ธาตุหายากมหัศจรรย์ – เพรซิโอไดเมียม

เพรซิโอไดเมียมเป็นธาตุแลนทาไนด์ที่พบมากเป็นอันดับ 3 ในตารางธาตุเคมี โดยมีปริมาณมากถึง 9.5 ppm ในเปลือกโลก ต่ำกว่าเพียงซีเรียม, อิตเทรียม,แลนทานัม, และสแกนเดียมมันเป็นธาตุที่พบมากที่สุดเป็นอันดับ 5 ในธาตุหายาก แต่เหมือนกับชื่อของเขาเพรซีโอไดเมียมเป็นสมาชิกของกลุ่มแร่ธาตุหายากที่เรียบง่ายและเรียบง่าย

CF Auer Von Welsbach ค้นพบเพรซีโอดิเมียมในปี พ.ศ. 2428

ในปี ค.ศ. 1751 นักแร่วิทยาชาวสวีเดนชื่อ Axel Fredrik Cronstedt พบแร่หนักในพื้นที่ทำเหมือง Bastn äs ซึ่งต่อมาได้ตั้งชื่อว่า Cerite สามสิบปีต่อมา Vilhelm Hisinger วัย 15 ปีจากครอบครัวเจ้าของเหมืองได้ส่งตัวอย่างแร่ไปให้ Carl Scheele แต่เขาไม่พบธาตุใหม่ใดๆ ในปี ค.ศ. 1803 หลังจากที่ Singer กลายเป็นช่างตีเหล็ก เขาก็กลับมายังพื้นที่ทำเหมืองอีกครั้งกับ Jöns Jacob Berzelius และแยกออกไซด์ชนิดใหม่ คือ ดาวเคราะห์แคระ Ceres ซึ่งพวกเขาค้นพบเมื่อสองปีก่อน Ceria ถูกแยกออกโดย Martin Heinrich Klaproth ในเยอรมนี

ระหว่างปี พ.ศ. 2382 ถึง พ.ศ. 2386 คาร์ล กุสตาฟ โมซานเดอร์ ศัลยแพทย์และนักเคมีชาวสวีเดนได้ค้นพบว่าซีเรียมออกไซด์เป็นส่วนผสมของออกไซด์ เขาแยกออกไซด์อีกสองชนิด ซึ่งเขาเรียกว่าแลนทานาและดิดิมิอา “ดิดิมิอา” (แปลว่า “ฝาแฝด” ในภาษากรีก) เขาย่อยสลายออกไซด์บางส่วนซีเรียมไนเตรตตัวอย่างโดยการคั่วในอากาศแล้วจึงนำไปผ่านกระบวนการบำบัดด้วยกรดไนตริกเจือจางเพื่อให้ได้ออกไซด์ โลหะที่ก่อตัวเป็นออกไซด์เหล่านี้จึงถูกเรียกว่าแลนทานัมและเพรซีโอไดเมียม.

ในปี 1885 CF Auer Von Welsbach ชาวออสเตรียผู้ประดิษฐ์ผ้าโปร่งคลุมโคมไฟทอเรียมซีเรียม ได้แยก “เพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียม” หรือ “แฝดติดกัน” ออกจากกันสำเร็จ ซึ่งเกลือเพรซีโอไดเมียมสีเขียวและเกลือนีโอไดเมียมสีชมพูถูกแยกออกจากกันและพบว่าเป็นธาตุใหม่ 2 ชนิด ธาตุหนึ่งมีชื่อว่า “เพรซีโอไดเมียม” ซึ่งมาจากคำภาษากรีกว่า prason ซึ่งแปลว่าสารประกอบสีเขียว เนื่องจากสารละลายน้ำเกลือเพรซีโอไดเมียมจะมีสีเขียวสดใส ส่วนธาตุอีกชนิดหนึ่งมีชื่อว่า “นีโอไดเมียม“. การแยก “ฝาแฝดติดกัน” ได้สำเร็จ ช่วยให้พวกเขาสามารถแสดงความสามารถของตนเองได้อย่างอิสระ

