عنصر الأرض النادر السحري – البراسيوديميوم

البراسيوديميومهو ثالث أكثر عناصر اللانثانيد وفرة في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، مع وفرة تبلغ 9.5 جزء في المليون في القشرة الأرضية، أي أقل بقليل منالسيريوم, الإيتريوم,اللانثانوم، وسكانديومإنه خامس أكثر العناصر وفرةً في المعادن النادرة. ولكن كما هو الحال مع اسمه،براسيوديميومهو عضو بسيط وغير مزخرف من عائلة العناصر الأرضية النادرة.

اكتشف CF Auer Von Welsbach البراسيوديميوم في عام 1885.

في عام ١٧٥١، اكتشف عالم المعادن السويدي أكسل فريدريك كرونشتيدت معدنًا ثقيلًا في منطقة تعدين باستناس، سُمي لاحقًا السيريت. بعد ثلاثين عامًا، أرسل فيلهلم هيسينجر، البالغ من العمر خمسة عشر عامًا، من العائلة المالكة للمنجم، عيناته إلى كارل شيل، لكنه لم يكتشف أي عناصر جديدة. في عام ١٨٠٣، بعد أن أصبح سينجر حدادًا، عاد إلى منطقة التعدين مع يونس جاكوب بيرزيليوس وفصلا أكسيدًا جديدًا، وهو الكوكب القزم سيريس، الذي اكتشفاه قبل عامين. أما السيريا، فقد فُصل بشكل مستقل على يد مارتن هاينريش كلابروث في ألمانيا.

بين عامي 1839 و1843، اكتشف الجراح والكيميائي السويدي كارل جوستاف موساندر أنأكسيد السيريومكان خليطًا من الأكاسيد. فصل أكسيدين آخرين، أسماهما لانثانا وديديميا "ديديميا" (وتعني "توأم" باليونانية). حلل جزئيًانترات السيريومعينة بتحميصها في الهواء، ثم معالجتها بحمض النيتريك المخفف للحصول على الأكسيد. ولذلك تُسمى المعادن التي تُشكل هذه الأكاسيداللانثانوموبراسيوديميوم.

في عام ١٨٨٥، نجح النمساوي سي إف أوير فون ويلسباخ، مخترع غطاء مصباح بخار الثوريوم والسيريوم، في فصل "البراسيوديميوم النيوديميوم" (التوأم الملتصق)، حيث فُصل ملح البراسيوديميوم الأخضر وملح النيوديميوم الوردي اللون، وحُددا كعنصرين جديدين. أحدهما يُسمى "براسيوديميوم"، وهو مشتق من الكلمة اليونانية "براسون"، وتعني المركب الأخضر لأن محلول ماء ملح البراسيوديميوم يُعطي لونًا أخضر زاهيًا؛ أما العنصر الآخر فيُسمى "براسيوديميوم".نيوديميوم". إن الفصل الناجح للتوأم الملتصق مكّنهما من إظهار مواهبهما بشكل مستقل.

معدن البراسيوديميوم

معدن أبيض فضي، لين ومرن. يتميز البراسيوديميوم ببنية بلورية سداسية في درجة حرارة الغرفة. مقاومته للتآكل في الهواء أقوى من مقاومة اللانثانوم والسيريوم والنيوديميوم واليوروبيوم، ولكن عند تعرضه للهواء، تتكون طبقة من أكسيد أسود هش، وتتآكل عينة من معدن البراسيوديميوم بحجم سنتيمتر واحد تمامًا في غضون عام تقريبًا.

مثل معظمالعناصر الأرضية النادرةمن المرجح أن يُكوّن البراسيوديميوم حالة أكسدة a+3، وهي حالته المستقرة الوحيدة في المحاليل المائية. يوجد البراسيوديميوم في حالة أكسدة a+4 في بعض المركبات الصلبة المعروفة، وفي ظل ظروف فصل المصفوفة، يُمكنه الوصول إلى حالة أكسدة فريدة +5 بين عناصر اللانثانيدات.

أيون البراسيوديميوم المائي هو أخضر مصفر، والعديد من الاستخدامات الصناعية للبراسيوديميوم تتضمن قدرته على تصفية الضوء الأصفر في مصادر الضوء.

