اللانثانيدات والأكتينيدات: دليل إلى الفئة f

قد يبدو الصفان المفصولان تحت الجدول الدوري ملحقًا، لكنهما يضمان بعضًا من أهم العناصر في التقنية والطاقة الحديثتين. فالمغانط في الهواتف ومحركات السيارات الكهربائية، ووقود محطات الطاقة النووية، ومصادر الطاقة لمسابير الفضاء السحيق، كلها تأتي من هذين الصفين. وهما معًا يشكّلان الفئة f، حيث تملأ الإلكترونات مدارات f. والصف العلوي هو اللانثانيدات والسفلي هو الأكتينيدات.

بنية الفئة f

هناك سبعة مدارات f تتسع لأربعة عشر إلكترونًا. وتمتد اللانثانيدات من اللانثانوم (57) إلى اللوتيشيوم (71)، والأكتينيدات من الأكتينيوم (89) إلى اللورنسيوم (103)، أي خمسة عشر عنصرًا في كل سلسلة وفق العرف المعتاد الذي يُدخل العنصر الأول.

تقع مدارات 4f التي تمتلئ عبر اللانثانيدات في عمق الذرة، محجوبة بإلكترونات 5s و5p الخارجية. والإلكترونات التي تشارك في الكيمياء هي في الغالب الخارجية، لذا تتشابه اللانثانيدات فيما بينها تشابهًا لافتًا. ومعظمها يوجد في صورة أيونات +3. والاستثناءات، مثل السيريوم في الحالة +4 واليوروبيوم في الحالة +2، مرتبطة بمستويات f فرعية تصبح فارغة أو نصف ممتلئة أو ممتلئة.

انكماش اللانثانيدات

من اللانثانوم إلى اللوتيشيوم يرتفع العدد الذري أربعة عشر، ومع ذلك تصغر الذرات وأيوناتها +3 قليلًا. هذا هو انكماش اللانثانيدات.

السبب هو الحجب الضعيف الذي توفره إلكترونات 4f. فكل خطوة تضيف بروتونًا وإلكترون 4f واحدًا، لكن مدارات f منتشرة وغريبة الشكل، فلا تفعل إلا القليل لحجب الإلكترونات الخارجية عن الشحنة النووية المتنامية. لذا تتزايد الشحنة النووية الفعالة التي تشعر بها الإلكترونات الخارجية، فتنشد السحابة الإلكترونية إلى الداخل.

ويترك هذا الانكماش الصغير آثاره في أنحاء الجدول كله.

• الزركونيوم والهافنيوم توأمان: الهافنيوم في الدورة 6 في حجم الزركونيوم الواقع فوقه مباشرة في الدورة 5 تقريبًا تمامًا. وعادةً يكون العنصر الواقع دورة أدنى أكبر، لكن انكماش اللانثانيدات يلغي هذه الزيادة. والعنصران متشابهان كيميائيًا إلى حد أن الهافنيوم لم يُكتشف حتى عام 1923، مختبئًا في خامات الزركونيوم، ولا يزال فصلهما صعبًا.
• فلزات الدورة 6 الكثيفة جدًا: ذرات لا تكاد تكبر في الحجم بينما تكتسب كتلة كبيرة تجعل الأوزميوم والإريديوم والبلاتين كثيفة على نحو استثنائي.
• لانثانيدات عسيرة الفصل: لا تختلف اللانثانيدات المتجاورة في الحجم إلا قليلًا جدًا، ما يجعل فصلها كيميائيًا عملًا مضنيًا. وقبل أن تنضج طرق التبادل الأيوني والاستخلاص بالمذيبات في منتصف القرن العشرين، كان الحصول على لانثانيد نقي أمرًا بالغ المشقة.