โลหะเพรซิโอไดเมียม

โลหะสีขาวเงิน อ่อนและเหนียว เพรซีโอไดเมียมมีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมที่อุณหภูมิห้อง ความต้านทานการกัดกร่อนในอากาศจะแข็งแกร่งกว่าแลนทานัม ซีเรียม นีโอไดเมียม และยูโรเพียม แต่เมื่อสัมผัสกับอากาศ จะเกิดชั้นออกไซด์สีดำที่เปราะบาง และโลหะเพรซีโอไดเมียมขนาด 1 เซนติเมตรจะกัดกร่อนจนหมดภายในเวลาประมาณ 1 ปี

ชอบมากที่สุดธาตุหายากเพรซีโอไดเมียมมีแนวโน้มที่จะสร้างสถานะออกซิเดชันที่ +3 มากที่สุด ซึ่งเป็นสถานะเสถียรเพียงสถานะเดียวในสารละลายในน้ำ เพรซีโอไดเมียมมีสถานะออกซิเดชันที่ +4 ในสารประกอบของแข็งที่ทราบบางชนิด และภายใต้สภาวะการแยกเมทริกซ์ เพรซีโอไดเมียมสามารถไปถึงสถานะออกซิเดชันที่ +5 เฉพาะตัวในธาตุแลนทาไนด์

ไอออนเพรซีโอไดเมียมในน้ำมีสีเหมือนชาร์เทรอส และการใช้เพรซีโอไดเมียมในอุตสาหกรรมต่างๆ จำนวนมากเกี่ยวข้องกับความสามารถในการกรองแสงสีเหลืองในแหล่งกำเนิดแสง

ผังอิเล็กทรอนิกส์พราซีโอไดเมียม

การปล่อยมลพิษทางอิเล็กทรอนิกส์:

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

อิเล็กตรอน 59 ตัวของเพรซีโอไดเมียมถูกจัดเรียงเป็น [Xe] 4f36s2 ในทางทฤษฎี อิเล็กตรอนชั้นนอกทั้งห้าตัวสามารถใช้เป็นอิเล็กตรอนวาเลนซ์ได้ แต่การใช้อิเล็กตรอนชั้นนอกทั้งห้าตัวนั้นต้องมีเงื่อนไขที่รุนแรง โดยทั่วไป เพรซีโอไดเมียมจะปล่อยอิเล็กตรอนเพียงสามหรือสี่ตัวในสารประกอบของมัน เพรซีโอไดเมียมเป็นธาตุแลนทาไนด์ตัวแรกที่มีโครงสร้างอิเล็กตรอนที่สอดคล้องกับหลักการ Aufbau ออร์บิทัล 4f ของมันมีระดับพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัล 5d ซึ่งไม่สามารถใช้ได้กับแลนทานัมและซีเรียม เนื่องจากการหดตัวอย่างกะทันหันของออร์บิทัล 4f จะไม่เกิดขึ้นจนกว่าจะหลังจากแลนทานัมและไม่เพียงพอที่จะหลีกเลี่ยงการครอบครองเปลือก 5d ในซีเรียม อย่างไรก็ตาม เพรซีโอไดเมียมที่เป็นของแข็งแสดงการกำหนดค่า [Xe] 4f25d16s2 โดยที่อิเล็กตรอนหนึ่งตัวในชั้น 5d มีลักษณะคล้ายคลึงกับธาตุแลนทาไนด์สามวาเลนต์อื่นๆ ทั้งหมด (ยกเว้นยูโรเพียมและอิตเทอร์เบียม ซึ่งมีวาเลนต์สองในสถานะโลหะ)

