Nadir Toprak Elementleri: Modern Endüstrinin Temel Katalizörleri
Petrol sanayinin can damarıysa, nadir toprak elementleri de onun vitaminidir. Nadir toprak elementleri en ileri bilim, teknoloji ve askeri alanlarda kullanılan değerli bir stratejik kaynaktır ve "yeni malzemelerin anası" olarak kabul edilir.
Ancak, "nadir topraklar toprak değildir." Nadir toprak, bir grup metalin kısaltmasıdır. Nadir Toprak Elementleri (REE'ler) 18. yüzyılın sonlarından beri keşfedilmektedir. Bilim insanları neredeyse her üç ila beş yılda bir nadir toprak elementleri için yeni kullanım alanları keşfetmektedir ve her altı icattan biri nadir toprak elementlerine dayanmaktadır.
Nadir toprak elementleri, "endüstriyel MSG" ve "yeni malzemelerin anası" olarak bilinen değerli bir stratejik kaynaktır. Nadir toprak kalıcı mıknatıslar, ışıldayan malzemeler, hidrojen depolama malzemeleri ve katalizörler gibi işlevsel malzemeler, yüksek teknoloji endüstrileri, gelişmiş ekipman üretimi, yeni enerji ve gelişmekte olan endüstriler için gereklidir.
ABD Jeolojik Araştırmalar Kurumu'nun 2015 verilerine göre, dünyadaki nadir toprak rezervleri yaklaşık 130 milyon tondur (nadir toprak oksitleri (REO) cinsinden ölçülmüştür). Bunların 55 milyon tonu Çin, 22 milyon tonu Brezilya, 13 milyon tonu ABD, 2,1 milyon tonu Avustralya, 3,1 milyon tonu Hindistan, 30.000 tonu Malezya ve 41 milyon tonu da diğer ülkelerin elinde bulunmaktadır.
17 nadir toprak elementinin kullanım alanları listesi
- Lantan, alaşım malzemelerin ve tarımsal filmlerin ana bileşenidir.
- Seryum, otomotiv camı endüstrisinin önde gelen elementidir.
- Praseodim, seramik pigmentlerinde bolca kullanılan elementtir.
- Neodimyum, havacılık ve uzay malzemelerinin üretiminde geniş uygulama alanı bulur.
- Prometyum uydular için yardımcı enerji kaynağıdır.
- Samaryum, nükleer reaktörlerde kullanılan bir elementtir.
- Europium, lens üretimi ve sıvı kristal ekranların bir bileşenidir.
- Gadolinyum, Tıbbi MRI'larda kontrast madde olarak görev yapar.
- Terbiyum uçak kanat regülatörlerinde kullanılır.
- Erbiyum, askeri lazer telemetreler için kullanılan parçalardan biridir.
- Disprosiyum, film ve baskı için ışık kaynağı olan elementtir.
- Holmiyum, optik iletişim cihazlarının bir bileşenidir.
- Thulium, tümörlerin klinik teşhisini ve tedavisini mümkün kılmaktadır.
- Ytterbium bilgisayar bellek cihazlarında kullanılan bir katkı maddesidir.
- Lutesyum enerji bataryası teknolojisinde kullanılır.
- İtriyum, elektrik kablolarında ve uçak yük taşıyıcı bileşenlerinde kullanılır.
- Skandiyum genellikle alaşım üretiminde kullanılır.
Lantan (La)
"Lantan" elementi 1839 yılında "Mosander" adında bir İsveçli'nin seryumun başka elementler de içerdiğini keşfetmesiyle adlandırılmıştır. Yunanca "gizli" anlamına gelen kelimeyi ödünç aldı ve bu elemente "Lanthanum" adını verdi.
Lantan, piezoelektrik malzemeler, termoelektrik malzemeler, manyetorezistif malzemeler, ışıldayan malzemeler, hidrojen depolama malzemeleri, optik cam, lazer malzemeleri, çeşitli alaşım malzemeleri vb. gibi geniş bir uygulama alanına sahiptir. Lantan ayrıca birçok organik kimyasal ürün için katalizörlerin hazırlanmasında da kullanılır. Lantan ayrıca fotodönüşümlü tarımsal filmlerde de kullanılır. Bilim insanları, mahsuller üzerindeki etkisinden dolayı Lantan'a "süper kalsiyum" adını vermişlerdir.
Seryum (Ce)
"Seryum" 1803 yılında Alman Klaus ve İsveçli Usperzig ve Hirschner tarafından keşfedilmiş ve adlandırılmıştır. Bu isim, 1801 yılında keşfedilen asteroid Ceres'in anısına verilmiştir.
(1) Bir cam katkı maddesi olarak Seryum, ultraviyole ve kızılötesi ışınları emebilir ve günümüzde otomotiv camlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ultraviyole ışınlarına karşı koruma sağlar ve araç içindeki sıcaklığı düşürerek klima için elektrik tasarrufu sağlar. 1997'den beri tüm Japon otomobil camlarına seryum oksit eklenmiştir. 1996 yılında otomobil camı için en az 2.000 ton seryum oksit kullanılmış, Amerika Birleşik Devletleri ise yaklaşık 1.000 ton kullanmıştır.
