POVIJEST ELEMENATA RIJETKIH ZEMALJA

Povijest rijetkih zemalja započinje 1751. kada je Švedski mineralogist i kemičar Axel Fredrik Cronstedt (1722.-1765.) opisao neobično teški, crvenkasti mineral (kasnije nazvan cerit) što ga je pronašao u kamenolomu Bastnäs, pokraj Eyddarhyttana u Švedskoj. Mineral je analizirao slavni švedski kemičar Carl Wilhelm Scheele (1742.-1786.) i zaključio da sadrži samo silikate željeza i aluminija. U narednih pet desetljeća Cronstedtov mineral pao je u zaborav.

Priču je nastavio 1787. švedski kemičar poručnik Carl Axel Arrhenius (1757.-1824.) pronalaskom zanimljivog veoma teškog crnog minerala u malom rudniku feldšpara i kvarca pored Ytterbya, sela u blizini Stockholma, Švedska. Iterbit, kako ga je Arrhenius nazvao, prvi je znanstveno opisao švedski mineralogist Bengt Reinhold Geijer (1758.-1851.) koji je pretpostavio da mineral sadrži novopronađeni element volfram.

Složenost sastava ova dva minerala, cerita i iterbita (kasnije nazvanog gadolinit), i težina njihove analize može se vidjeti na slici 3. Iako je cerit prvi otkriveni mineral rijetkih zemalja, iterbit odnosno gadolinit je izvor prvog poznatog elementa rijetkih zemalja. Njega je pronašao 1794. finski kemičar Johan Gadolin (1760.-1852.).

Slika 3. 150 godina povijesti rijetkih zemalja prikazuje složenost sastava minerala cerita i iterbita (gadolinit) i težinu njihove analize. → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Otvaranje je počelo

Analizirajući Arrheniusov mineral Gadolin je našao da se sastoji od 23 % silicijevog dioksida, 4.5 % berilijevog oksida, 16.5 % željezovog oksida i oko 55.5 % novog oksida kojeg je nazvao iterbija. Tri godine kasnije švedski kemičar i mineralog Anders Gustaf Ekeberg (1767.-1813.) potvrdio je Gadolinijevu analizu i skratio ime iterbija u itrija.

Stari Grci definirali su zemlje kao materijale koji preostanu nakon gorenja i ne mijenjaju se daljnjim zagrijavanjem. Ovaj grčki koncept dugo se zadržao u kemiji. Tako je i francuski kemičar Antoine Lavoisier (1743.-1794.), poznat kao 'otac moderne kemije', na kraju svoje tablice elemenata smjestio vapno, magneziju, bariju i glinicu, okside tada nepoznatih metala. Tek je 1808. engleski kemičar Sir Humphry Davy (1778.-1829.) pokazao da zemlje nisu elementi već spojevi metalnih elemenata i kisika. Ne čudi da su novootkriveni oksidi metala dobili naziv rijetke zemlje.

Nakon otkrića itrije kemičari su odlučili pomnije pogledali Cronstedtov 'teški kamen iz Bastanäsa'. Švedski znanstvenik Wilhelm Hisinger (1766.-1852.) je, zajedno s mladim kemičarom Jöns Jakob Berzeliusom (1779.-1848.), 1803. analizirao uzorak 'tungstena (teški kamen na švedskom) iz Bastanäsa' i pronašao da sadrži zemlju vrlo sličnu itriji ali ipak različitu. Švedski kemičari novu su zemlju nazvali cerija po asteroidu Ceresu kojeg je dvije godine ranije, 1801., otkrio talijanski redovnik i astronom Guiseppe Piazza (1746.-1826.).

U isto vrijeme je, neovisno o Hisingeru i Berzeliusu, njemački kemičar Martin Klaproth (1743.-1817.) analizirajući 'tungsten iz Bastanäsa' došao do istog zaključka. Novi element koji je pronašao, Klaproth je nazvao okroit (od grčke riječi ochra za žuto-smeđu boju) zbog njegove svjetlosmeđe boje (riječ je o zemljama, tj. oksidima a ne elementima). Hisinger, Berzelius i Klaproth uobičajeno se smatraju kao suotkrivači cerija.

