સીરિયમ (cerium)

સીરિયમ (cerium) : આવર્તક કોષ્ટકમાં 3જા (અગાઉના IIIA) સમૂહમાં સમાવિષ્ટ એવાં લેન્થેનૉઇડ્સ (lanthanoids) અથવા લેન્થેનાઇડ તત્ત્વો [અથવા વિરલ મૃદા (rare earth) ધાતુઓ] પૈકીનું એક રાસાયણિક તત્વ. 1791માં સ્વીડિશ ખનિજ-વૈજ્ઞાનિક (mineralogist) ક્રૉનસ્ટેટે શોધેલ એક ભારે ખનિજમાંથી 1803માં જર્મનીના એમ. એચ. ક્લેપ્રોથે અને તેમનાથી સ્વતંત્ર રીતે સ્વીડનના જે. જે. બર્ઝેલિયસ અને વિલ્હેમ હિસિન્જરે એક નવો ઑક્સાઇડ (મૃદા, earth) અલગ પાડેલ જેને તે સમયે (1801માં) નવા શોધાયેલા ક્ષુદ્ર ગ્રહ (ગ્રહિકા, asteroid) સીરસ (ceres) પરથી સીરિયા (ceria) નામ આપવામાં આવેલું. 1839માં સ્વીડિશ સર્જન સી. જી. મૉસાન્ડરે આ મૃદા ખરેખર મિશ્રણ હોવાનું જણાવ્યું અને તેમાંના એક તત્વને સીરિયમ નામ આપ્યું.

ઉપસ્થિતિ (પ્રાપ્તિ, occurrence) : પૃથ્વીના પોપડામાં સીરિયમનું પ્રમાણ દર દસ લાખ ભાગે 66 ભાગ (ppm) જેટલું હોય છે. વિપુલતાની દૃષ્ટિએ તેનો ક્રમ 26મો છે. તેના અયસ્કોમાં સીરાઇટ (સ્વીડન), બાસ્ટનેસાઇટ (સિયેરા નેવાડા, કૅલિફૉર્નિયા, ન્યૂ મૅક્સિકો, ચીન), એલાનાઇટ (allanite) અને મૉનેઝાઇટ (ફ્લોરિડા, બ્રાઝિલ, ભારત, દક્ષિણ આફ્રિકા, ઑસ્ટ્રેલિયા અને મલેશિયાની સમુદ્રતટની રેતી) ગણાવી શકાય. જોકે મુખ્ય તો મૉનેઝાઇટ અને બાસ્ટનેસાઇટ છે. બંને ખનિજો સીરિયમ, લેન્થેનમ (La), નિયૉડિમિયમ (Nd) અને પ્રેઝિયૉડિમિયમ (Pr) ધરાવે છે, પણ મૉનેઝાઇટ એ વિરલ મૃદા-થોરિયમ ફૉસ્ફેટ છે. તે 5 %થી 10 % થોરિયા (ThO₂) અને યિટ્રિયમ મૃદાઓ ધરાવે છે, જ્યારે બાસ્ટનેસાઇટમાં આ અને અન્ય ભારે લેન્થેનાઇડો ગેરહાજર હોવાથી તેનું પ્રક્રમણ ઓછું જટિલ છે. આ ઉપરાંત યુરેનિયમ, થોરિયમ અને પ્લૂટોનિયમના વિખંડન (fission) દરમિયાન સીરિયમના વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકો મળી આવે છે.

નિષ્કર્ષણ : પ્રચલિત ખનિજ-પ્રસાધન (mineral dressing) વડે 90 % કરતાં વધુ શુદ્ધ ખનિજ-સાંદ્રિતો (mineral concentrates) મળે છે. અન્ય વિરલ મૃદાઓમાંથી સીરિયમને અલગ પાડવા તેનું ચતુ:સંયોજક સીરિક અવસ્થામાં ઉપચયન કરી ત્યારબાદ બેઝિકતા (basicity) અલગન અથવા અદ્રાવ્ય સીરિક સંયોજનોનું સ્ફટિકીકરણ કરવામાં આવે છે.

ચતુ:સંયોજક અન્ય વિરલ મૃદાઓ કરતાં સીરિક લવણો પ્રમાણમાં ઘણાં ઓછાં દ્રાવ્ય હોવાથી આ અલગન શક્ય બને છે. એમોનિયમ હેક્ઝાનાઇટ્રેટોસીરેટ અથવા એમોનિયમ ટ્રાઇસલ્ફેટોસીરેટના સ્ફટિકીકરણ, બેઝિક સીરિક નાઇટ્રેટ કે સલ્ફેટના અવક્ષેપન અને સજલ (hydrous) ઑક્સાઇડ વડે આંશિક (fractional) બેઝિકતા અલગન એ સીરિયમના અલગન અને શુદ્ધીકરણ માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિઓ છે.