(2) Seryum şu anda otomobil egzoz arıtma katalizörlerinde kullanılmakta olup, büyük miktarda otomobil egzozunun havaya boşaltılmasını etkili bir şekilde önleyebilmektedir. Amerika Birleşik Devletleri'nin bu alandaki tüketimi toplam nadir toprak tüketiminin üçte birini oluşturmaktadır.
(3) Seryum sülfür çevre ve insanlar için daha güvenlidir ve pigmentlerdeki kurşun ve kadmiyum gibi metallerin yerini alabilir. Sadece plastiklerin renklendirilmesine yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda kaplamalar, mürekkepler ve kağıt endüstrisi için de iyidir. Fransız Rhone-Poulenc Şirketi şu anda pazar lideridir.
(4) Ce: LiSAF lazer sistemi Amerika Birleşik Devletleri tarafından geliştirilen bir katı hal lazeridir. Triptofan konsantrasyonunu izleyerek biyolojik silahları tespit edebilir ve tıpta da kullanılabilir. Seryum geniş bir uygulama alanına sahiptir ve parlatma tozu, hidrojen depolama malzemeleri, termoelektrik malzemeler, seryum tungsten elektrotlar, seramik kapasitörler, piezoelektrik seramikler, seryum silisyum karbür aşındırıcılar, yakıt hücresi hammaddeleri, benzin katalizörleri, bazı kalıcı mıknatıs malzemeleri, çeşitli alaşımlı çelikler ve demir dışı metaller gibi neredeyse tüm nadir toprak uygulamalarında bulunur.
Praseodim (Pr)
Yaklaşık 160 yıl önce İsveçli Mosander, Lantan'dan yeni bir element keşfetti, ancak bu tek bir element değildi. Mosander, bu elementin özelliklerinin Lantan'ınkilere çok benzediğini gördü ve bu yüzden ona "praseodim-neodim" adını verdi.
"Praseodymium-neodymium" Yunanca'da "ikizler" anlamına gelir. Yaklaşık 40 yıl sonra, 1885'te, gaz lambası gölgesi icat edildiğinde, Avusturyalı Welsbach "praseodimyum-neodimyum "dan biri "neodimyum" diğeri "praseodimyum" olarak adlandırılan iki elementi başarıyla ayırdı. Bu "ikizler" ayrıldı ve praseodimyum yeteneklerini sergileyebileceği geniş bir dünyaya sahip oldu.
Nadir bir toprak elementi olan praseodim, cam, seramik ve manyetik malzemelerin ana bileşenidir.
(1) Kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılır. Kalıcı mıknatıs malzemeleri üretmek için saf neodim metali yerine ucuz praseodim-neodim metalinin kullanılması, antioksidan özelliklerini ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirmiştir ve çeşitli şekillerde mıknatıslar halinde işlenebilir. Çeşitli elektronik cihazlarda ve motorlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
(2) Petrol katalitik krakingi kullanım alanlarından biridir. Y-tipi zeolit moleküler eleğe praseodim ve neodim bakımından zengin maddelerin eklenmesiyle yapılan petrol kırma katalizörü, katalizörü aktivite, seçicilik ve stabilite açısından daha iyi hale getirebilir ve katalizörü daha yüksek katalitik performansa getirebilir.
(3) Praseodim aşındırıcı parlatma için de iyi bir seçimdir. Bunun yanı sıra, praseodimyum optik fiberler alanında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Praseodimyumun doğuşuyla birlikte neodimyum da ortaya çıkmıştır. Neodimyumun gelişi nadir toprak alanını harekete geçirmiş, nadir toprak alanında önemli bir rol oynamış ve nadir toprak pazarını etkilemiştir.
Neodimyum (Nd)
Neodimyum, nadir toprak alanındaki benzersiz konumu nedeniyle uzun yıllardır piyasada sıcak bir konu haline gelmiştir. Metalik neodimyumun en büyük kullanıcısı neodimyum kalıcı mıknatıs malzemesidir. NdFeB sabit mıknatısların piyasaya sürülmesi, nadir toprak yüksek teknoloji sektörüne yeni bir soluk getirmiş ve aynı zamanda yeni bir enerji kazandırmıştır. Günümüzde "Kalıcı Mıknatısların Kralı" olarak bilinen NdFeB mıknatıslar yüksek manyetik enerji yoğunluğuna sahiptir.
Prometyum (Pm)
1947 yılında Marinsky (J.A.Marinsky), Glendenin (L.E.Glendenin) ve Coryell (C.E.Coryell) bir atom reaktörünün kullanılmış uranyum yakıtından 61 numaralı elementi başarıyla ayırmış ve Yunan tanrısı Prometheus'un adını vererek Prometiyum adını vermişlerdir. Prometyum, nükleer reaktörler tarafından üretilen yapay bir radyoaktif elementtir.
(1) Isı kaynağı olarak kullanılabilir. Vakum algılama ve yapay uydular için yardımcı enerji sağlar.
