ดินแดนหายากมหัศจรรย์ | เปิดเผยความลับที่คุณไม่รู้

อะไรคือแร่ธาตุหายาก?
มนุษย์มีประวัติศาสตร์ยาวนานกว่า 200 ปี นับตั้งแต่มีการค้นพบแร่ธาตุหายากในปี พ.ศ. 2337 เนื่องจากในเวลานั้นมีแร่ธาตุหายากเพียงไม่กี่ชนิด จึงสามารถผลิตออกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำได้ในปริมาณเพียงเล็กน้อยเท่านั้นด้วยวิธีทางเคมี ในอดีต ออกไซด์ดังกล่าวมักถูกเรียกว่า "ดิน" ดังนั้นจึงเรียกว่าแร่ธาตุหายาก

ในความเป็นจริง แร่ธาตุหายากไม่ได้หายากในธรรมชาติ แร่ธาตุหายากไม่ใช่ดิน แต่เป็นธาตุโลหะทั่วไป ประเภทที่ใช้งานได้ของแร่ธาตุหายากนี้รองจากโลหะอัลคาไลและโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธเท่านั้น แร่ธาตุหายากมีปริมาณอยู่ในเปลือกโลกมากกว่าทองแดง สังกะสี ดีบุก โคบอลต์ และนิกเกิลทั่วไป

ในปัจจุบัน แร่ธาตุหายากถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา เช่น อิเล็กทรอนิกส์ ปิโตรเคมี โลหะวิทยา เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นพบการใช้งานใหม่ๆ ของแร่ธาตุหายากได้ทุกๆ 3-5 ปี และจากการประดิษฐ์คิดค้นทุกๆ 6 อย่าง เราไม่อาจขาดแร่ธาตุหายากไปได้

จีนมีแร่ธาตุหายากอยู่มากมาย โดยอยู่ในอันดับ 1 ใน 3 ของโลก ได้แก่ ปริมาณสำรอง ขนาดการผลิต และปริมาณการส่งออก ขณะเดียวกัน จีนยังเป็นประเทศเดียวที่สามารถจัดหาแร่ธาตุหายากครบทั้ง 17 ชนิดได้ โดยเฉพาะแร่ธาตุหายากระดับกลางและหนักที่มีการใช้งานทางการทหารอย่างโดดเด่น

องค์ประกอบของธาตุหายาก

ธาตุหายากประกอบด้วยธาตุแลนทาไนด์ในตารางธาตุทางเคมี:แลนทานัม(ลา),ซีเรียม(ซี),เพรซีโอไดเมียม(ป.)นีโอไดเมียม(Nd), โพรมีเทียม (Pm),ซาแมเรียม(เอสเอ็ม),ยูโรเพียม(อียู),แกโดลิเนียม(พระเจ้า)เทอร์เบียม(ทบ),ดิสโพรเซียม(ดีย์),โฮลเมียม(โฮ),เออร์เบียม(เอ่อ),ทูเลียม(ทม),อิตเทอร์เบียม(ยบ),ลูทีเทียม(Lu) และสององค์ประกอบที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแลนทาไนด์:สแกนเดียม(สค) และอิตเทรียม(ย).

มันถูกเรียกว่าแร่ธาตุหายากเรียกย่อๆ ว่า Rare Earth

การจำแนกประเภทธาตุหายาก

จำแนกตามคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของธาตุ:

ธาตุหายากเบา:สแกนเดียม, อิตเทรียม, แลนทานัม, ซีเรียม, เพรซีโอดิเมียม, นีโอไดเมียม, โพรมีเทียม, ซาแมเรียม, ยูโรเพียม

ธาตุหายากชนิดหนัก:แกโดลิเนียม, เทอร์เบียม, ดิสโพรเซียม, โฮลเมียม, เออร์เบียม, ทูเลียม, อิตเทอร์เบียม, ลูทีเซียม

จำแนกตามลักษณะแร่ธาตุ :

กลุ่มเซเรียม:แลนทานัม, ซีเรียม, เพรซีโอไดเมียม, นีโอไดเมียม, โพรมีเทียม, ซาแมเรียม, ยูโรเพียม

กลุ่มอิตเทรียม:แกโดลิเนียม, เทอร์เบียม, ดิสโพรเซียม, โฮลเมียม, เออร์เบียม, ทูเลียม, อิตเทอร์เบียม, ลูทีเซียม, สแกนเดียม, อิตเทรียม

การจำแนกตามการแยกสกัด:

ธาตุหายากเบา (P204 สกัดด้วยกรดอ่อน):แลนทานัม, ซีเรียม, เพรซีโอไดเมียม, นีโอไดเมียม

แร่ธาตุหายากระดับกลาง (การสกัดด้วยกรดต่ำ P204):ซาแมเรียม ยูโรเพียม แกโดลิเนียม เทอร์เบียม ดิสโพรเซียม

ธาตุหายากหนัก (การสกัดด้วยกรดใน P204):โฮลเมียม, เออร์เบียม, ทูเลียม, อิตเทอร์เบียม, ลูเทเซียม, อิตเทรียม

สมบัติของธาตุหายาก

ฟังก์ชันมากกว่า 50 ประการของธาตุหายากมีความเกี่ยวข้องกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ 4f เฉพาะตัว ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในวัสดุแบบดั้งเดิมและวัสดุใหม่ที่มีเทคโนโลยีสูง

วงโคจรอิเล็กตรอน 4f

1. คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี

★ มีคุณสมบัติเป็นโลหะที่ชัดเจน เป็นสีเทาเงิน ยกเว้นเพรซิโอไดเมียมและนีโอไดเมียม จะเห็นเป็นสีเหลืองอ่อน

★ สีออกไซด์ที่เข้มข้น

★ สร้างสารประกอบที่เสถียรกับธาตุที่ไม่ใช่โลหะ

★ เมทัลมีชีวิตชีวา

★ ออกซิไดซ์ในอากาศได้ง่าย

2 คุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์

★ ชั้นย่อย 4f ที่ไม่มีการเติม ซึ่งอิเล็กตรอน 4f ถูกปกป้องโดยอิเล็กตรอนภายนอก ส่งผลให้มีเงื่อนไขสเปกตรัมและระดับพลังงานที่หลากหลาย

เมื่ออิเล็กตรอน 4f เปลี่ยนผ่าน พวกมันสามารถดูดซับหรือปล่อยรังสีที่มีความยาวคลื่นต่างๆ ตั้งแต่ช่วงอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้จนถึงช่วงอินฟราเรด ทำให้เหมาะแก่การนำมาใช้เป็นวัสดุเรืองแสง

★ มีการนำไฟฟ้าที่ดี สามารถเตรียมโลหะหายากด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิสได้

บทบาทของอิเล็กตรอน 4f ของธาตุหายากในวัสดุใหม่

1.วัสดุที่ใช้คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ 4f

★ การจัดเรียงสปินอิเล็กตรอน 4f:แสดงออกมาเป็นแม่เหล็กที่แข็งแกร่ง เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุแม่เหล็กถาวร วัสดุสร้างภาพ MRI เซนเซอร์แม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวด ฯลฯ

★ การเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนวงโคจร 4f: มีลักษณะเป็นสารเรืองแสง เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุเรืองแสง เช่น ฟอสเฟอร์ เลเซอร์อินฟราเรด เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ เป็นต้น

การเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ในแถบนำทางระดับพลังงาน 4f: แสดงออกมาในรูปของคุณสมบัติในการลงสี ซึ่งเหมาะสำหรับการลงสีและการฟอกสีของส่วนประกอบจุดร้อน เม็ดสี น้ำมันเซรามิก แก้ว ฯลฯ

2 เกี่ยวข้องทางอ้อมกับอิเล็กตรอน 4f โดยใช้รัศมีไอออน ประจุ และคุณสมบัติทางเคมี

★ ลักษณะทางนิวเคลียร์:

 หน้าตัดการดูดซับนิวตรอนความร้อนขนาดเล็ก เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุโครงสร้างของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ฯลฯ

 หน้าตัดการดูดซับนิวตรอนขนาดใหญ่ เหมาะสำหรับวัสดุป้องกันของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ฯลฯ

★ รัศมีไอออนของธาตุหายาก ประจุ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี:

 ข้อบกพร่องของโครงตาข่าย รัศมีไอออนิกที่คล้ายกัน คุณสมบัติทางเคมี ประจุที่แตกต่างกัน เหมาะสำหรับการทำความร้อน ตัวเร่งปฏิกิริยา องค์ประกอบการตรวจจับ ฯลฯ

คุณสมบัติเฉพาะของโครงสร้าง – เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุแคโทดอัลลอยด์เก็บไฮโดรเจน วัสดุดูดซับไมโครเวฟ ฯลฯ

คุณสมบัติทางแสงไฟฟ้าและทางไฟฟ้า เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุปรับแสง เซรามิกโปร่งใส เป็นต้น