Nitko od njih nije bio svjestan da novi elementi više nalikuju ruskoj babuški (odnosno matrjoški) nego čistom elementu (Slika 3). Prvu babušku otvorio je 1839. Berzeliusov student, švedski kemičar Carl Gustav Mosander (1797.-1858.), kada je razdvojio ceriju na čistu ceriju i novu zemlju koju je nazvao lantana (od grčke riječi lanthanein, leži skriveno, jer je lantana ostala 36 godina skrivena u ceritu nakon otkrića cerije 1803.). Da i lantana ima svoje tajne pokazao je Mosander 1842. kada je iz nje izdvojio novu zemlju koju je nazvao didimija (od grčke riječi didymos za blizance, zbog njene velike sličnosti s lantanom).

Slika 4. Elementi rijetkih zemalja ugniježđeni kao ruske višeslojne lutke (matrjoška ili babuška lutkice): crvena je 'cerijeva babuška' a plava je 'itrijeva babuška'. → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Itrijeva babuška

Iduće godine Mosander je uzeo u ruke 'itrijevu babušku' kako bi je pokušao otvoriti. Razdvojio je itriju na čak tri frakcije: prva je imala oksid žute boje, nju je nazvao erbija, drugi oksid ružičaste boje nazvao je terbija a bezbojni oksid je nastavio zvati itrijom. Kao što je razdvojio dvije nove zemlje iz itrije, Mosander je i imena terbije i erbije izveo iz imena mjesta Ytterby po kojem je itrija dobila ime.

Da zabuna bude još veća, zbog sličnosti svojstava elemenata rijetkih zemalja, negdje oko 1960. dva od njih su zamijenila imena: trebij je postao erbij a erbij terbij.

Nakon Mossanderovog rada i drugi kemičari su se bacili u potragu za novim rijetkim zemljama ali je to bio pretvrd orah za tehnike kojima su raspolagali. Do prekretnica je došlo 1859. kada su njemački kemičar Robert Wilhelm Bunsen (1811.-1899.) i fizičar Gustav Robert Kirchhoff (1824.-1887.) otkrili spektroskop. Razvoj spektralne analize napokon je dao istraživačima prijeko potrebni alat za identifikaciju rijetkih zemalja.

Švicarski kemičar Jean-Charles Galissard de Marignac (1817.-1894.) napokon je, 1878., uspio rastaviti jednu od 'babuški rijetkih zemalja' čime je pokrenu lavinu novih otkrića. On je pokazao da se Mosanderova terbija, sada erbija, može rastaviti na dvije zemlje: ružičastu zemlju je nastavio zvati erbijom a bezbojnoj je dao ime iterbija.

Bilješka: Ovim je malo selo na švedskom otoku Resarö, u Stockholmskom arhipelagu sad postalo zaslužno za imena ni manje ni više nego četiri elementa: itrija (Y), terbija (Tb), erbija (Er) i iterbija (Yb).

Ni ova erbija, međutim, još nije bila čista. Već slijedeće godine švedski kemičar Per Theodor Cleve (1840.-1905.) uspio je razdvojit erbiju na čistu erbiju i dvije nove zemlje: smeđu je nazvao holmija, po latinskom imenu svog rodnog grada Stockholma, a zelenkastu tulija (Thule je staro ime za Skandinaviju).

Ali, jedna od novootkrivenih zemalja krila je još tajni u sebi. Francuski kemičar François Lecoq de Boisbaudran (1838.-1912.) uspio je 1886. izdvojiti novi oksid iz holmije koji je nazvao disprosija (od grčkog glagola dysprositos, teško se dobiva).

Tijekom rutinskog postupka izolacije veoma čiste iterbije (iterbijeva oksida, Yb₂O₃) iz minerala euksenita, 1879., švedski kemičar Lars Fredrik Nilson (1840.-1899.) pronašao je tragove nepoznate zemlje koju je nazvao skandija (ovaj put po latinskom imenu za Skandinaviju, Scandia).

Godine 1880. Galissard de Marignac otkrio je da jedna od frakcija gadolinita, poznata kao terbija, sadrži do tada nepoznati element koji je provizorno nazvao Yα. Šest godina kasnije, 1886. uspio je dobiti čistu Yα zemlju iz Mosanderove didimije. Boisbaudran je predložio a Marignac se složio da Yα preimenuju u gadolinij po mineralu u kojem je pronađen.

