સમેરિયમ

સમેરિયમ : આવર્તક કોષ્ટકના ત્રીજા સમૂહમાં આવેલ લેન્થેનાઇડ શ્રેણીનું વિરલ-મૃદા (rare earth) તત્ત્વ. સંજ્ઞા Sm. 1879માં ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક ફ્રેંકોઈ લેકોક દ બોઇસબોદ્રાંએ ‘સમેરિયા’ તરીકે અલગ પાડી તેના વર્ણપટ ઉપરથી તત્ત્વને પારખ્યું હતું. સમેરિયા એ સમેરિયમ અને યુરોપિયમનું મિશ્રણ હતું અને સમેર્સ્કાઇટ નામના ખનિજમાંથી તત્ત્વને અલગ પાડવામાં આવ્યું હોવાથી તેને સમેરિયમ નામ આપવામાં આવ્યું હતું.

ઉપસ્થિતિ : વિરલ-મૃદાઓ પૃથ્વીના પોપડાનો 0.008 % જેટલો છે અને આનો 1 %થી 2 % અંશ સમેરિયમ હોય છે; જોકે કેટલીક વાર આ પ્રમાણ 7 % જેટલું પણ હોય છે. વ્યાપારી દૃષ્ટિએ વિરલ-મૃદાઓના મુખ્ય અયસ્કો (ores) મૉનેઝાઇટ અને બસ્તનેસાઇટ છે અને તે દરેકમાં આવેલ વિરલ-મૃદા ઑક્સાઇડો પૈકી સમેરિયમ ઑક્સાઇડ(Sm₂O₃)નું પ્રમાણ 2 % જેટલું હોય છે.

મૉનેઝાઇટ એક ઑર્થોફૉસ્ફેટ ખનિજ છે અને તે ભારત, શ્રીલંકા, બ્રાઝિલ, ઑસ્ટ્રેલિયા અને દક્ષિણ યુ.એસ.માં મળી આવે છે. દક્ષિણ આફ્રિકામાં પણ તે દળદાર શિરાનિક્ષેપો (lodes) તરીકે મળી આવે છે. બસ્તનેસાઇટ એ વિરલ-મૃદા ફ્લૉરોકાર્બોનેટ છે, જેના સૌથી મોટા દળદાર શિરાનિક્ષેપો દક્ષિણ કૅલિફૉર્નિયામાં મળી આવે છે. ચીનમાં પણ તે મળે છે.

નિષ્કર્ષણ : બંને પ્રકારની ખનિજો સજ્જીકરણ (સમપરિષ્કરણ, beneficiation) બાદ 50 %થી 70 % જેટલા વિરલ-મૃદા ઑક્સાઇડ ધરાવે છે, જેમાં 2 % જેટલું સમેરિયમ હોય છે.

અયસ્ક્ધો ઍસિડ (H₂SO₄ કે HCl) વડે તોડી નાંખ્યા પછી અનેક પ્રવિધિઓ બાદ સમેરિયમ-યુરોપિયમ(Eu)ના ક્ષારોનું મિશ્રણ ધરાવતો અંશ મળે છે. સમૃદ્ધિત (enriched) Sm-Euના દ્રાવણને સોડિયમ-સંરસની માવજત આપવાથી ધાતુઓનું અપચયન (reduction) થાય છે. સંરસની મંદ ઍસિડ સાથે પ્રક્રિયા કરવાથી સમેરિયમ અને યુરોપિયમને પુન: પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. માર્શ તથા તેમના પછીની ઑનસ્ટોટ્ટની સુધારેલી પદ્ધતિથી બંને તત્ત્વોને ઉચ્ચ શુદ્ધિવાળા દ્રાવણ રૂપે મેળવી શકાય છે. જોકે હવે અલગીકરણ માટે આયન-વિનિમય, દ્રાવક-નિષ્કર્ષણ (solvent extraction) કે સંકીર્ણ ક્ષાર પદ્ધતિઓ વધુ વપરાય છે.