เช่นเดียวกับธาตุแลนทาไนด์ส่วนใหญ่ เพรซีโอไดเมียมมักใช้อิเล็กตรอนเพียงสามตัวเป็นอิเล็กตรอนวาเลนซ์ และอิเล็กตรอน 4f ที่เหลือจะมีผลผูกพันที่แข็งแกร่ง เนื่องจากวงโคจร 4f ผ่านแกนซีนอนเฉื่อยของอิเล็กตรอนเพื่อไปถึงนิวเคลียส ตามด้วย 5d และ 6s และเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของประจุไอออน อย่างไรก็ตาม เพรซีโอไดเมียมยังคงสูญเสียอิเล็กตรอนวาเลนซ์ตัวที่สี่และบางครั้งอาจถึงตัวที่ห้าได้ เนื่องจากปรากฏขึ้นในช่วงแรกๆ ของระบบแลนทาไนด์ ซึ่งประจุนิวเคลียสยังคงต่ำเพียงพอ และพลังงานซับเชลล์ 4f ก็สูงเพียงพอที่จะทำให้สามารถกำจัดอิเล็กตรอนวาเลนซ์ได้มากขึ้น

เพรซิโอไดเมียมและธาตุแลนทาไนด์ทั้งหมด (ยกเว้นแลนทานัม, อิตเทอร์เบียมและลูทีเทียมไม่มีอิเล็กตรอน 4f ที่ไม่จับคู่กัน) เป็นพาราแมกเนติกที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งแตกต่างจากโลหะหายากอื่นๆ ที่แสดงการเรียงลำดับแบบแอนตี้เฟอร์โรแมกเนติกหรือเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิต่ำ เพรซีโอไดเมียมเป็นพาราแมกเนติกที่อุณหภูมิทั้งหมดที่สูงกว่า 1K

การประยุกต์ใช้พราซิโอไดเมียม

เพรซีโอไดเมียมส่วนใหญ่มักถูกนำไปใช้ในรูปของแร่ธาตุหายากแบบผสม เช่น เป็นตัวทำปฏิกิริยาบริสุทธิ์และปรับเปลี่ยนวัสดุโลหะ ตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมี แร่ธาตุหายากทางการเกษตร และอื่นๆเพรซีโอไดเมียม นีโอไดเมียมเป็นคู่ธาตุหายากที่มีความคล้ายคลึงกันมากที่สุดและแยกได้ยากที่สุด ซึ่งยากต่อการแยกด้วยวิธีการทางเคมี การผลิตทางอุตสาหกรรมมักใช้วิธีการสกัดและแลกเปลี่ยนไอออน หากใช้คู่ธาตุเหล่านี้ในรูปแบบของเพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียมเสริมสมรรถนะ ก็จะสามารถใช้ประโยชน์จากธาตุหายากได้อย่างเต็มที่ และยังมีราคาถูกกว่าผลิตภัณฑ์ธาตุเดี่ยวอีกด้วย

โลหะผสมนีโอดิเมียมพราซีโอไดเมียม(เพรซีโอไดเมียม นีโอไดเมียม โลหะ)ได้กลายเป็นผลิตภัณฑ์อิสระที่สามารถใช้เป็นทั้งวัสดุแม่เหล็กถาวรและสารเติมแต่งดัดแปลงสำหรับโลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็ก กิจกรรม การคัดเลือก และความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาการแตกร้าวปิโตรเลียมสามารถปรับปรุงได้โดยการเติมสารเข้มข้นเพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียมลงในตะแกรงโมเลกุล Y ซีโอไลต์ ในฐานะสารเติมแต่งดัดแปลงพลาสติก การเติมสารเสริมเพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียมลงในโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) สามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอของ PTFE ได้อย่างมีนัยสำคัญ

แร่ธาตุหายากปัจจุบันวัสดุแม่เหล็กถาวรเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการประยุกต์ใช้กับโลหะหายาก เพรซีโอไดเมียมเพียงอย่างเดียวอาจไม่โดดเด่นในฐานะวัสดุแม่เหล็กถาวร แต่เป็นองค์ประกอบเสริมที่ยอดเยี่ยมที่สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของแม่เหล็กได้ การเติมเพรซีโอไดเมียมในปริมาณที่เหมาะสมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุแม่เหล็กถาวรได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในการต้านอนุมูลอิสระ (ทนต่อการกัดกร่อนของอากาศ) และคุณสมบัติเชิงกลของแม่เหล็กได้ และได้รับการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และมอเตอร์ต่างๆ

