s² બને છે; કારણ કે 4f કક્ષકમાં મહત્તમ 14 ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે. તેથી અર્ધી ભરાયેલી 4f⁷ અને સંપૂર્ણ ભરાયેલી 4f¹⁴ કક્ષકો સ્થાયી ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવે છે.

આ તત્વો ચાંદી જેવી સફેદ ધાતુઓ રૂપે મળે છે. જે પ્રબળ ધનવિદ્યુતીય અથવા વિદ્યુતધનાત્મક (electropositive) ગુણધર્મો ધરાવે છે. આથી રાસાયણિક રીતે તેઓ સક્રિય હોય છે. પણ ઊંચાં પરમાણુભાર ધરાવતી વિરલ મૃદા ધાતુઓ નીચાં પરમાણુભાર ધરાવતી ધાતુઓ કરતાં ઓછી સક્રિય હોય છે. કારણ કે તેમની સપાટી પર ઑક્સાઇડનું પાતળું પડ બાઝી જાય છે. હવામાં ખુલ્લી રાખતાં અથવા ઑક્સિજનની હાજરીમાં ગરમ કરતાં તેમના પર ઑક્સાઇડનું પડ ઉત્પન્ન થતું હોવાથી તેમનો ધાત્વિક ચળકાટ ઝાંખો પડે છે. આ ધાતુઓ મૅગ્નેશિયમની સરખામણીમાં થોડી વધુ સક્રિય જ્યારે ઍલ્યુમિનિયમની સરખામણીમાં ઘણી વધુ સક્રિય હોય છે.

વિરલ મૃદ-તત્વોના રાસાયણિક ગુણધર્મો :

ઉપચયન સ્થિતિ : આ તત્વોની સ્થાયી ઉપચયન સ્થિતિ +3 છે; પરંતુ +2 અને +4 સ્થિતિ પણ જોવા મળે છે. Ce⁺⁴માં f⁰ ઇલેક્ટ્રૉન-રચના થવાથી તે સ્થાયી ક્ષાર બનાવે છે; જ્યારે Eu⁺² અને Tb⁺² અનુક્રમે અર્ધી ભરાયેલી 4f⁷ અને સંપૂર્ણ ભરાયેલી 4f¹⁴ ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવતા હોવાથી સ્થાયી ક્ષાર બનાવે છે.

સમાન ઉપચયન સ્થિતિ ધરાવવાને લીધે લેન્થેનાઇડ ક્ષારોના ગુણધર્મોમાં સામ્ય હોય છે.

સંકીર્ણ ક્ષાર બનાવવાની વૃત્તિ : વિરલ મૃદ્-તત્વોની આયનિક ત્રિજ્યા નાની હોવાથી તેઓ સંકીર્ણ ક્ષાર બનાવી શકે છે. વિરલ મૃદ્-તત્વોના ક્ષારો ઇથિલીન ડાઇએમાઇન ટેટ્રાએસિટિક ઍસિડ (EDTA) સાથે સ્થાયી સંકીર્ણ ક્ષારો આપે છે.

તે ઠંડા પાણી સાથે ધીમેથી અને ગરમ પાણી સાથે તીવ્રતાથી સંયોજાઈને ઑક્સાઇડ ક્ષાર બનાવે છે :

2Ln + 6H₂O → 2Ln(OH)₃ + 3H₂

(Ln = લેન્થેનાઇડ શ્રેણીનું તત્વ)

ક્ષારની બેઝિકતા સીરિયમથી લુટેશિયમ તરફ જતાં ઘટતી જાય છે.

તેમના ઑક્સાઇડ ક્ષારો બેઝિક ગુણધર્મ ધરાવે છે એ આયનિક હોય છે.

300° સે.થી 600° સે. તાપમાને હાઇડ્રોજન સાથે સંયોજાઈને હાઇડ્રાઇડ બનાવે છે :

2Ln + 3H₂ → 2LnH₃

હાઇડ્રાઇડ ક્ષારો 900° C તાપમાન સુધી સ્થાયી હોય છે; પાણીથી વિઘટન પામે છે અને O₂ સાથે પ્રક્રિયા કરે છે.

CeH₂ + 2H₂O → CeO₂ + H₂

વિરલ મૃદા ધાતુઓના હેલાઇડ ક્ષારો તત્વની હેલોજન સાથેની પ્રક્રિયાથી અથવા એમોનિયમ હેલાઇડ સાથે ઑક્સાઇડની પ્રક્રિયાથી બને છે :

ઉત્થાપિત (elevated) તાપમાને બોરોન સાથે બોરાઇડ ક્ષાર બનાવે છે અને નાઇટ્રોજન સાથે નાઇટ્રાઇડ ક્ષાર બનાવે છે.