ક્ષારમાંથી ધાતુ મેળવવા માટે અન્ય લેન્થેનોનો માટે વપરાતી, ટ્રાઇહેલાઇડના ધાત્વઉષ્મીય (metallothermic) અપચયનની રીત વાપરી શકાતી નથી, કારણ કે SmF₃ અથવા SmCl₃ની કૅલ્શિયમ કે બેરિયમ સાથે પ્રક્રિયા કરવાથી પુષ્કળ ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે અને ટ્રાઇહેલાઇડનું ડાઇહેલાઇડમાં અપચયન થાય છે, પણ ધાતુ (Sm) મળતી નથી. આથી દાને અને સહકાર્યકરોએ વિકસાવેલી પદ્ધતિમાં Sm₂O₃માં 10 % કરતાં વધુ લેન્થેનમની છોલ (turnings) મિશ્ર કરી, મિશ્રણને ટેન્ટલમની ક્રુસિબલમાં ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશ હેઠળ ગરમ કરવામાં આવે છે. સમેરિયમનું બાષ્પદબાણ લેન્થેનમ કરતાં ઊંચું હોવાથી અપચયિત Sm બાષ્પિત થાય છે, જેને ક્રુસિબલના ઉપરના ભાગમાં ચળકતા, સ્ફટિકમય, સંઘનિત (condensate) તરીકે મેળવી શકાય છે. વિકલ્પે Sm₂O₃નો આલ્કોહૉલીય પટ આપેલા તાંબાના ઠંડા (300°થી 400° સે.) સંઘનિત્ર (condenser) ઉપર પણ બાષ્પને ઠારી શકાય છે. જો સંઘનિત્ર વધુ ઠંડો હોય તો ધાત્વીય નિક્ષેપ ચૂર્ણમય (powdery) મળે છે, જે સ્વત: જલનશીલ (pyrophoric) હોવાથી હવામાં તેની સાથે કામ પાડવું મુશ્કેલ બને છે. સમેરિયમના સ્ફટિકોને પ્રેરણ (induction) ગલન દ્વારા ગ્રૅફાઇટના બીબામાં ઢાળવામાં આવે છે.

ગુણધર્મો : સમેરિયમ ચાંદી જેવી સફેદ પણ કઠણ અને બરડ ધાતુ છે, જે દેખાવમાં પોલાદને મળતી આવે છે. ઓરડાના તાપમાને તેનું ત્રિસમનતાક્ષ (સમાંતર ષટ્ફલકીય, rhombohedral) સ્વરૂપ (a-Sm)માં સ્ફટિકીકરણ થાય છે. 917° સે. તાપમાને તે વસ્તુકેન્દ્રિત સમઘન (body centred cubic, bcc) સ્વરૂપ (b-Sm)માં ફેરવાય છે. તેના સાત કુદરતી સમસ્થાનિકો છે, જે પૈકી ¹⁴⁷Sm, ¹⁴⁸Sm અને ¹⁴⁹Sm વિકિરણધર્મી (radioactive) છે અને અનુક્રમે 1.06 x 10¹¹ વર્ષ, 1.2 x 10¹³ વર્ષ અને 4 x 10¹⁴ વર્ષનો અર્ધઆયુ (half-life) સમય ધરાવે છે. અપૂર્ણ ભરાયેલી ઇલેક્ટ્રૉન-કક્ષકોને કારણે Sm અનુચુંબકીય ગુણધર્મ ધરાવે છે. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણીમાં દર્શાવ્યા છે.