Konačno su 1907. francuski kemičar Georges Urbain (1872.-1938.) i austrijski kemičar i inženjer Carl Auer (1858.-1929.), koji je kasnije postao Barun von Welsbach, neovisno jedan o drugom, pokazali da se u iterbiji nalazi još jedan oksid. Urbain je novom elementu dao ime lutecij, po antičkom imenu Pariza, a Auerovo kasiopej, po zviježđu Kasiopeje. Dugo godina ime kasiopej se zadržalo u upotrebi, naročito u zemljama njemačkog govornog područja.

Cerijeva babuška

Na drugoj strani i 'cerijeva babuška' pokazala je da ima skrivenih lutkica u njoj. Analizirajući mineral samarskit 1879., de Boisbaudran je primijetio da se pri taloženju didimije s amonijevim hidroksidom neposredno prije nje taloži nepoznati element. Novu zemlju nazvao je samarija prema mineralu u kojem je otkrivena.

Bilješka: Mineral samarskite dobio je ime po ruskom rudarskom inženjeru, pukovniku Vasilij Evgrafovič Samarskij-Byhovecu (1803.-1870.) koji se bavio razvojem rudarstva na Uralu. Ova relativno nepoznata osoba je prva osoba po kojoj je neki element nazvan.

Sudbinu didimije zapečatio je 1885 von Welsbach kada je razdvojio didimiju u dvije frakcije: svijetlozelenu je nazvao praseodimija (zelena didimija) a ostatak neodimija (nova didimija) prekidajući tradiciju da ostatak zadrži staro ime. Tako su, nakon četrdeset godina postojanja, element didimija i simbol Di nestali iz tablice periodnog sustava.

Podrobnija spektroskopska ispitivanja samarije koje je, 1886., proveo francuski kemičar Eugène-Anatole Demarçay (1852.-1904.) otkrila su nove spektroskopske linije koje su ukazivale na nepoznati element. Pet godina kasnije, Demarçay je poboljšanjem svojih tehnika razdvajanja uspio izolirati dovoljno čisti uzorak oksida novog elementa, usko povezanog sa samarijom, koji je nazvao europij.

Posljednji

Kada je 1912. britanski fizičar Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887.-1915.) preuredio tablicu periodnog sustava po rastućim atomskim brojevima postalo je očito da nedostaje jedan metal rijetkih zemalja između neodimija i samarija. Godinama su različite skupine znanstvenika mislile kako su proizvele element 61 ali nikako nisu uspijevale potvrditi svoje otkriće. Tek su 1947. godine američki kemičari Jacob Akiba Marinsky (1918.-2005.), Lawrence Elgin Glendenin (1918.-2008.) i Charles DuBois Coryell (1912.-1971.) uspjeli izolirati element 61 iz fisijskih produkata uranijskog goriva iz nuklearnog reaktora u Oak Ridge, SAD. Element prometij prikladno je nazvana po Japetovom sinu Prometeju, koji je donio ljudima vatru ukradenu iz Zeusove munje, jer je stvoren u jednoj od prvih atomskih vatri upaljenih ljudskom rukom.

Bibliografija

1. V. Anić, Veliki rječnik hrvatskoga jezika, Novi Liber, Zagreb, 2004.
2. D. L. Heiserman, Exploring Chemical Elements and Their Compounds, TAB Books, New York, 1992.
3. N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2001.
4. M. Diggles. "Rare Earth Elements - Critical Resources for High Technology." 17 May 2005. U.S. Geological Survey.. 17 Apr. 2012. <http://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/>.
5. P. van der Krogt. "The Discovery and Naming of the Rare Earths." Elementymology & Elements Multidict. 12 Dec. 2011. <http://www.vanderkrogt.net/elements/rareearths.php>.
6. R. McLendon. "What are rare earth metals?" 22 June 2011. Mother Nature Network.. 7 July 2012. <http://www.mnn.com/earth-matters/translating-uncle-sam/stories/what-are-rare-earth-metals>.
7. "The ultimate guide to Rare Earth Elements." Pro-Edge Inc.. 8 July 2012. <http://www.reehandbook.com/>.
8. "China's Rare Earth Mining Catastrophe." 21 June 2012. Asia Sentinel.. 8 July 2012. <http://www.asiasentinel.com/index.php?option=com_content&task=view&id=3263&Itemid=422>.