વિરલ મૃદ્-ધાતુઓના ક્ષારો સ્ફટિકજળયુક્ત હોય છે. ક્લૉરાઇડ, નાઇટ્રેટ અને સલ્ફેટ-ક્ષારો જલદ્રાવ્ય હોય છે, જ્યારે ઑક્ઝલેટ, કાર્બોનેટ ફ્લોરાઇડ ક્ષારો પાણીમાં અદ્રાવ્ય હોય છે.

+3 ઑક્સિડેશન સ્થિતિ ધરાવતા વિરલ મૃદ-ધાતુઓના ક્ષારો જલીય દ્રાવણમાં અને સ્ફટિકમય સ્વરૂપે રંગીન હોય છે, જે તેમનામાં રહેલા અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉનને કારણે હોય છે. (n)f ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવતાં તત્વોના ક્ષારોના રંગ અને (t4–n)f ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવતાં તત્વોના ક્ષારોના રંગ સમાન હોય છે.

La⁺³ અને Ce⁺⁴ f⁰ ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવે છે, જ્યારે Lu⁺³ f¹⁴ ઇલેક્ટ્રૉન-રચના ધરાવે છે; તેથી તેમાં અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન હોતા નથી. પરિણામે તે પ્રતિચુંબકીય ગુણધર્મ ધરાવે છે; જ્યારે બીજાં બધાં તત્વોના ક્ષારોમાં અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન રહેલા હોવાથી તે અનુચુંબકીય હોય છે. આ તત્વોનું ચુંબકત્વ તેમના ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રચક્રણની ગતિ અને કક્ષાની ગતિની સંયુક્ત અસરને લીધે ઉદ્ભવે છે.

સામાન્ય રીતે આવર્તકોષ્ટકના એક સમૂહથી બીજા સમૂહ તરફ જતાં સહસંયોજક અને આયનિક ત્રિજ્યા વધે છે કારણ કે ઇલેક્ટ્રૉનની નવી કક્ષાઓ ઉમેરાય છે જ્યારે વિરલ મૃદ્-તત્વોમાં ઇલેક્ટ્રૉન છેલ્લેથી ત્રીજી (n–2) કક્ષામાં ઉમેરાય છે; તેથી પરમાણુકદમાં અપેક્ષિત વધારો થતો નથી; પરંતુ પરમાણુ-અંક વધવાની સાથે કેન્દ્રનો ધનભાર વધે છે જેથી કેન્દ્ર અને ઇલેક્ટ્રૉન વચ્ચેનું આકર્ષણબળ વધતાં પરમાણુકદમાં ઘટાડો થાય છે. આ ઘટના લેન્થેનાઇડ સંકોચન કહેવાય છે. આ સંકોચનને કારણે લેન્થેનાઇડ શ્રેણીનાં તત્વો ગુણધર્મોમાં અત્યંત સામ્ય ધરાવે છે.

ઉપયોગો : અગાઉ આ તત્વોનો ઉપયોગ કાચ, સિરેમિક, પ્રકાશ (lighting) અને ધાતુકર્મીય (metallurgical) ઉદ્યોગોમાં થતો હતો. સીરિયમ ઑક્સાઇડ અથવા મૃદ્-ધાતુઓના મિશ્ર ઑક્સાઇડ કાચને પૉલિશ કરવા અપઘર્ષક તરીકે વપરાય છે. ખાસ પ્રકારના કાચ બનાવવા તેમજ સિરેમિક ઉદ્યોગમાં ગ્લેઝ માટે પણ તે વપરાય છે. ચલચિત્ર ઉદ્યોગ માટેના ચાપ-દીવા(arc lamps)માં પણ તેમનો ઉપયોગ થાય છે. ધાતુકર્મીય ઉદ્યોગમાં આ તત્વો કે તેમની મિશ્રધાતુઓ ગેટર (getter) તરીકે વપરાય છે. લાઇટરની પથરી બનાવવા સીરિયમ અને મિશ્ર મૃદા ધાતુઓનો ઉપયોગ થાય છે. પેટ્રોલિયમ ઉદ્યોગમાં ઉદ્દીપક તરીકે પણ આ તત્વોનાં ઑક્સાઇડો વપરાય છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