(2) Pm147 düşük enerjili beta ışınları yayar ve prometyum pilleri yapar. Füze güdüm aletleri ve saatler için güç kaynağı olarak kullanılır. Bu tip piller küçüktür ve birkaç yıl boyunca sürekli olarak kullanılabilir. Prometyum ayrıca taşınabilir X-ray cihazlarında, fosforların hazırlanmasında, kalınlık ölçümünde ve navigasyon ışıklarında kullanılır.
Samaryum (Sm)
1879'da Boisbaudran, itriyum-kolumbitten elde edilen "praseodimyum-neodimyum "dan yeni bir nadir toprak elementi keşfetti ve cevherin adını samaryum koydu.
Samaryum açık sarı renktedir ve endüstriyel olarak kullanılacak en eski nadir toprak mıknatısları olan samaryum-kobalt kalıcı mıknatısların hammaddesidir. Bu kalıcı mıknatıslar iki tiptir: SmCo5 serisi ve Sm2Co17 serisi. SmCo5 serisi 1970'lerin başında icat edilmiş, bunu daha sonra Sm2Co17 serisi izlemiştir. Şu anda, ikinci tipe yönelik talep baskındır. Samaryum-kobalt mıknatıslarda kullanılan samaryum oksidin saflığının çok yüksek olması gerekmez; maliyet nedenlerinden dolayı, öncelikle 95% civarında saflığa sahip ürünler kullanılır. Samaryum oksit seramik kapasitörlerde ve katalizörlerde kullanılır. Ayrıca, samaryum nükleer özelliklere sahiptir ve nükleer reaktörlerde yapısal, koruyucu ve kontrol malzemesi olarak kullanılabilir ve nükleer fisyonun ürettiği muazzam enerjinin güvenli bir şekilde kullanılmasını sağlar.
Europium (Eu)
1901 yılında Eugene-Antoine Demarcay samaryumdan gelen yeni bir element buldu ve buna europium adını verdi. Bu isim muhtemelen "Avrupa" teriminden türetilmişti. Europium oksit fosforların ana bileşenidir. Eu3+ kırmızı fosforların aktivatörü olarak görev yaparken, Eu2+ mavi fosforların kaynağıdır. Eu3+ kırmızı fosforlar için aktivatör olarak kullanılırken, Eu2+ mavi fosforlar için kullanılır. Şu anda, Y2O2S: Eu3+ ışık verimliliği, kaplama stabilitesi ve geri dönüşüm maliyetleri açısından en iyi fosfordur. Işık verimliliğini ve kontrastı iyileştirmek için teknolojideki gelişmelerle birleştiğinde, yaygın bir uygulama alanı kazanmaktadır. Son yıllarda europium oksit, yeni X-ray tıbbi teşhis sistemlerinde uyarılmış emisyon fosforu olarak da kullanılmaktadır. Europium oksit ayrıca renkli lenslerin ve optik filtrelerin üretiminde, kabarcık depolama cihazlarında ve nükleer reaktörlerde kontrol, koruma ve yapısal malzeme olarak kullanılmaktadır.
Gadolinyum (Gd). 1880'de İsviçreli G. de Marignac "samaryum "u iki elemente ayırdı; bunlardan birinin samaryum olduğu Sorit tarafından, diğerinin ise Boisbaudret'in araştırmasıyla doğrulandı. Marignac 1886'da bu yeni elemente itriyumun kaşifi, nadir toprak araştırmalarının öncülerinden Hollandalı kimyager Gadolin'in onuruna gadolinyum adını verdi. Gadolinyum modern teknolojik yeniliklerde önemli bir rol oynayacaktır. Başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) Suda çözünebilen paramanyetik kompleksi, tıpta insan vücudunun nükleer manyetik rezonans (NMR) görüntüleme sinyalini iyileştirebilir.
(2) Sülfür oksidi, özel parlaklığa ve X-ışını floresan ekranlarına sahip osiloskoplar için matris ızgarası olarak kullanılabilir.
(3) Gadolinyum galyum garnet içindeki gadolinyum, kabarcık bellek depolaması için ideal bir tek alt tabakadır.
(4) Camot çevrim sınırı olmadığında katı manyetik soğutma ortamı olarak kullanılabilir.
(5) Nükleer reaksiyonların güvenliğini sağlamak için nükleer enerji santrallerinde zincirleme reaksiyon seviyesini kontrol etmek için bir inhibitör olarak kullanılır.
(6) Performanslarının sıcaklıkla değişmemesini sağlamak için samaryum kobalt mıknatıslarda katkı maddesi olarak kullanılır.
Gadolinyum (Gd)
1880'de İsviçreli G. de Marignac "samaryum "u iki elemente ayırdı; bunlardan birinin samaryum olduğu Sorit tarafından, diğerinin ise Boisbaudret'in araştırmaları sonucunda doğrulandı. Marignac 1886'da bu yeni elemente itriyumun kaşifi, nadir toprak araştırmalarının öncülerinden Hollandalı kimyager Gadolin'in onuruna gadolinyum adını verdi. Gadolinyum modern teknolojik yeniliklerde önemli bir rol oynayacaktır.
Başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) Suda çözünebilen paramanyetik kompleksi, tıpta insan vücudunun nükleer manyetik rezonans (NMR) görüntüleme sinyalini iyileştirebilir.