นอกจากนี้ พราซีโอไดเมียมยังใช้บดและขัดวัสดุได้อีกด้วย อย่างที่เราทราบกันดีว่าผงขัดที่มีส่วนประกอบของซีเรียมบริสุทธิ์มักจะมีสีเหลืองอ่อน ซึ่งเป็นวัสดุขัดคุณภาพสูงสำหรับกระจกออปติก และได้เข้ามาแทนที่ผงเหล็กออกไซด์สีแดงที่มีประสิทธิภาพในการขัดต่ำและก่อให้เกิดมลภาวะต่อสภาพแวดล้อมในการผลิต ผู้คนพบว่าพราซีโอไดเมียมมีคุณสมบัติในการขัดที่ดี ผงขัดดินหายากที่มีพราซีโอไดเมียมจะปรากฏเป็นสีน้ำตาลแดง ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "ผงสีแดง" แต่สีแดงนี้ไม่ใช่สีแดงของเหล็กออกไซด์ แต่เนื่องจากมีพราซีโอไดเมียมออกไซด์อยู่ สีของผงขัดดินหายากจึงเข้มขึ้น พราซีโอไดเมียมยังใช้เป็นวัสดุบดชนิดใหม่เพื่อทำล้อบดคอรันดัมที่มีพราซีโอไดเมียม เมื่อเปรียบเทียบกับอะลูมินาสีขาว ประสิทธิภาพและความทนทานสามารถปรับปรุงได้มากกว่า 30% เมื่อบดเหล็กกล้าโครงสร้างคาร์บอน เหล็กกล้าไร้สนิม และโลหะผสมที่ทนอุณหภูมิสูง เพื่อลดต้นทุน ในอดีตมักใช้วัสดุเสริมเพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียมเป็นวัตถุดิบ ดังนั้นจึงเรียกว่าล้อเจียรเพรซีโอไดเมียมนีโอไดเมียมคอรันดัม

ผลึกซิลิเกตที่เจือปนด้วยไอออนเพรซีโอไดเมียมถูกนำมาใช้เพื่อลดความเร็วของพัลส์แสงลงเหลือหลายร้อยเมตรต่อวินาที

การเติมเพรซีโอไดเมียมออกไซด์ลงในเซอร์โคเนียมซิลิเกตจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองสดใสและสามารถใช้เป็นเม็ดสีเซรามิกได้ เพรซีโอไดเมียมเยลโล เพรซีโอไดเมียมเยลโล (Zr02-Pr6Oll-Si02) ถือเป็นเม็ดสีเซรามิกสีเหลืองที่ดีที่สุด ซึ่งยังคงเสถียรได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 1,000 ℃ และสามารถใช้สำหรับกระบวนการเผาครั้งเดียวหรือเผาซ้ำ

นอกจากนี้ พราซีโอไดเมียมยังใช้เป็นสีสำหรับกระจก ซึ่งมีสีสันที่สดใสและมีศักยภาพทางการตลาดสูง สามารถผลิตผลิตภัณฑ์กระจกสีเขียวพราซีโอไดเมียมที่มีสีเขียวต้นหอมและสีเขียวต้นหอมสดใส ซึ่งสามารถใช้ทำฟิลเตอร์สีเขียวและกระจกสำหรับงานศิลปะและงานฝีมือได้ การเติมพราซีโอไดเมียมออกไซด์และซีเรียมออกไซด์ลงในกระจกสามารถใช้เป็นแว่นตาสำหรับเชื่อมได้ พราซีโอไดเมียมซัลไฟด์ยังใช้เป็นสีพลาสติกสีเขียวได้อีกด้วย