4වන කාණ්ඩයේ මූල ද්‍රව්‍ය

4වන කාණ්ඩයේ මූල ද්‍රව්‍ය යනු ආවර්තිතා වගුවේ ඇති මූල ද්‍රව්‍ය සමූහයකි. වර්තමාන IUPAC හි නාමකරණයට අනුව ආවර්තිතා වගුවේ 4වන කාණ්ඩය ටයිටේනියම්(Ti), සර්කෝනියම්(Zr), හැfප්නියම්(Hf) සහ රුදර්fපෝඩියම්(Rf) යන මූල ද්‍රව්‍ය වලින් සමන්විත වේ. මෙම කාණ්ඩය ආවර්තිතා වගුවේ d- block හි පිහිටයි. මෙම කාණ්ඩය ඔවුන් විසින් ම පොදු නාමයක් දිනාගෙන නොමැති අතර අන්තරික ලෝහ වල පුළුල් වර්ගීකරණයට අයත් වේ.

4වන කාණ්ඩයේ ස්වාභාවයෙන් ම හට ගන්නා මූල ද්‍රව්‍ය තුන වනුයේ ටයිටේනියම්(Ti), සර්කෝනියම්(Zr) සහ හැfප්නියම්(Hf) ය. මෙම කාණ්ඩයේ පළමු සාමාජිකයන් තිදෙනා වන මොවුන් සමාන ගතිගුණ වලින් යුක්ත වෙයි. මේවා සම්මත තත්ව යටතේ ප්‍රතික්‍රියා නොදක්වන තද ලෝහ වේ. කෙසේ නමුත් සතර වන මූල ද්‍රව්‍යය වන රුදර්fපෝඩියම්(Rf) , පර්යේෂණාගාරයේ දී තනි ස්ථිතියකට ස්ංයෝජනය කරනු ලබන අතර ස්වාභාවික පරිසරයේ එහි කිසිඳු සමස්ථානිකයක් සොයා ගෙන නැත. රුදර්fපෝඩියම්(Rf) හි සියළුම විකිරණශීලී ය. කාණ්ඩයේ ඊළඟ සාමාජිකයාව, unpentquadium (Upq) හෝ unpenthexium (Uph) තනි ස්ථිතියකට ස්ංයෝජනය කිරීමට මෙතෙක් supercollider ක් තුළ කිසිඳු අත් හදා බැලීමක් මෙහෙයවා නැති අතර නුදුරු අනාගතයේ දී එසේ වේ යැයි අපේක්ෂා ද කළ නොහැක.

ගති ලක්ෂණ

රසායනික
අනෙක් කාණ්ඩ මෙන් මෙම පවුලේ සාමාජිකයන් ද ඔවුන්ගේ ඉලෙක්ට්‍රෝන වින්‍යාසයේ රටාව පෙන්වන අතර බාහිර කවච ප්‍රතිඵල වශයෙන් රසායනික ක්‍රියාකාරීත්වයේ නඹුරුතාව පෙන්වයි. 

බොහෝ විට රසායන විද්‍යාවේ දී මෙම කාණ්ඩයේ පළමු සාමාජිකයන් තිදෙනා ගැන පමණක් කතා කරනු ලැබේ. රුදර්fපෝඩියම්(Rf) හි රසායනය නිසියාකාර ව පිළි ගත නොහැකි අතර එම නිසා මෙම සටහනේ ඉතිරිය ටයිටේනියම්(Ti), සර්කෝනියම්(Zr), සහ  හැfප්නියම්(Hf) යන මූල ද්‍රව්‍ය යටතේ පමණක් සාකච්ඡා කරනු ලැබේ. කාණ්ඩයේ සෑම මූල ද්‍රව්‍යයක් ම ඉහළ ද්‍රවාංකයක් සහිත (1668 °C, 1855 °C, 2233 °C) ප්‍රතික්‍රීයක ලෝහ වේ. ස්ථායි ඔක්සයිඩ ස්ථරයක් සීඝ්‍ර ලෙස සෑදීම ප්‍රතික්‍රිකාරීත්වය සෑම විට ම පැහැදිලි ව නොපෙනීමට හේතු වන අතර තව දුරටත් ප්‍රතික්‍රියා වීම වළකයි. ටයිටේනියම් ඩයොක්සයිඩ් (TiOZrO2), සර්කෝනියම් ඩයොක්සයිඩ්(ZrO2) සහ හැfප්නියම් ඔක්සයිඩ්(HfOZrO2) වන මෙම ඔක්සයිඩ  ඉහළ ද්‍රවාංක සහිත සුදු පැහැ ඝන ද්‍රව්‍ය වන අතර බොහෝ අම්ල වලට විරුද්දව ප්‍රතික්‍රියා නොදක්වයි. 
 