ઉચ્ચ શુદ્ધતા અને નાના પાયા ઉપર ઉત્પાદન માટે આયન-વિનિમય પદ્ધતિ વધુ સારી છે. તેમાં પણ વિસ્થાપન વર્ણલેખન (displacement chromatography) ઉત્તમ ગણાય છે. આ માટે બે અલગ આયન-વિનિમય-સ્તંભો (columns) ઉપયોગમાં લેવાય છે. એકમાં લેન્થેનોન (Ln^III) મિશ્રણ દાખલ કરવામાં આવે છે જ્યારે બીજા(વિકસન-સ્તંભ)માં Cu^II જેવા ધારક (retaining) આયન દાખલ કરવામાં આવે છે અને બંને સ્તંભોને એકબીજા સાથે જોડી દેવામાં આવે છે. ત્યારબાદ નિક્ષાલક (eluant) તરીકે 0.015 m ઈડીટીએ(ethylenediaminetetraacetic acid – EDTA)ના ટ્રાઇએમોનિયમ લવણનું જલીય દ્રાવણ બંને સ્તંભોમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. નિક્ષાલકમાંથી ધાતુઓને તેમના અદ્રાવ્ય ઑક્ઝલેટ સંયોજન રૂપે અવક્ષિપ્ત કરી, ઉપચયન દ્વારા તેમના ઑક્સાઇડ મેળવવામાં આવે છે.

ધાતુ મેળવવા માટે બે પદ્ધતિઓ વપરાય છે : (i) પીગળિત (fused) લવણનું વિદ્યુતવિભાજન : ધાતુના ક્લોરાઇડ(CeCl₃)ને NaCl અથવા CaCl₂ સાથે પિગાળી તેનું ગ્રૅફાઇટ અથવા ઉચ્ચતાપસહ અસ્તરવાળા પોલાદના કોષમાં વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવે છે. ગ્રૅફાઇટ કે પોલાદ અહીં કૅથોડ તરીકે કામ આપે છે.

(ii) મેટલોથર્મિક (metallothermic) અપચયન : આ પદ્ધતિમાં ધાતુના નિર્જળ હેલાઇડ(દા.ત., ફ્લોરાઇડ)ને કૅલ્શિયમ ધાતુ સાથે ટેન્ટલમ(tantalum)ની ક્રુસિબલમાં આર્ગનના વાતાવરણમાં ગરમ કરવામાં આવે છે. કૅલ્શિયમ વડે હેલાઇડનું અપચયન થાય છે. અપચયન પૂર્ણ થાય એટલે ભરણ(charge)ને ઠંડું પાડી ધાતુમળ (slag) અને ધાતુ(97 %થી 99 % શુદ્ધ)ને અલગ પાડવામાં આવે છે.

ગુણધર્મો : સીરિયમ ભૂખરા (gray) રંગની, નરમ, પ્રતન્ય (ductile) અને અત્યંત પ્રક્રિયાશીલ (reactive) ધાતુ છે. શુદ્ધ સ્થિતિમાં તે બહુ સ્વત: જ્વલનશીલ (pyrophoric) હોતી નથી પણ થોડી ઉપચયિત હોય અથવા આયર્ન સાથેની મિશ્ર ધાતુ હોય ત્યારે તે અત્યંત સ્વત: જ્વલનશીલ હોય છે. કુદરતી રીતે તેના ચાર સમસ્થાનિકો : Ce-136, Ce-138, Ce-140 અને Ce-142 મળી આવે છે; જ્યારે તેના 15 જેટલા વિકિરણધર્મી સમસ્થાનિકો પારખી શકાયા છે. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણીમાં આપ્યા છે :

સારણી : સીરિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો

ગુણધર્મ	મૂલ્ય
પરમાણુક્રમાંક	58
પરમાણુભાર	140.116
ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના	[Xe] 4f1 5d1 6s2
ગ.બિં. (°સે.)	798
ઉ.બિં. (°સે.)	3433
ઘનતા (25° સે.) (ગ્રા./ઘ.સેમી.)	6.770
વિદ્યુતવાહકતા (25° સે.) (μ ઓહ્મ સેમી.)	73
કુદરતી સમસ્થાનિકો	4
(વોલ્ટ)	1.72

હવામાં તેનું ઝડપથી ઉપચયન થઈ તેના પર ઑક્સાઇડની ભૂખરી પોપડી બાઝે છે. મંદ તેમજ સાંદ્ર ખનિજ ઍસિડોની અને આલ્કલીની તેના પર જલદી અસર થાય છે.