عناصر أرضية نادرة ليست نادرة جدًا

العناصر الأرضية النادرة هي اللانثانيدات الخمسة عشر مع السكانديوم والإتريوم، أي سبعة عشر عنصرًا إجمالًا. والسكانديوم والإتريوم من عناصر المجموعة 3، لكنهما يوجدان في المعادن نفسها وتسلك أيوناتهما +3 سلوكًا مشابهًا، لذا يُجمعان معها.

رغم الاسم، ليست العناصر الأرضية النادرة شحيحة على نحو خاص في القشرة الأرضية. فالسيريوم في وفرة النحاس تقريبًا، وحتى الأندر منها كالثوليوم واللوتيشيوم أكثر شيوعًا من الذهب أو البلاتين. وهي تُسمى نادرة لأن الرواسب المركزة المجدية اقتصاديًا غير شائعة، ولأن فصل هذه العناصر شبه المتطابقة وتكريرها صعب. والبروميثيوم هو الاستثناء: فليس له نظائر مستقرة، ولا يوجد في الطبيعة إلا بآثار ضئيلة.

يدور كثير من تاريخ العناصر الأرضية النادرة حول إيتربي، وهي قرية صغيرة في السويد. فقد أعطت معادن من محجر قريب الإتريوم والتربيوم والإربيوم والإتيربيوم، وسُمّيت العناصر الأربعة كلها باسم القرية.

وفي الصناعة الحديثة تُحدث كميات صغيرة من العناصر الأرضية النادرة فروقًا كبيرة في الأداء.

• النيوديميوم والبراسوديميوم والديسبروسيوم: المغانط الدائمة من النيوديميوم والحديد والبورون في محركات المركبات الكهربائية وتوربينات الرياح وسماعات الأذن والأقراص الصلبة.
• الساماريوم: مغانط الساماريوم والكوبالت التي تحتفظ بقوتها في درجات الحرارة العالية.
• اليوروبيوم والتربيوم: الفوسفورات الحمراء والخضراء في الشاشات والمصابيح الفلورية.
• الإربيوم: مضخمات الإشارة في الاتصالات بالألياف الضوئية.
• الغادولينيوم: عوامل التباين في التصوير بالرنين المغناطيسي.
• السيريوم: مسحوق صقل الزجاج وحفّازات عوادم السيارات.
• اللانثانوم: سبائك في بطاريات النيكل وهيدريد الفلز، وزجاج عدسات الكاميرات العالي معامل الانكسار.

كثيرًا ما ينتج التعدين والتكرير نفايات حمضية ونواتج ثانوية مشعة كالثوريوم واليورانيوم، لذا فالعبء البيئي كبير. كما يتركز الإنتاج والتكرير في عدد قليل من البلدان، ما جعل أمن الإمداد قضية سياسية في أماكن كثيرة. وهذا أحد أسباب الاهتمام المتزايد بإعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة من الأجهزة الإلكترونية المستهلكة.

الأكتينيدات: كلها مشعة

ليس لأي من الأكتينيدات الخمسة عشر نظير مستقر. غير أن للثوريوم واليورانيوم أعمار نصف طويلة إلى حد أنهما بقيا منذ تكوّن الأرض، فهما عنصران بدائيان. فعمر النصف للثوريوم-232 نحو 14 مليار سنة، ولليورانيوم-238 نحو 4.5 مليار سنة، ولليورانيوم-235 نحو 700 مليون سنة. وتجعل أعمار النصف الطويلة هذه نظائر اليورانيوم أداة رئيسية للتأريخ الإشعاعي للصخور وللأرض نفسها.

وعلى خلاف اللانثانيدات، تُظهر الأكتينيدات المبكرة طيفًا واسعًا من حالات الأكسدة. فاليورانيوم يتراوح من +3 إلى +6، والبلوتونيوم من +3 إلى +7. فمدارات 5f تمتد أبعد عن النواة من مدارات 4f وتشارك في الترابط بسهولة أكبر. وقد دفع هذا السلوك كيميائيي أوائل القرن العشرين إلى معاملة هذه العناصر امتدادًا لفلزات الفئة d الانتقالية، وهو رأي صححه مفهوم غلين سيبورغ للأكتينيدات عام 1945.