(2) Sülfür oksidi, özel parlaklığa ve X-ışını floresan ekranlarına sahip osiloskoplar için matris ızgarası olarak kullanılabilir.
(3) Gadolinyum galyum garnet içindeki gadolinyum, kabarcık bellek depolaması için ideal bir tek substrattır.
(4) Camot çevrim sınırı olmadığında katı manyetik soğutma ortamı olarak kullanılabilir.
(5) Nükleer reaksiyonların güvenliğini sağlamak için nükleer enerji santrallerinde zincirleme reaksiyon seviyesini kontrol etmek için bir inhibitör olarak kullanılır.
(6) Performanslarının sıcaklıkla değişmemesini sağlamak için samaryum kobalt mıknatıslarda katkı maddesi olarak kullanılır.
Terbiyum (Tb)
İsveçli Karl G. Mosander 1843 yılında itriyum toprağı üzerine yaptığı araştırmalar sonucunda terbiyumu bulmuştur. Terbiyumun ana uygulama alanı yüksek teknoloji endüstrisidir. Teknolojik inovasyonun eşiğinde, teknoloji ve bilgi yoğun bir projedir.
Başlıca uygulama alanları şunlardır:
(1) Üç renkli fosforlarda yeşil toz için aktivatör olarak kullanılan fosfor, terbiyumla aktive edilmiş fosfat matrisi, terbiyumla aktive edilmiş silikat matrisi ve terbiyumla aktive edilmiş seryum magnezyum alüminat matrisi, bunların hepsi uyarılmış durumda yeşil ışık yayar.
(2) Son birkaç yılda, terbiyum bazlı manyeto-optik malzemeler büyük ölçekli üretim noktasına ulaşmıştır. Tb-Fe amorf ince film tabanlı manyeto-optik diskler günümüzde bilgisayarların depolama ortamı olarak kullanılmakta ve depolama kapasitesi 10-15 kat artırılmaktadır.
(3) Manyeto-optik cam. Terbiyum içeren Faraday rotatör camı, rotatör, izolatör ve sirkülatör üretimi için önemli bir malzemedir ve lazer teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle manyetostriktif alaşım terbiyum-disprosiyum demirin (TerFenol) geliştirilmesi, terbiyum için yeni uygulamaların önünü açmıştır. 1970'lerde keşfedilen TerFenol'ün yarısı terbiyum ve disprosyumdan, bazen de holmiyum ilavesinden, geri kalanı ise demirden oluşuyor. İlk olarak ABD'nin Iowa eyaletindeki Ames Laboratuvarında geliştirilen TerFenol, manyetik bir alana maruz kaldığında tipik manyetik malzemelerden daha büyük bir boyutsal değişim sergiler. Bu değişim hassas mekanik hareketi mümkün kılmaktadır. TerFenol başlangıçta ağırlıklı olarak sonarda kullanılmaktaydı ancak günümüzde yakıt enjeksiyon sistemleri, sıvı valf kontrolü ve mikro konumlandırma gibi çeşitli teknoloji alanlarının yanı sıra uçak ve uzay teleskopları için mekanik aktüatörler, mekanizmalar ve kanat ayarlayıcılarında da yaygın olarak kullanılmaktadır.
Disprosiyum (Dy)
1886'da Fransız Boisbaudet holmiyumu başarılı bir şekilde iki elemente ayırdı. Biri hala holmiyum olarak adlandırılmakta, diğeri ise holmiyumdan "elde edilmesi zor" olduğu için disprosiyum olarak adlandırılmaktadır. Disprosiyum şu anda birçok yüksek teknoloji alanında giderek daha önemli bir rol oynamaktadır.
Disprosyumun başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) NdFeB sabit mıknatıslar için bir katkı maddesi olarak. Bu tür mıknatıslara yaklaşık 2% ila 3% disprosyum eklemek, zorlayıcılıklarını artırabilir. Geçmişte disprosyuma olan talep büyük değildi, ancak NdFeB mıknatıslara olan talebin artmasıyla birlikte gerekli bir katkı maddesi haline geldi. Sınıf 95% ila 99.9% civarında olmalıdır ve talep de hızla artmaktadır.
(2) Disprosiyum fosfor aktivatörü olarak kullanılır. Üç değerlikli disprosyum, tek lüminesans merkezli trikromatik lüminesans malzemeler için umut verici bir aktive edici iyon. Esas olarak, biri sarı ışık emisyonu ve diğeri mavi ışık emisyonu için olmak üzere iki emisyon bandından oluşur. Disprosiyum katkılı lüminesan malzemeler trikromatik fosforlar olarak kullanılabilir.
(3) Disprosiyum, bazı mekanik sistemlerin hassas hareketini sağlayabilen dev manyetostriktif alaşım terbiyum disprosiyum demir (Terfenol) alaşımının hazırlanması için gerekli bir metal hammaddesidir.
(4) Disprosiyum metali, yüksek kayıt hızı ve okuma hassasiyetine sahip manyeto-optik bir depolama malzemesi olarak kullanılabilir.