સામાન્ય રીતે સીરિયમની સંયોજકતા +3 હોય છે પણ તે ચતુ:સંયોજક સંયોજનો બનાવે છે. તે એક જ એવી વિરલ મૃદા છે જે જલીય દ્રાવણમાં ચતુ:સંયોજક આયન (Ce⁺⁴) રૂપે જોવા મળે છે. હવામાં બાળવામાં આવતાં તે સીરિક ઑક્સાઇડ (CeO₂) આપે છે. S, Se અને Te સાથેના તેના મૉનૉચાલ્કોજનાઇડ્સ (mono-chalcogenides) પણ બનાવી શકાયા છે. હેલોજનો (F, Cl, Br, અને I) સાથે તે હેલાઇડ બનાવે છે. CeF₄ પ્રમાણમાં સ્થાયી છે. Ce^III યુરેનોસીનની માફક સૅન્ડવિચ સંયોજન પણ બનાવી શકે છે.

સંયોજનો : સીરિક એમોનિયમ નાઇટ્રેટ (અથવા એમોનિયમ હેક્ઝાનાઇટ્રેટોસીરેટ) [Ce(NO₃)₄^.2NH₄NO₃]. સીરસ (cerous) નાઇટ્રેટનું નાઇટ્રિક ઍસિડના દ્રાવણમાં ઉપચયન કર્યા બાદ સીરિક નાઇટ્રેટ અને એમોનિયમ નાઇટ્રેટના દ્રાવણને મિશ્ર કરી સ્ફટિકીકરણ કરવાથી તે નાના, પ્રિઝમીય (prismatic), પીળા સ્ફટિકો રૂપે મળે છે. તે પાણી તથા આલ્કોહૉલમાં દ્રાવ્ય, સાંદ્ર નાઇટ્રિક ઍસિડમાં લગભગ અદ્રાવ્ય પણ અન્ય ઍસિડોમાં દ્રાવ્ય છે. વૈશ્લેષિક રસાયણમાં પ્રક્રિયક તરીકે, કાર્બનિક સંયોજનોના ઉપચયન માટે, ઓલીફિન્સ(olefins)ના બહુલીકરણ માટેના ઉદ્દીપક તથા એઝાઇડ (azides) સંયોજનોના ઉત્પાદનમાં અપમાર્જક (scavenger) તરીકે વપરાય છે.

સીરિક ઑક્સાઇડ (CeO₂) : સીરિયમ ઑક્ઝલેટનું ઉષ્મીય વિઘટન કરવાથી મેળવી શકાય છે. તેની કઠિનતા જ્વાલન (firing) તાપમાન પર આધાર રાખે છે. તે ચિનાઈકામ (ceramics), કાચને પૉલિશ કરવા માટે અપઘર્ષક, ઉદ્દીપક, કૅથોડ અને વીજધારિત્ર તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આ ઉપરાંત ફોટોક્રોમિક (photochromic) કાચમાં અપારદર્શકકારક (opacifier) તરીકે, સિરેમિક વિલેપન(coating)માં, સંદીપકો બનાવવા તેમજ ઉચ્ચતાપસહ ઑક્સાઇડોની બનાવટમાં પણ ઉપયોગમાં લેવાય છે.

સીરિક સલ્ફેટ [Ce(SO₄)₂] : સીરિયમ કાર્બોનેટ પર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડની પ્રક્રિયા દ્વારા મેળવી શકાય છે :

Ce(CO₃)₂ + 2H₂SO₄  → Ce(SO₄)₂ + 2CO₂ + 2H₂O

તે સફેદ અથવા લાલાશ પડતા પીળા સ્ફટિકો રૂપે મળે છે. ઘનતા, 3.91. પાણીમાં દ્રાવ્ય થઈ વિઘટન પામે છે. મંદ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડમાં દ્રાવ્ય છે. પ્રબળ ઉપચાયક છે. કાપડના રંગ તથા છાપકામમાં, વૈશ્લેષિક પ્રક્રિયક તરીકે, જલાભેદ્યન (waterproofing) તથા ફૂન-પ્રતિકારક(mildewproofing)માં વપરાય છે.

સીરસ ક્લોરાઇડ (CeCl₃^.xH₂O) : સીરિયમ કાર્બોનેટ અથવા હાઇડ્રૉક્સાઇડ પર હાઇડ્રૉક્લોરિક ઍસિડની પ્રક્રિયા દ્વારા મળે છે સફેદ, ભેજગ્રાહી (deliquescent) સ્ફટિકો. નિર્જળ ક્લોરાઇડની ઘનતા 3.88 અને ગ.બિં. 868° સે. હોય છે. ઉ.બિં. 1727° સે. પાણી, આલ્કોહૉલ અને ઍસિડમાં દ્રાવ્ય. તાપદીપ્ત (incandescent) ગૅસ મેન્ટલ, સ્પેક્ટ્રમલેખિકી (spectrography), સીરિયમ ધાતુ મેળવવા અને બહુલીકરણ માટેના ઉદ્દીપક તરીકે વપરાય છે.