العناصر ما بعد اليورانيوم

تُسمى العناصر ذات الأعداد الذرية الأعلى من عدد اليورانيوم 92 العناصر ما بعد اليورانيوم. وهي تكاد تكون غائبة عن الطبيعة، وقد صُنعت كلها تقريبًا اصطناعيًا أول مرة.

1. في عام 1940 في بيركلي قذف إدوين ماكميلان وفيليب أبلسون اليورانيوم بالنيوترونات فأنتجا النبتونيوم (93).
2. وبعد ذلك بقليل تعرّف فريق سيبورغ على البلوتونيوم (94). والبلوتونيوم-239 ينشطر بسهولة، ما منحه دورًا ضخمًا في تاريخ الطاقة النووية والأسلحة النووية.
3. وتلاهما الأمريسيوم (95) والكوريوم (96) نحو عام 1944، والبركيليوم (97) والكاليفورنيوم (98) في 1949–1950.
4. وتُعرِّف على الأينشتاينيوم (99) والفيرميوم (100) أول مرة عام 1952 في حطام اختبار قنبلة هيدروجينية.
5. وصُنع المندليفيوم (101) والنوبليوم (102) واللورنسيوم (103) في المسرّعات بإطلاق أيونات خفيفة على نوى أهداف ثقيلة.

تقصر أعمار النصف عمومًا كلما ارتفع العدد الذري، ويهبط عدد الذرات التي يمكن صنعها دفعة واحدة هبوطًا حادًا. ولم يُجمع قط أي عنصر بعد الفيرميوم بكمية مرئية.

النشاط الإشعاعي واستخداماته

العناصر المشعة خطرة، لكنها حين يُفهم سلوكها ويُضبط تكون مفيدة للغاية.

• اليورانيوم-235: وقود مفاعلات الطاقة النووية. ولا يشكّل إلا نحو 0.7 في المئة من اليورانيوم الطبيعي، لذا يُخصَّب الوقود عادة.
• البلوتونيوم-238: وقود المولّدات الكهروحرارية بالنظائر المشعة، التي تحوّل حرارة الاضمحلال إلى كهرباء. وقد شغّلت مسابير الفضاء السحيق البعيدة عن الشمس والمركبات الجوالة على المريخ.
• الأمريسيوم-241: عمر النصف نحو 432 سنة. تُستخدم كمية ضئيلة منه في بعض كواشف الدخان التأيّنية.
• الكاليفورنيوم-252: مصدر قوي للنيوترونات يُستخدم لبدء تشغيل المفاعلات وتحليل المواد.

لا يتوقف خطر الإشعاع على العنصر وحده، بل على نوع الإشعاع (ألفا أو بيتا أو غاما) والجرعة وطريق التعرض. فمُطلِق ألفا خارج الجسم توقفه ورقة واحدة، لكنه إذا استُنشق أو ابتُلع قد يُحدث ضررًا جسيمًا. ولهذا لا يُتعامل مع الأكتينيدات إلا وفق لوائح صارمة.

خلاصة

اللانثانيدات متشابهة إلى حد يصعب معه فصلها، ومع ذلك تحدد فروقها الدقيقة أداء المغانط والفوسفورات والليزرات. والأكتينيدات كلها مشعة، وهي محورية في الطاقة النووية واستكشاف الفضاء والتأريخ الإشعاعي. ومع أن الصفين يقعان بمعزل عن الجدول الرئيسي، فإنهما يتبعان القاعدة نفسها التي يتبعها كل ما فوقهما: الإلكترونات تملأ المدارات بالترتيب. انقر على عناصر الفئة f وقارن حالات أكسدتها وتواريخ اكتشافها لترى النمط بنفسك.