સારણી : સમેરિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો

ગુણધર્મ	મૂલ્ય
પરમાણુક્રમાંક	62
પરમાણુભાર	150.36(3)
ઇલેક્ટ્રૉન વિન્યાસ	4f66s2
કુદરતી રીતે મળતા સમસ્થાનિકો	7
પ્રમાણભૂત વિભવ (EoM3+/M) (વૉલ્ટ)	-2.30
ગલનબિંદુ (°સે.)	1074
ઉત્કલનબિંદુ (°સે.)	1794
ઘનતા (25° સે.) (ગ્રા./ઘસેમી.)	7.52
વિદ્યુતીય અવરોધકતા (25° સે.) (μ ઓહ્મ-સેમી.)	88
સંયોજકતા	2, 3

સમેરિયમ એ સક્રિય અપચયનકર્તા છે અને પાણીમાંથી હાઇડ્રોજન મુક્ત કરે છે. હવામાં ધાતુને ખુલ્લી રાખતાં તેના પર ઑક્સાઇડનું પડ ઉત્પન્ન થાય છે. તે કાર્બન મૉનોક્સાઇડનું તથા ઘણી ધાતુઓના ઑક્સાઇડનું અપચયન કરે છે, જ્યારે કાર્બન ટેટ્રાક્લોરાઇડનું વિઘટન કરે છે. હવામાં તે 150°થી 180° સે.એ જ્યારે હેલોજનની બાષ્પમાં 200° સે. જેટલા તાપમાને સળગી ઊઠે છે.

સમેરિયમ સંક્રાંતિક (transitional) તત્ત્વ હોવાથી એક કરતાં વધુ સંયોજકતા ધરાવે છે, જેમાં +3 અને +2 સંયોજકતા (valency) મુખ્ય છે. તેનાં ત્રિસંયોજક સંયોજનોમાં ઑક્સાઇડ, ઑક્ઝલેટ, નાઇટ્રેટ, ક્લોરાઇડ, કાર્બોનેટ, સલ્ફેટ અને સલ્ફાઇડ મુખ્ય છે. ધાતુની અનુવર્તી અધાતુ સાથેની પ્રક્રિયાથી નાઇટ્રાઇડ, કાર્બાઇડ, સલ્ફાઇડ, સિલિસાઇડ, ફૉસ્ફાઇડ અને હાઇડ્રાઇડ જેવાં સંયોજનો બનાવી શકાય છે.

સમેરિયમના કાર્બોનેટ, જલયુક્ત ઑક્સાઇડ, ઑક્ઝલેટ, નાઇટ્રેટ કે સલ્ફેટના નિસ્તાપન(calcination)થી અથવા ધાતુના હવામાંના ઉપચયનથી સમેરિયમ ઑક્સાઇડ (Sm₂O₃) બનાવી શકાય છે. ઑક્સાઇડનો ઉપયોગ ધાતુના અન્ય ક્ષારો બનાવવા માટે થાય છે.

ધાતુના ઑક્સાઇડ કે કાર્બોનેટની હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ (HCl) સાથેની પ્રક્રિયાથી સમેરિયમ ક્લોરાઇડ (SmCl₃.6H₂O)  મળે છે જે રંગે લીલો અને પાણીમાં ઘણો દ્રાવ્ય છે. જલયુક્ત ક્લોરાઇડને HClની બાષ્પમાં ગરમ કરવાથી અથવા Sm₂O₃ને એમોનિયમ ક્લોરાઇડ (NH₄Cl) સાથે ગરમ કરી વધારાના NH₄Clનું ઊર્ધ્વીકરણ કરવાથી નિર્જળ SmCl₃ મળે છે. SmCl3નું 270° સે. તાપમાને હાઇડ્રોજન વડે અપચયન કરવાથી સમેરિયમ ડાઇક્લોરાઇડ (SmCl₂) મળે છે, જેનું હવાની હાજરીમાં પુન: ઉપચયન થાય છે.

સમેરિયમના ક્ષારના જલીય દ્રાવણમાં હાઇડ્રોફ્લોરિક ઍસિડ (HF) ઉમેરવાથી સરેશ જેવા સ્ફટિક રૂપે SmF₃.H₂Oનું અવક્ષેપન થાય છે. પાણી તેમજ ઍસિડમાં તે અદ્રાવ્ય છે. નિર્જળ ફ્લોરાઇડ મેળવવા SmF₃.H₂Oને HFની બાષ્પમાં ગરમ કરવામાં આવે છે.