(5) Disprosiyum lambaların hazırlanmasında kullanılır. Disprosiyum lambalarda kullanılan çalışma maddesi disprosiyum iyodürdür. Bu lamba yüksek parlaklık, iyi renk, yüksek renk sıcaklığı, küçük boyut ve kararlı ark avantajlarına sahiptir. Filmler, baskı vb. için bir aydınlatma kaynağı olarak kullanılmıştır.
(6) Disprosiyum büyük bir nötron yakalama kesiti özelliğine sahip olduğundan, atom enerjisi endüstrisinde nötron enerji spektrumunu ölçmek için veya nötron emici olarak kullanılır.
Holmiyum (Ho)
19'uncu yüzyılın ikinci yarısında, spektral analizin keşfi ve periyodik tablonun yayınlanması, nadir toprak elementlerinin elektrokimyasal ayırma teknolojisinin ilerlemesiyle birleştiğinde, yeni nadir toprak elementlerinin keşfini daha da teşvik etti. 1879'da İsveçli kimyager Svante Cliff holmiyum elementini keşfetti ve İsveç'in başkenti Stockholm'ün adını vererek holmiyum adını verdi.
Holmiyum uygulama alanının hala daha geliştirilmesi gerekmektedir ve kullanılan miktar çok büyük değildir. Son zamanlarda Baotou Çelik Nadir Toprak Araştırma Enstitüsü, Ho/ΣRE>99.9% gibi çok düşük nadir toprak safsızlık içeriğine sahip yüksek saflıkta metal holmiyum geliştirmek için yüksek sıcaklık ve yüksek vakumlu damıtma saflaştırma teknolojisini kullanmıştır.
Şu anda holmiyumun başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) Metal halide lambalar için katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Metal halide lambalar, yüksek basınçlı cıva lambalarına dayanan gaz deşarj lambalarını ifade eder. Özelliği, ampulün farklı nadir toprak halojenürleri ile doldurulmuş olmasıdır. Günümüzde, çoğunlukla gaz deşarjı sırasında çeşitli spektral çizgi renkleri yayan nadir toprak iyodürleri kullanılmaktadır. Holmiyum lambaların ışık kaynağı, ark bölgesinde daha yüksek konsantrasyonda metal atomu üretebilen ve böylece radyasyon verimliliğini büyük ölçüde artıran holmiyum iyodürdür.
(2) Holmiyum, itriyum demir veya itriyum alüminyum garnet için katkı maddesi olarak kullanılabilen bir elementtir.
(3) Holmiyum katkılı itriyum alüminyum granat (YAG), 2μm dalga boyunda lazer ışığı üretebilen bir malzemedir. İnsan dokusu, 2μm lazer ışığı için çok yüksek bir emilim verimliliğine sahiptir ve bu da HD: YAG'den neredeyse üç kat daha yüksektir. Tıbbi cerrahi için Ho: YAG lazerler kullandığımızı varsayalım. Holmiyum kristalleri tarafından üretilen holmiyum içermeyen bir ışın, çok fazla ısı üretmeden yağdan kurtulabilir, böylece sağlıklı dokulara verilen termal hasarı en aza indirmek mümkündür.
(4) Manyetostriktif alaşım Terfenol-D'ye çok küçük miktarlarda Holmiyum eklenebilir ve böylece alaşımın doygunluk mıknatıslanmasına karşılık gelen dış alan ihtiyacı azaltılabilir.
(5) Holmiyum katkılı optik fiberler, optik fiber lazerler, optik fiber amplifikatörler, optik fiber sensörler ve günümüzün hızla büyüyen fiber optik iletişiminde daha önemli olacak optik iletişim cihazları gibi çeşitli optoelektronik bileşenlerin üretimi için uygundur.
Erbiyum (Er)
1843 yılında İsveçli bilim adamı Mosander Erbiyum elementini keşfetti. Erbiyum'un optik özellikleri çok olağanüstüdür ve insanlar için her zaman bir endişe kaynağı olmuştur:
(1) 1550nm'de Er3+ ışık emisyonu özel bir öneme sahiptir, çünkü bu dalga boyu fiber optik iletişimde optik fiberin en düşük kaybının olduğu dalga boyudur. 980nm ve 1480nm dalga boylarındaki ışıkla uyarıldıktan sonra, erbiyum iyonları (Er3+) 4I15/2 temel durumundan 4I13/2 yüksek enerji durumuna geçer. Yüksek enerjili durumdaki Er3+ tekrar toprak durumuna geçtiğinde, 1550nm dalga boyunda ışık yayar. Kuvars optik fiber çeşitli dalga boylarındaki ışığı iletebilir, ancak farklı dalga boylarının ışık zayıflatma oranı farklıdır. 1550nm bandındaki ışık, kuvars optik fiberde iletildiğinde en düşük ışık zayıflama oranına (0.15dB/km) sahiptir ve bu neredeyse zayıflama oranının alt sınırıdır.
(2) Ayrıca, erbiyum katkılı lazer kristalleri ve bunların çıkışı olan 1730nm ve 1550nm lazerler insan gözü için güvenlidir, iyi atmosferik iletim performansına sahiptir, savaş alanı dumanına nüfuz etme kabiliyeti yüksektir, iyi gizliliğe sahiptir, düşman tarafından kolayca algılanmaz ve askeri hedefleri aydınlatırken yüksek kontrasta sahiptir. Askeri kullanım için insan gözü için güvenli olan taşınabilir lazer telemetreler haline getirilmişlerdir.