જલદ્રાવ્ય દ્વિક્ષાર સીરિયમ એમોનિયમ નાઇટ્રેટમાંના બે વિપક્ષ (trans) નાઇટ્રેટ-આયનોનું Ph₃PO વડે વિસ્થાપન કરવાથી નારંગી રંગનો તટસ્થ સંકીર્ણ, [Ce(NO₃)₄(OPPh₃)₂] મળે છે. અન્ય સંકીર્ણો પણ જાણીતાં છે.

ઉપયોગો : સીરિયમ અને તેનાં સંયોજનો અનેક રીતે ઉપયોગી છે. તે મિશ્રધાતુઓને કઠણ બનાવવા, જેટ એન્જિન માટેની મિશ્ર-ધાતુઓમાં, લશ્કરી સંકેતન(military signalling)માં, ફોટોગ્રાફીમાં પ્રદીપક (illuminant) તરીકે તથા આયર્ન-સીરિયમ સ્વત:જ્વલનશીલ મિશ્રધાતુઓમાં વપરાય છે. જ્વલન (ignition) તથા ઘન-અવસ્થા પ્રયુક્તિઓમાં, નિર્વાતિત નળીઓમાં તથા ધાતુ-ઉદ્યોગમાં વાયુગ્રાહી (geffer) કે અપમાર્જક (scavenger) તરીકે પણ સીરિયમ વપરાય છે. લાઇટરની પથરીઓ (flints) બનાવવા આયર્ન (30 %) અને મિશ ધાતુ (misch metal) કે જેમાં 50 % Ce, 25 % La અને 25 % અન્ય હલકા લેન્થેનાઇડ હોય છે તેનો ઉપયોગ થાય છે.

1891માં વેલ્સબાખે કોલગૅસની પ્રદીપ્તિ (luminocity) વધારવા થોરિયા ગૅસ મેન્ટલનો ઉપયોગ કર્યો હતો. યોગ્ય આકારના સૂતર (cotton) અથવા રેશમના મેન્ટલને યોગ્ય ધાતુઓના નાઇટ્રેટના જલીય દ્રાવણમાં પલાળી, રેસાને સળગાવતાં નાઇટ્રેટનું ઑક્સાઇડમાં રૂપાંતર થાય છે. 99 % ThO₂ અને 1 % CeO₂ વાપરવાથી સરસ પ્રકાશ મળતો થયો અને આજ સુધી તે ઉપયોગમાં લેવાય છે. CeO₂ વાયુના દહનને ઉદ્દીપિત કરે છે અને ThO₂ની મંદ (poor) ઉષ્માવાહકતાને કારણે CeO₂ના કણો વધુ ગરમ થઈ તેજસ્વી (brighted) બને છે.

સીરિયમ ધાતુ પીગળેલા યુરેનિયમમાં લગભગ અમિય (immiscible) હોવાથી પ્રવાહી-પ્રવાહી નિષ્કર્ષણ દ્વારા પીગળેલા યુરેનિયમમાંથી વિખંડન (fission) નીપજોને દૂર કરવા તેમજ પ્લૂટોનિયમ જેવા નાભિકીય ઇંધનોમાં મંદક (diluent) તરીકે પણ તે વપરાય છે. Ce-141 સમસ્થાનિક જૈવિક અને વૈદ્યકીય સંશોધનમાં ઉપયોગી છે.

સીરિયમ ઑક્સાઇડનો ઉપયોગ પૉર્સિલિન બનાવવા, ચશ્માં અને પ્રકાશિક (optical) સાધનોના લેન્સને પૉલિશ કરવા તેમજ અરીસા અને કાચની નીપજો બનાવવામાં ઉપયોગમાં લેવાય છે. સીરિયમનાં કેટલાંક સંયોજનો વિસ્ફોટકો બનાવવામાં, અપમાર્જક તરીકે તથા પ્રયોગશાળામાં પ્રક્રિયક તરીકે વપરાય છે. સીરસ ફ્લોરાઇડ વિદ્યુતચાપ માટેના કાર્બનની તેજસ્વિતા (brilliance) વધારવામાં ઉપયોગી છે. સીરિયમ (2, 2, 6, 6-ટેટ્રામિથાઇલ-3, 5-હેપ્ટેન-ડાયોનેટ)⁴ જેવાં સંયોજનો અપસ્ફોટરોધી (antiknock) ગુણો ધરાવતાં હોવાનું માલૂમ પડ્યું છે.

જ. દા. તલાટી