STORIA DEGLI ELEMENTI DI TERRE RARE

La storia di terre rare inizia nel 1751, quando il mineralogista e il chimico svedese Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765) descrisse un insolitamente pesante minerale rossastro (in seguito chiamato cerite), rintracciato da lui nella cava Bastnäs, vicino a Eyddarhyttana in Svezia. Fu il famoso chimico svedese Carl Wilhelm Scheele (1742 - 1786) ad analizzare il minerale dopo di che concluse che contenesse solo i silicati di ferro e alluminio. Nei prossimi cinque decenni il minerale di Cronstedt cadde nel dimenticatoio.

La storia fu portata avanti nel 1787 dal tenente chimico svedese Carl Axel Arrhenius (1757-1824) che trovò un minerale nero e pesante in una piccola miniera di feldspato e quarzo, vicino a Ytterby, un villaggio vicino a Stoccolma, in Svezia. L'Iterbit, come viene chiamato per primo da Arrhenius, lo descrisse in modo scientifico, per la prima volta, il mineralogista svedese Bengt Reinhold Geijer (1758-1851) che presunse che il minerale contenesse l'elemento tungsteno, recentemente scoperto.

La complessità della composizione di questi minerali, l'itterbite e cerite (in seguito chiamato gadolinite), e il peso della loro analisi possono essere visti nell'immagine 3. Mentre il cerita fu il primo minerale scoperto delle terre rare, l'itterbite cioè la gadolinite è la fonte del primo elemento conosciuto delle terre rare che fu scoperto nel 1794 dal chimico finlandese Johan Gadolin (1760-1852).

Figura 3 150 anni della storia di terre rare mostra la complessità della composizione dei minerali cerite e itterbite e il peso della loro analisi. → Scarica l'immagine di alta qualità

L'apertura è iniziata

Il chimico finlandese Johan Gadolin (1760-1852), esaminando il minerale di Arrhenius, concluse che il nuovo minerale contenesse 23% di diossido di silicio, 4.5% ossido di berillio, 16.5% ossido di ferro e circa 55.5% di un nuovo ossido che nominò l'itterbia. Tre anni dopo il chimico e il mineralogista svedese Anders Gustaf Ekeberg (1767-1813) confermò l'analisi di Gadolin e abbreviò il nome l'itterbia nell'ittria.

Gli antichi Greci definirono le terre come i materiali che rimangono dopo la combustione e non cambiano con un nuovo riscaldamento. Questa definizione greca è rimasta a lungo in chimica. Il chimico francese Antoine Lavoisier (1743-1794), conosciuto come 'il padre della chimica moderna', alla fine della sua tavola di elementi situò calce, magnesia, baria, e allumina, ossidi dei metalli allora sconosciuti. È stato solo nel 1808 quando il chimico britannico Sir Humphrey Davy (1778-1829) mostrò che le terre non sono elementi, ma composti di elementi metallici e l'ossigeno. Non sorprende che gli ossidi di metallo recentemente scoperti sono chiamati terre rare.

Dopo la scoperta dell'ittrio, i chimici decisero di analizzare meglio 'la pietra pesante del Bastanäs' di Cronstedt. Lo scienziato svedese Wilhelm Hisinger (1766-1852), insieme ad un giovane chimico Jöns Jakob Berzelius (1779-1848), nel 1803 analizzò il campione di 'tungsteno (pietra pesante in svedese) di Bastanäs' e scoprì che conteneva la terra molto simile all'ittria, ma ancora diversa. I chimici svedesi chiamarono la nuova terra il ceria secondo l'asteroide Cerere, che due anni prima, nel 1801, aveva scoperto il monaco e l'astronomo italiano Giuseppe Piazza (1746-1826).

Nello stesso tempo, indipendentemente da Hisinger e Berzelius, il chimico tedesco Martin Klaproth (1743-1817) analizzando 'il tungsteno di Bastanäs', giunse alla stessa conclusione. Il nuovo elemento scoperto, Klaproth nominò l'ocra (dalla parola greca ochra per il colore giallo-bruniccio) per il suo colore chiaro bruniccio (si tratta delle terre, cioè degli ossidi e non degli elementi). Hisinger, Berzelius e Klaproth sono di solito considerati come co-scopritori di cerio.

Nessuno di loro era cosciente che i nuovi elementi assomigliassero alla bambola russa (matrjoška) che ad elemento puro (Immagine 3). Lo studente di Berzelius, il chimico svedese Carl Gustav Mosander (1797-1858) divise il ceria nel ceria puro e la terra nuova che nominò lantania (dalla parola greca lanthanein, che significa giace nascosto, perché il lantania rimase per 36 anni nascosto nella cerite dopo la riscoperta del cerio nel 1803). Mosander dimostrò che il lantania aveva i suoi segreti nel 1842 quando estrasse la nuova terra che nominò il didimia (dalla parola greca didymos per i gemelli, per la sua somiglianza con il lantanio.)

Figura 4 Elementi delle terre rare annidati come bambole russe multistrato (Matrjoška o bambole di babushka): il rosso è 'il cerio babushka' e blu è 'dell'ittrio babushka'. → Scarica l'immagine di alta qualità

La babushka di ittrio

L'anno prossimo, Mosander prese in mano 'la babushka di ittrio' per tentare di aprirla. Ha suddiviso l'ittria in tre frazioni: la prima aveva un ossido di colore giallo, chiamato l'erbia, un altro ossido rosa chiamato il terbia, e l'ossido senza colore che continuò a chiamare l'ittria. Mentre separava le due nove terre dell'ittria, Mosander prese i nomi del terbia e l'erbia dal nome del luogo Ytterby dal quale l'ittria aveva preso il nome.