(3) Er3+ cama eklenerek şu anda en büyük çıkış darbe enerjisine ve en yüksek çıkış gücüne sahip katı lazer malzemeleri olan nadir toprak cam malzemeleri yapılabilir.
(4) Er3+ nadir toprak yukarı dönüşüm lazer malzemeleri için aktif iyon olarak da kullanılabilir.
(5) Erbiyum ayrıca gözlük camlarının, camların ve kristalize camların renklerinin giderilmesi ve renklendirilmesi için de kullanılabilir.
Thulium (Tm)
Thulium 1879 yılında İsveçli Clive tarafından keşfedilmiş ve İskandinavya'nın eski adı olan Thule'den esinlenerek adlandırılmıştır.
Tülyumun başlıca kullanım alanları aşağıdaki gibidir: (1) Tülyum, taşınabilir tıbbi X-ray makineleri için radyasyon kaynağı olarak kullanılır. Bir nükleer reaktörde ışınlandıktan sonra, tulyum X-ışınları yayabilen bir izotop üretir. Taşınabilir kan ışınlayıcıları yapmak için kullanılabilir. Bu ışınlayıcı, yüksek basınçlı nötron ışınlarının etkisi altında tülyum-169'u tülyum-170'e dönüştürebilir, kanı ışınlamak ve beyaz kan hücrelerinin sayısını azaltmak için X ışınları yayabilir. Bu beyaz kan hücreleri organ nakli reddine neden olur ve böylece erken organ reddini azaltır.
(2) Tülyum, tümör dokusuna daha yüksek hematopoetik yakınlık gösterdiği için neoplazmların teşhis ve tedavisinde klinik olarak kullanılabilir. Ağır nadir toprak elementleri, hafif nadir toprak elementlerinden daha yüksek bir afiniteye sahiptir ve tulyum en yüksek afinite listesinin başında yer almaktadır.
(3) Tulyum, X-ışını yoğunlaştırıcı ekranlarda kullanılan fosforda optik hassasiyeti arttırmak ve böylece insanların X-ışınlarına maruz kalmasını ve zarar görmesini azaltmak için LaOBr: Br (mavi), optik hassasiyeti artırmak için X-ışını yoğunlaştırıcı ekranlarda kullanılan fosforda, böylece X-ışınlarının insanlara maruz kalmasını ve zarar vermesini azaltır. Önceki kalsiyum tungstat yoğunlaştırıcı ekranlarla karşılaştırıldığında, tıbbi uygulamalarda önemli pratik öneme sahip olan X-ışını dozunu 50% azaltabilir.
(4) Tüliyum, metal halide lambalar gibi yeni aydınlatma kaynaklarında katkı maddesi olarak da kullanılabilir.
(5) Tm3+, şu anda en büyük çıkış darbe hacmine ve en yüksek çıkış gücüne sahip katı lazer malzemeleri olan nadir toprak cam lazer malzemeleri yapmak için cama eklenebilir. Tm3+ ayrıca nadir toprak yukarı dönüşüm lazer malzemeleri için aktive edici bir iyon olabilir.
İterbiyum (Yb)
Jean Charles ve G. de Marignac 1878'de "erbiyum "da yeni bir nadir toprak elementi buldular ve bu element daha sonra Ytterby'den sonra Ytterbium olarak adlandırıldı.
Ytterbium'un başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) ısı kalkanı kaplama malzemesi olarak. Ytterbium, elektrolizle kaplanmış çinko tabakasının korozyon direncini artırmada çok etkili olabilir ve Ytterbium ilaveli kaplama, element içermeyene göre daha ince taneli ve daha düzgün ve kompakttır.
(2) manyetostriktif bir malzeme olarak. Bu malzeme süper manyetostriksiyon, yani manyetik alanda genişleme özelliğine sahiptir. Alaşım esas olarak iterbiyum/ferrit alaşımı ve disprosiyum/ferrit alaşımından oluşur ve süper manyetostriksiyon üretmek için belirli bir oranda manganez eklenir.
(3) Ytterbium elemanları basınç ölçümü için kullanılır. Deneyler, iterbiyum elemanlarının kalibre edilmiş basınç aralığında yüksek hassasiyete sahip olduğunu göstermiş ve aynı zamanda basınç ölçümünde iterbiyumun uygulanması için yeni bir yol açmıştır.
(4) Daha önce yaygın olarak kullanılan gümüş-civa alaşımının yerine azı dişi boşlukları için reçine bazlı dolgular.
(5) Japon araştırmacılar, lazer teknolojisinin daha da geliştirilmesi için büyük önem taşıyan iterbiyum katkılı gadolinyum galyum garnet gömülü devre dalga kılavuzu lazerlerinin hazırlanmasını tamamladılar. Ayrıca iterbiyum fosfor aktivatörü, radyo seramikleri, bilgisayar bellek elemanı (kabarcık) katkısı, cam elyaf akısı ve optik cam katkısı olarak da kullanılmaktadır.