تخطيط إلكتروني للبراسيوديميوم

الانبعاثات الإلكترونية:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f3

تُرتَّب إلكترونات البراسيوديميوم التسعة والخمسون على شكل [Xe] 4f36s2. نظريًا، يُمكن استخدام جميع الإلكترونات الخارجية الخمسة كإلكترونات تكافؤ، إلا أن استخدامها يتطلب ظروفًا قاسية. عادةً، يُصدر البراسيوديميوم ثلاثة أو أربعة إلكترونات فقط في مركباته. يُعد البراسيوديميوم أول عنصر لانثانيدي ذي تكوين إلكتروني يتوافق مع مبدأ أوفباو. يمتلك مداره 4f مستويات طاقة أقل من المدار 5d، وهو أمر لا ينطبق على اللانثانوم والسيريوم، إذ لا يحدث الانكماش المفاجئ للمدار 4f إلا بعد اللانثانوم، وهو غير كافٍ لتجنب شغل غلاف 5d في السيريوم. ومع ذلك، يظهر البراسيوديميوم الصلب تكوين [Xe] 4f25d16s2، حيث يشبه إلكترون واحد في غلاف 5d جميع عناصر اللانثانيدات الثلاثية التكافؤ الأخرى (باستثناء اليوروبيوم والإيتربيوم، والتي هي ثنائية التكافؤ في الحالات المعدنية).

كما هو الحال مع معظم عناصر اللانثانيدات، يستخدم البراسيوديميوم عادةً ثلاثة إلكترونات فقط كإلكترونات تكافؤ، وللإلكترونات 4f المتبقية تأثير ارتباط قوي: وذلك لأن مدار 4f يمر عبر نواة الزينون الخاملة للإلكترون ليصل إلى النواة، متبوعًا بـ 5d و6s، ويزداد مع زيادة الشحنة الأيونية. ومع ذلك، قد يستمر البراسيوديميوم في فقدان إلكترون التكافؤ الرابع، وأحيانًا الخامس، لأنه يظهر في مرحلة مبكرة جدًا من نظام اللانثانيد، حيث تكون الشحنة النووية منخفضة بما يكفي، وطاقة الغلاف الفرعي 4f عالية بما يكفي للسماح بإزالة المزيد من إلكترونات التكافؤ.

البراسيوديميوم وجميع عناصر اللانثانيدات (باستثناءاللانثانوم, الإيتربيومواللوتيتيوم(لا توجد إلكترونات 4f غير مقترنة) تتمتع بخاصية مغناطيسية مسايرة في درجة حرارة الغرفة. على عكس المعادن الأرضية النادرة الأخرى التي تُظهر ترتيبًا مغناطيسيًا مضادًا أو مغناطيسيًا حديديًا عند درجات حرارة منخفضة، يتمتع البراسيوديميوم بخاصية مغناطيسية مسايرة عند جميع درجات الحرارة التي تزيد عن 1 كلفن.

استخدامات البراسيوديميوم

يتم استخدام البراسيوديميوم في الغالب على شكل معادن نادرة مختلطة، مثل عامل تنقية وتعديل للمواد المعدنية، والمحفزات الكيميائية، والمعادن النادرة الزراعية، وما إلى ذلك.براسيوديميوم نيوديميوميُعدّ ثنائي العناصر الأرضية النادرة الأكثر تشابهًا وصعوبة في الفصل، إذ يصعب فصله بالطرق الكيميائية. يستخدم الإنتاج الصناعي عادةً طرق الاستخلاص والتبادل الأيوني. عند استخدامهما في أزواج على شكل براسيوديميوم نيوديميوم مُخصّب، يُمكن الاستفادة الكاملة من خصائصهما المشتركة، كما أن سعرهما أرخص من المنتجات أحادية العنصر.

