ما هي العناصر النادرة وما دورها في تطور المجتمع

يستخدم معظم الأميركيين العناصر النادرة كل يوم دون معرفة ذلك، أو معرفة أي شيء حول ما يفعلونه. وقد يتغير ذلك، بعد أن أصبحت العناصر النادرة نقطة محورية في الحرب التجارية المتصاعدة بين الصين والولايات المتحدة.

يشرح ستانلي بيرتزمان (Stanley Mertzman) وهو جيولوجي متخصص في تحليل الصخور والمعادن بواسطة الأشعة السينية، والذي يقوم بتدريس علم المعادن في كلية فرانكلين ومارشال (Franklin and Marshall College)، المزيد عن هذه العناصر النادرة المدهشة وغير المعروفة – والالكترونيات الحديثة التي تجعلها قابلة للاستخدام.

1. ما هي عناصر الأرض النادرة؟

التعريف الدقيق للكلمة:

• هي عناصر كيميائية كغيرها من العناصر كالكربون والهيدروجين والأكسجين.
• تتراوح أعدادها الذرية بين 57 و71. و
• هناك نوعان آخران لهما خصائص متشابهة، تُلحق في بعض الأحيان بهذه العناصر.
• ولكن العناصر الأرضية النادرة الرئيسية هي تلك الخمسة عشر عنصرًا.
• لتحضير العنصر الأول وهو اللانثانيوم، نبدأ بذرة باريوم ونضيف لها بروتونًا واحدًا وإلكترونًا واحدًا.
• ونضيف لكل عنصر من عناصر الأرض النادرة المتتالية بروتونًا إضافيًا وإلكترونًا إضافيًا.

من المهم وجود 15 عنصرًا نادرًا وقد يذكُر طلاب الكيمياء أنه عندما تتم إضافة الإلكترونات إلى ذرة.

• فإنها تأخذ شكل مجموعات، أو طبقات تدعى المدارات، شبيهة بالدوائر مُتحِدة المركز حول النوّاة – مركز الذرة.

يحتوي المدار الأول لأي ذرّة على إلكترونين؛ إضافة إلكترون ثالث يعني إضافته للمدار الثاني، هذا هو المكان الذي تذهب إليه الإلكترونات السبعة التالية أيضًا، بعدها يجب أن تذهب الإلكترونات إلى المدار الثالث، الذي باستطاعته احتواء 18 الكترون وتَدخل الإلكترونات الـ 18 التالية إلى المدار الرابع.

ثم تتعقد الأمور قليلاً، حيث وبالرغم من أنه لا يزال هناك مجال للإلكترونات في المدار الرابع، فإنّ الإلكترونات الثمانية التالية تدخل في المدار الخامس، وبالرٌغُم من أنّ مساحة المدار الخامس أكبر، فإنّ الإلكترونين التاليين بعد ذلك يدخلان إلى المدار السادس.

هذا وعندما نصل للعدد الذري 56 نكون قد حصلنا على ذرة الباريوم، ويبدأ حينها ملئ تلك المواقع الفارغة في المدارات السابقة. حيث أنّ إضافة إلكترون يجعل من اللانثانيوم أول عنصر من العناصر النادرة ويوضع ذلك الإلكترون في المدار الخامس، ونحضر السيريوم ذو العدد الذري 58 بإضافة إلكترون آخر إلى المدار الرابع.

ويحضر العنصر الذي يليه، البراسيوديميوم، بتحريك الإلكترون الأحدث في المدار الخامس إلى الرابع، مع إضافة إلكترونًا آخر، فتملأ الالكترونات الإضافية المدار الرابع.

تؤثر إلكترونات المدار الخارجي في جميع العناصر بشكل كبير على الخواص الكيميائية للعنصر. والسبب أن الأتربة النادرة لها تكوينات متطابقة للإلكترون الخارجي في المدار السطحي، ولذلك خصائصها متشابهة تماماً.

2. هل العناصر الأرضية النادرة نادرة حقاً؟

كلا، إنها أكثر وفرة على سطح الأرض من العديد من العناصر القيّمة الأخرى. فمثلاً الثيوليوم ذو العدد الذري 69 (الظاهر في الصورة)، أكثر شيوعاً من الذهب بما يقارب 125 مرة، والذي يُعد من أكثر العناصر النادرة نُدرةً على سطح الأرض، بينما السيريوم ذو العدد الذري 56 وهو من أكثر العناصر النادرة تواجدا يتوافر أكثر من الذهب ب 15،000 مرة.

وهي نادرة من وجهة نظر البعض في حين يدعوها علماء المعادن “مبعثَرة“، أي غالباً ما تنتشر في الكوكب بتراكيز منخفضة نسبياً.

غالباً ما تتواجد العناصر النادرة في صخور بركانيّة نادرة تسمى الكربونات وأشهرها البازلت الموجود في هاواي أو إيسلندا، أو أنديزيت في جبل سانت هيلينز أو فولكانو فويغو في غواتيمالا.

هناك عدد قليل من المناطق التي لديها الكثير من التربة النادرة – ومعظمها في الصين، والتي تنتج أكثر من 80 في المئة من الإجمالي العالمي بما يقدر ب 130000 ألف طن، لدى أستراليا بعض المناطق أيضًا، كما هو الحال في بعض البلدان الأخرى، ولدى الولايات المتحدة مساحة صغيرة تحوي العديد من الأتربة النادرة، آخر مصادرها كان في كاليفورنيا (ممر الجبل) الذي تم إغلاقه في 2015.

3. إذا كانت هذه العناصر غير نادرة، فهل هي باهظة الثمن؟

نعم، إنها باهظة جدًا. ففي عام 2018، بلغت تكلفة أكسيد النيوديميوم ذو العدد الذري 60 ما يقارب 107000 دولار لكل طن متري، ومن المتوقع أن يرتفع السعر إلى 150000 دولار بحلول عام 2025. أما سعر اليوروبيوم فبلغ حوالي 712000 دولار للطن الواحد.

إنّ أحد أهم الأسباب لارتفاع أسعار هذه المواد هي صعوبة عملية الفصل الكيميائي لها والحصول عليها نقيّة.

4. ما هي الفائدة من العناصر الأرضية النادرة؟

في النصف الثاني من القرن العشرين، جاء اليوروبيوم ذو العدد الذري 63، إلى الواجهة بسبب ازدياد الطلب عليه لدوره كفوسفور لإنتاج الألوان في شاشات الفيديو بما في ذلك شاشات الحاسوب وأجهزة التلفاز البلازمية، بالإضافة لدوره في امتصاص النيوترونات في قضبان التحكم في المفاعلات النوويّة.

الطلب على المعادن النادرة يزيد بشكل إطرادي منذ منتصف القرن العشرين. ولا يوجد بدائل حقيقية يستعاض بها عن العناصر النادرة. فمدى أهميتها البالغة في التطبيقات المختلفة ومدى صعوبة تعدينها واستخدامها يجعلها ضمن معركة التسعيرات المختلفة، هذا مما يضع الولايات المتحدة في موقف سيء للغاية، ويحول البلاد والمعادن النادرة إلى بيادق في لعبة الشطرنج الاقتصاديّة بين الدول

المصدر:

Stanley Merzman, Franklin & Marshall College. Rare Earth Elements are Crucial to Modern Society. So, What Are They? Discovery Magazine. Retrieved October 30, 2018, from http://blogs.discovermagazine.com/crux/2018/08/21/what-are-rare-earth-elements