La maggiore confusione rese, per la somiglianza delle proprietà degli elementi di terre rare, intorno al 1960, la sostituzione dei nomi: il terbio diventò l'erbio e l'erbio diventò il terbio.

Dopo l'opera di Mosander, anche altri chimici cominciarono la ricerca per le nuove terre rare, però esso fu un lavoro duro per le tecniche con le quali disponevano. La pietra miliare fu, quando il chimico tedesco Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) e il fisico Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) scoprirono lo spettroscopio nel 1859. Lo sviluppo dell'analisi spettrale finalmente diede agli ricercatori un prerequisito per l'identificazione delle terre rare.

Il chimico svizzero Jean-Charles Galissard de Marignac (1817 -1894) finalmente nel 1878 riuscì a disassemblare una delle 'babushke di terre rare', iniziando così la valanga di nuove scoperte. Dimostrò che il terbia di Mosander, ora l'erbia, può essere diviso in due terre: la terra rosa che continuò a chiamare l'erbia, mentre a quella incolore diede il nome l'itterbia.

Nota: Per merito di questo piccolo paese all'isola svedese Resarö, nell'arcipelago di Stoccolma, i quattro elementi hanno i suoi nomi: ittrio (Y), terbio (Tb), erbio (Er), itterbio (Yb).

Comunque, quest'erbia non fu ancora puro. Già l'anno seguente, il chimico svedese Per Theodor Cleve (1840-1905) riuscì a disassemblare l'erbia nell'erbia puro e in due terre nuove: quella bruniccia nominò l'olmia, in base al nome latino della sua città nativa Stoccolma, e quella verde nominò il tulia (Thule è il nome antico della Scandinavia).

Una delle terre nuove scoperte aveva più segreti. Il chimico francese François Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) riuscì nel 1886 ad estrarre il nuovo ossido dall'olmia che nominò il disprosia (dal verbo greco dysprositos, difficile da raggiungere).

Durante l'isolamento routinario dell'itterbia puro (l'ossido di itterbio, Yb2O3) dal minerale euxenite, nel 1879 il chimico svedese Lars Fredrik Nilson (1840-1899) trovò le tracce della terra sconosciuta che nominò lo scandia (questa volta in base al nome latino della Scandinavia, Scandia).

Nel 1880 Galissard de Marignac scoprì che una delle frazioni di gadolinite, noto come il terbia, conteneva l'elemento sconosciuto all'epoca e gli diede il nome provvisorio Yα. Sei anni dopo, nel 1886 riuscì ad ottenere l'elemento puro Yα dal didimia di terre rare. Boisbaudran propose e Marigniac fu d'accordo che Yα fosse nominato il gadolinio in base al minerale in cui fu trovato.

Finalmente, nel 1907 il chimico francese Georges Urbain (1872-1938) e il chimico austriaco e l'ingegnere Carl Auer (1858-1929), che dopo sarebbe diventato Il Barone von Welsbach, indipendentemente l'uno dall'altro, dimostrarono che nell'itterbia si trova ancora un ossido. Urbain diede al nuovo elemento il nome lutezio, dal nome antico di Parigi, mentre Auer diede il nome cassiopeo dal nome della costellazione del Cassiopeo. Per molti anni il nome cassiopeo fu in uso, specialmente nei paesi della zona di lingua tedesca.

La babushka di cerio

Dall'altra parte 'la babushka di Cerio' mostrò che aveva delle bambole nascoste dentro. Analizzando il minerale smarskite, nel 1879 de Boisbaudran notò che un elemento sconosciuto si depositava immediatamente prima del deposito del didimia con idrossido di ammonio. Nominò la nuova terra il samaria in base al minerale in cui fu scoperto.

Nota: La samarskite fu nominato in base al nome di un ingegnere minerario russo, il colonnello Vasilij Evgrafovič Samarskij-Byhovec (1803-1870) che si occupò dello sviluppo di miniere all'Ural. Questa persona, relativamente sconosciuta, è la prima persona dal cui nome derivò il nome di un elemento.

Il destino del didimia cambiò nel 1885 quando von Welsbach divise il didimia in due frazioni: la prima frazione dal colore verde chiaro nomino il praseodimia (il didimia verde) e il resto il neodimia (il nuovo didimia), interrompendo la tradizione che il resto mantenne il vecchio nome. Così, dopo 40 anni di esistenza, il didimio e il simbolo Di sparirono dalla tavola periodica.

L'esame spettroscopico più dettagliato del samaria condotto dal chimico francese Eugene-Anatole Demarcay (1852-1904) nel 1886 rivelò le nuove linee spettroscopiche che indicavano un elemento sconosciuto. Cinque anni dopo, migliorando le sue tecniche di separazione, Demarcay riuscì a isolare un campione sufficientemente puro d'ossido del nuovo elemento, strettamente correlato al samario, che chiamò l'europio.

L'ultimo

Quando il fisico britannico Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) riorganizzò la tavola del sistema periodico in base ai numeri atomici crescenti nel 1912, fu reso evidente che mancava un metallo di terre rare tra il neodimio e il samario. Per anni diversi, i gruppi di scienziati pensavano di aver prodotto l'elemento 61, ma non erano mai in grado di confermare la loro scoperta. Solo nel 1947 i chimici americani Jacob Akiba Marinsky (1918-2005), Lawrence Elgin Glenden (1918-2008) e Charles DuBois Coryell (1912-1971) riuscirono a isolare l'elemento 61 dai prodotti combustibili dell'uranio dal reattore nucleare a fissione a Oak Ridge, negli Stati Uniti. L'elemento promezio, il cui nome deriva dal nome Prometeo, che fu il figlio di Japet che portò il fuoco rubato dal fulmine di Zeus, perché fu creato in uno dei primi fuochi atomici accesi dalla mano umana.

Bibliografia

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