Lutesyum (Lu)
1907 Welsbach ve Urbain bağımsız olarak farklı ayırma yöntemleri kullanarak "iterbiyum "dan yeni bir element araştırdı ve keşfetti. Welsbach bu elemente Cp (Cassiopeium), Urbain ise Paris'in eski adı olan Lutetia'ya dayanarak Lu (Lutetium) adını verdi. Daha sonra, Cp ve Lu'nun aynı element olduğu keşfedildi, bu nedenle birlikte lutesyum olarak adlandırıldılar.
(1) Bazı özel alaşımların üretimi. Örneğin, nötron aktivasyon analizi bir lutesyum-alüminyum alaşımı ile yapılabilir.
(2) Kararlı lutesyum nüklidleri petrol krakingi, alkilasyon, hidrojenasyon ve polimerizasyon reaksiyonlarını katalize eder.
(3) Belirli özellikleri iyileştirmek için itriyum demir veya alüminyum garnete elementler eklenmesi.
(4) Manyetik kabarcık depolama için hammaddeler.
(5) Kompozit bir fonksiyonel kristal olan lutesyum katkılı alüminyum tetraborat (İtriyum-Neodim), tuz çözeltisi soğutma kristal büyümesi teknik alanına aittir. Deneyler, lutesyum katkılı NYAB kristallerinin optik homojenlik ve lazer performansı açısından NYAB kristallerinden daha üstün olduğunu göstermiştir.
(6) İlgili yabancı departmanlar tarafından yapılan araştırmalar, lutesyumun elektrokromik ekranlarda ve düşük boyutlu moleküler yarı iletkenlerde potansiyel kullanım alanlarına sahip olduğunu ortaya koymuştur.
Ayrıca lutesyum, enerji bataryası teknolojisinde ve fosforlar için bir aktivatör olarak da kullanılmaktadır.
İtriyum (Y)
1788 yılında, amatör bir kimyager, mineralog ve cevher toplayıcısı olan İsveçli bir subay olan Karl Arrhenius, Stockholm Körfezi'nin dışındaki Ytterby köyünde asfalt ve kömüre benzeyen siyah bir mineral keşfetti. Bu madene yerel yer adından esinlenerek Ytterbite adını verdi. 1794 yılında Finlandiyalı kimyager Johann Gadolin bir Ytterbium örneğini analiz etti. Berilyum, silikon ve demir oksitlerinin yanı sıra, "yeni toprak" olarak adlandırılan bilinmeyen bir elementin 38% oksitlerini de içerdiğini buldu. 1797 yılında İsveçli kimyager Anders Gustaf Ekeberg bu "yeni toprağı" doğruladı ve ona Yttria (itriyum oksit) adını verdi.
(1) Çelik ve demir dışı alaşımlar için bir katkı maddesi. FeCr alaşımları tipik olarak 0.5-4% itriyum içerir, bu da bu paslanmaz çeliklerin oksidasyon direncini ve sünekliğini artırabilir. MB26 alaşımına uygun miktarda itriyumca zengin karışık nadir toprak ilavesi, alaşımın kapsamlı performansını önemli ölçüde artırır ve uçak yük taşıyıcı bileşenleri olarak kullanılmak üzere bazı orta mukavemetli alüminyum alaşımlarının yerini alabilir. Al-Zr alaşımına eklenen az miktarda itriyum bakımından zengin nadir toprak iletkenliğini artırır. Çoğu yerli tel fabrikası bu alaşımı benimsemiştir. Bakır alaşımına itriyum ilavesi hem iletkenliğin hem de mekanik mukavemetin artmasını sağlar.
(2) 6% itriyum ve 2% alüminyum içeren silikon nitrür seramik malzemeler kullanılarak motor bileşenleri geliştirilebilir.
(3) Büyük parçalar üzerinde delme, kesme ve kaynak gibi mekanik işlemler gerçekleştirmek için 400 watt'lık neodimyum itriyum alüminyum garnet lazer ışını kullanın.
(4) Y-Al garnet tek kristallerinden oluşan elektron mikroskobu floresan ekranları yüksek floresan parlaklığına, düşük dağınık ışık emilimine ve yüksek sıcaklık ve mekanik aşınmaya karşı iyi dirence sahiptir.
(5) 90%'ye kadar itriyum içeren yüksek itriyumlu yapısal alaşımlar havacılıkta ve düşük yoğunluk ve yüksek erime noktası gerektiren diğer uygulamalarda kullanılabilir.
(6) Şu anda büyük ilgi gören itriyum katkılı SrZrO3 yüksek sıcaklık proton iletken malzemeleri, yakıt hücreleri, elektrolitik hücreler ve yüksek hidrojen çözünürlüğü gerektiren gaz sensörlerinin üretimi için büyük önem taşımaktadır. Ayrıca itriyum, yüksek sıcaklığa dayanıklı sprey malzemelerinde, nükleer reaktör yakıtı için seyrelticilerde, kalıcı mıknatıs malzemeleri için katkı maddelerinde ve elektronik endüstrisinde bir alıcı olarak da kullanılmaktadır.