સમેરિયમના ક્ષારના જલીય દ્રાવણમાં કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ વડે સંતૃપ્ત કરેલ આલ્કલી બાયકાર્બોનેટ ઉમેરવાથી સમેરિયમ કાર્બોનેટ [Sm₂(CO₃)₃.3H₂O] મેળવી શકાય છે. તે પાણીમાં અદ્રાવ્ય પણ ઍૅસિડમાં દ્રાવ્ય છે. તેનું ઉષ્મીય વિઘટન કરતાં પ્રથમ તે ઑક્સિકાર્બોનેટમાં અને લગભગ 800° સે. તાપમાને ઑક્સાઇડમાં ફેરવાય છે.

સમેરિયમના ઑક્સાઇડ, જળયુક્ત ઑક્સાઇડ અથવા કાર્બોનેટની નાઇટ્રિક ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયાથી નાઇટ્રેટ [Sm(NO₃)₃.6H₂O] મળે છે, જે પાણીમાં ઘણો દ્રાવ્ય; જ્યારે આલ્કોહૉલ, કીટોન અને ઈથર જેવાં દ્રાવકોમાં સાધારણ દ્રાવ્ય છે. અન્ય લેન્થેનોન નાઇટ્રેટ સંયોજનોની માફક તેનું ટ્રાઇબ્યુટાઇલ ફૉસ્ફેટ સાથે નિષ્કર્ષણ કરી શકાય છે. આથી આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ લેન્થેનાઇડ શ્રેણીનાં તત્ત્વોને અલગ પાડવા થાય છે. નાઇટ્રેટને ગરમ કરવાથી તે ઑક્સાઇડ આપે છે.

સમેરિયમનાં ઑક્સાઇડ અથવા કાર્બોનેટને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડમાં ઓગાળવાથી સલ્ફેટ [Sm₂(SO₄)₃.8H₂O] બનાવી શકાય છે. સમેરિયમના ક્લોરાઇડ કે નાઇટ્રેટના સાંદ્ર દ્રાવણમાં સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ ઉમેરવાથી પણ તેને મેળવી શકાય છે. આલ્કલી કે એમોનિયમ સલ્ફેટ સાથે તે દ્વિક્ષાર (double salt) આપે છે.

સમેરિયમનાં [Sm(C₉H₇)₅] તથા [Sm^II(η⁵–C₅H₅)₂] જેવાં કાર્બધાત્વિક સંયોજનો પણ બનાવી શકાયાં છે. સ્થૂળ (વિપુલ આયતની, bulky) આલ્કિલ CH(SiMe₃)₂ સાથેની પ્રક્રિયાથી સૌપ્રથમ હોમોલેપ્ટિક (homoleptic) તટસ્થ લેન્થેનાઇડ આલ્કિલ મેળવાયો હતો.

Sm(OR)₃ + 3LiCH(SiMe₃)₂ → [Sm{CH(SiMe₃)₂}₃] + 3LiOR

ઉપયોગો : વિશિષ્ટ પ્રકારના કાચ બનાવવામાં Sm₂O₃નો થોડા પ્રમાણમાં ઉપયોગ થાય છે. સિરેમિક ઉદ્યોગમાં પણ ઑક્સાઇડનો મર્યાદિત ઉપયોગ થાય છે. તત્ત્વ તરીકે સમેરિયમનો સૌથી વધુ ઉપયોગ લોહચુંબકીય (ferromagnetic) મિશ્રધાતુ SmCo₅ બનાવવામાં થાય છે, જે અન્ય પદાર્થો કરતાં પાંચગણાં વધુ કાયમી ચુંબકો આપે છે. કેટલીક કાર્બનિક પ્રક્રિયાઓમાં ઉદ્દીપક તરીકે પણ સમેરિયમ ઉપયોગમાં લેવાય છે.

તેના એક સમસ્થાનિક(isotope)નો ન્યૂટ્રૉન ગ્રહણ (capture) આડછેદ ઘણો ઊંચો હોવાથી નાભિકીય સંયંત્રોમાં તે ન્યૂટ્રૉનના અવશોષણ (absorption) માટે વપરાય છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