سبيكة براسيوديميوم نيوديميوم((معدن النيوديميوم (براسيوديميوم))أصبح منتجًا مستقلًا، يُستخدم كمواد مغناطيسية دائمة ومضاف تعديل لسبائك المعادن غير الحديدية. يمكن تحسين نشاط وانتقائية واستقرار محفز تكسير البترول بإضافة مُركّز النيوديميوم والبراسيوديميوم إلى المنخل الجزيئي للزيوليت Y. كمادة مضافة لتعديل البلاستيك، فإن إضافة مُخصّب النيوديميوم والبراسيوديميوم إلى بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) يُحسّن بشكل كبير من مقاومة التآكل لمادة PTFE.

العناصر الأرضية النادرةتُعدّ مواد المغناطيس الدائم من أكثر مجالات تطبيقات العناصر الأرضية النادرة شيوعًا اليوم. لا يُعدّ البراسيوديميوم وحده مادةً متميزةً للمغناطيس الدائم، ولكنه عنصرٌ تآزريٌّ ممتازٌ يُمكنه تحسين الخواص المغناطيسية. إضافة كمية مناسبة من البراسيوديميوم تُحسّن أداء مواد المغناطيس الدائم بشكل فعال. كما يُحسّن أداء مضادات الأكسدة (مقاومة التآكل الهوائي) والخواص الميكانيكية للمغناطيس، ويُستخدم على نطاق واسع في مختلف الأجهزة الإلكترونية والمحركات.

يمكن استخدام البراسيوديميوم أيضًا في طحن وتلميع المواد. وكما هو معروف، عادةً ما يكون مسحوق التلميع النقي المصنوع من السيريوم أصفر فاتح، وهو مادة تلميع عالية الجودة للزجاج البصري، وقد حل محل مسحوق أكسيد الحديد الأحمر ذي كفاءة التلميع المنخفضة والملوث لبيئة الإنتاج. وقد وجد الناس أن البراسيوديميوم يتمتع بخصائص تلميع جيدة. سيظهر مسحوق تلميع العناصر الأرضية النادرة الذي يحتوي على البراسيوديميوم بلون بني محمر، والمعروف أيضًا باسم "المسحوق الأحمر"، ولكن هذا اللون الأحمر ليس أحمر أكسيد الحديد، ولكن بسبب وجود أكسيد البراسيوديميوم، يصبح لون مسحوق تلميع العناصر الأرضية النادرة أغمق. كما تم استخدام البراسيوديميوم كمادة طحن جديدة لصنع عجلات طحن الكوراندوم التي تحتوي على البراسيوديميوم. وبالمقارنة مع الألومينا البيضاء، يمكن تحسين الكفاءة والمتانة بأكثر من 30٪ عند طحن الفولاذ الهيكلي الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك عالية الحرارة. من أجل خفض التكاليف، كانت المواد المخصبة بالبراسيوديميوم والنيوديميوم تستخدم في كثير من الأحيان كمواد خام في الماضي، ومن هنا جاء اسم عجلة طحن البراسيوديميوم والنيوديميوم كوروندوم.

لقد تم استخدام بلورات السيليكات الممزوجة بأيونات البراسيوديميوم لإبطاء نبضات الضوء إلى عدة مئات من الأمتار في الثانية.

عند إضافة أكسيد البراسيوديميوم إلى سيليكات الزركونيوم، يتحول لونه إلى الأصفر الفاتح، ويمكن استخدامه كصبغة خزفية - أصفر البراسيوديميوم. يُعتبر أصفر البراسيوديميوم (ZrO2-Pr6Oll-SiO2) أفضل صبغة خزفية صفراء، حيث يحافظ على ثباته حتى 1000 درجة مئوية، ويمكن استخدامه في عمليات الحرق لمرة واحدة أو إعادة الحرق.

يُستخدم البراسيوديميوم أيضًا كملوّن للزجاج، بألوان غنية وسوق واعدة. يمكن إنتاج منتجات زجاجية خضراء من البراسيوديميوم بألوان خضراء زاهية كالكراث والبصل الأخضر، والتي تُستخدم في إنتاج المرشحات الخضراء، وكذلك في زجاج الفنون والحرف اليدوية. يمكن استخدام أكسيد البراسيوديميوم وأكسيد السيريوم كنظارات واقية أثناء اللحام. كما يمكن استخدام كبريتيد البراسيوديميوم كملوّن بلاستيكي أخضر.