Skandiyum (Sc)
1879 İsveçli kimya profesörleri L.F. Nilson (1840-1899) ve P.T. Cleve (1840-1905) nadir bulunan gadolinit ve sylvatit minerallerinde yeni bir element keşfettiler. Mendeleev tarafından öngörülen "bor benzeri" bu elemente "Skandiyum" adını verdiler. Keşifleri periyodik tablonun geçerliliğini ve Mendeleev'in öngörüsünü daha da doğruladı.
İtriyum ve lantanitlerle karşılaştırıldığında, skandiyum çok daha küçük bir iyonik yarıçapa sahiptir ve hidroksiti alkalinite bakımından çok daha zayıftır. Bu nedenle, skandiyum ve nadir toprak elementleri karıştırıldığında ve amonyakla (veya çok seyreltik alkaliyle) muamele edildiğinde, önce skandiyum çökecektir. Bu nedenle, "fraksiyonel çökeltme" yöntemi kullanılarak nadir toprak elementlerinden nispeten kolay bir şekilde ayrılabilir. Bir başka yöntem de ayırma için nitratların polarizasyon ayrışmasını kullanmaktır. Skandiyum nitrat ayrışması en kolay olan nitrat olduğundan, ayrıştırma amacına ulaşılabilir. Skandiyum metali elektroliz ile elde edilebilir.
Metalürjik skandiyum işlenirken, üç madde, ScCl3, KCl ve LiCl karıştırılır ve katot olarak erimiş çinko kullanılarak elektroliz edilir. Skandiyum çinko elektrot üzerinde çökelir ve ardından çinko buharlaştırılır, böylece geriye sadece skandiyum metali kalır.
Ayrıca, uranyum, toryum ve lantanit elementlerini elde etmek için cevher işleme sırasında skandiyumun geri kazanılması çok kolaydır.
Konu sadece uranyum, toryum ve lantanit elementleri değil, aynı zamanda önemli bir skandiyum kaynağı olarak kabul edilen tungsten ve kalay cevherlerinden ilişkili skandiyumun geri kazanılmasıdır. Skandiyum çoğunlukla bileşiklerde üç değerlikli halde bulunur ve havadaki oksijen tarafından Sc2O3 şeklinde oksidasyona çok duyarlıdır; metalin parlaklığı kaybolur ve rengi koyu griye dönüşür.
Bunun yanı sıra, skandiyumun başlıca kullanım alanları şunlardır:
(1) Skandiyum hidrojen açığa çıkarmak için sıcak su ile reaksiyona girebilir ve ayrıca asitte kolayca çözünür. Güçlü bir indirgeyici maddedir.
(2) Skandiyum oksitler ve hidroksitler sadece alkalidir, ancak tuz külleri suda neredeyse çözünmez. Skandiyum klorür suda kolayca çözünen ve havada çözünebilen beyaz bir kristaldir.
(3) Metalürji endüstrisinde, skandiyum genellikle alaşımın mukavemetini, sertliğini, ısı direncini ve performansını artırmak için alaşımlar (alaşım katkı maddeleri) yapmak için kullanılır. Örneğin, erimiş demire az miktarda skandiyum eklemek dökme demirin özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir ve alüminyuma az miktarda skandiyum eklemek mukavemetini ve ısı direncini artırabilir.
(4) Skandiyum, yarı iletken endüstrisinde çok sayıda uygulama alanı bulan bir elementtir. Bunun bir örneği, çeşitli uluslar arasında çok popüler hale gelen yarı iletkenlerde skandiyum sülfit kullanımıdır; bunun yanı sıra, skandiyum içeren ferritler hala umut verici bilgisayar çekirdekleridir.
(5) Kimya endüstrisinde, skandiyum bileşikleri alkol dehidrojenasyon ve dehidrasyon ajanları olarak ve atık hidroklorik asit kullanılarak etilen üretiminde ve klor üretiminde etkili katalizörler olarak kullanılır.
(6) Cam endüstrisinde skandiyum içeren özel camlar üretilebilir.
(7) Elektrik ışık endüstrisinde, skandiyum ve sodyumdan yapılan skandiyum-sodyum lambalar, yüksek verimlilik ve pozitif ışık rengi avantajlarına sahiptir.
(8) Skandiyum doğada 45Sc formunda bulunur. Ayrıca skandiyumun 40-44Sc ve 46-49Sc olmak üzere dokuz radyoaktif izotopu vardır. Bunlar arasında 46Sc kimya endüstrisinde, metalürjide ve oşinografide izleyici olarak kullanılmıştır.
Kendimi mıknatıslar hakkında popüler bilim yazıları yazmaya adadım. Makalelerim ağırlıklı olarak prensiplerine, uygulamalarına ve endüstri anekdotlarına odaklanıyor. Amacımız okuyuculara değerli bilgiler sunarak herkesin mıknatısların cazibesini ve önemini daha iyi anlamasına yardımcı olmaktır. Aynı zamanda, mıknatısla ilgili ihtiyaçlar hakkındaki görüşlerinizi duymak için sabırsızlanıyoruz. Mıknatısların sonsuz olanaklarını birlikte keşfederken bizi takip etmekten ve bizimle etkileşime geçmekten çekinmeyin!