සංයුජතාවය 4වන සංක්‍රාන්ති ලෝහ ලෙස මෙම මූල ද්‍රව්‍ය 3ම සාමාන්‍යයෙන් ඔක්සිකරණයේ දී +4හි පවතිමින් විවිධ අකාබනික සංයෝග සාදයි. මෙම පළමු ලෝහ 3 සාන්ද්‍ර ක්ෂාර වලට ප්‍රතිරෝධකත්වය දක්වන නමුත් හැලජන මොවුන් සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කොට ටෙට්‍රාහේලයිඩ සාදයි. ඉහළ උෂ්ණත්ව යටතේ මෙම මූල ද්‍රව්‍ය 3 ඔක්සිජන්, නයිට්‍රජන්, කාබන්, බෝරෝන්, සල්පර් සහ සිලිකන් සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කරයි. ආවර්ථිතා වගුවේ 5වන පේළියේ මූල ද්‍රව්‍ය වල ලැන්තනයිඩ අඩු වීම(lanthanide contraction) නිසා සර්කෝනියම්(Zr) සහ හැfප්නියම්(Hf) සමාන අයනික අරයන්ගෙන් යුක්ත වේ. Zr4+ හි අයනික අරය පිකෝ මීටර් 79ක් වන අතර Hf4+හි එය 78pm වේ.

බොහෝ විට සමාන රසායනික ක්‍රියාකාරීත්වයේ දී මෙන්ම සමාන රසායනික සංයෝග සෑදීමේදී ද මෙම සමාන බව පෙන්වයි. රසායනික ප්‍රතික්‍රියාකාරීත්වයන් මත වෙන් කිරීම කළ නොහැකි තරමට හැfප්නියම්(Hf)හි රසායනය සර්කෝනියම්(Zr)හි රසායනයට බොහෝ සෙයින් සමාන වන අතර සංයෝගයන්ගේ බාහිර ගුණ පමණක් වෙනස් වේ. මෙම සංයෝගයන්ගේ ද්‍රවාංක, තාපාංක සහ ද්‍රාවක තුළ ද්‍රාව්‍යතාව යන කරුණු පමණක් මෙම නිවුන් මූල ද්‍රව්‍ය 2හි ප්‍රධාන වෙනස්කම් ලෙස රසායන විද්‍යාව දක්වයි.

භෞතික
4වන කාණ්ඩයේ මූල ද්‍රව්‍ය වල ප්‍රධාන භෞතික ලක්ෂණ සංක්ෂිප්ත කොට පහත වගුවේ දක්වා ඇත. * ලකුණෙන් සලකුණු කර ඇත්තේ අනුමාන කරන ලද අගයන් වේ.

ඉතිහාසය

ටයිටේනියම්(Ti)
විලියම් ග්‍රෙගර්(William Gregor), ප්‍රෑfන්ස් ජෝසප් මුලර්(Franz Joseph Muller) සහ මාර්ටීන් හෙයින්රිච් ක්ලාප්‍රොත්(Martin Heinrich Klaproth) විසින් 1791 සහ 1795 අතර වකවානුවේ දී වෙන වෙන ම ටයිටේනියම් සොයා ගන්නා ලදී. ග්‍රීක ජනප්‍රවාද වල එන ටයිටන්වරු වෙනුවෙන් ක්ලාප්‍රොත් විසින් නම් කරන ලදී.

සර්කෝනියම්(Zr)
1789දී ක්ලාප්‍රොත්(Klaproth)විසින් ම ඛනිජමය සර්කෝන් තුළ සර්කෝනියම් සොයා ගනු ලැබූ අතර මේ වන විටත් දන්නා සර්කොනර්ඩ්(zirconia) වලින් පසු නම් කරන ලදී.

හැfප්නියම්(Hf)
1869දී හැfප්නියම්(Hf) පිළිබඳ ව ඩ්මිට්‍රි මෙන්ඩලීව්(Dmitri Mendeleev) විසින් අනාවැකියක් පළ කරන ලද අතර දී හෙන්රි මෝස්ලෙ(Henry Moseley) විසින් X- කිරණ වර්ණාවලියක් මඟින් ප්‍රබල න්‍යෂ්ටික ආරෝපණය 72 වීමට, එය අතර ඒ වන විටත් දැන සිටි මූල ද්‍රව්‍ය වන ලැන්තනම්(lanthanum) හා ටැන්ටලම්(tantalum) තැබීමෙන් නියම ලෙස සොයා ගන්නා ලදී. සර්කෝනියම් ඛනිජයෙහි නව මූල ද්‍රව්‍යය සඳහා ප්‍රථම ගවේශණය කරන ලද්දේ ඩර්ක් කොස්ටර්(Dirk Coster) සහ ජෝර්ජ් වොන් හෙවසි(Georg von Hevesy) විසිනි.1923දී ඩෙන්මාර්කයේ කොපෙන්හගන්හි(Copenhagen) දී මේ දෙදෙනා විසින් මෙන්ඩලීව්ගේ ප්‍රථම අනුමානය තහවුරු කරමින් හැfප්නියම්(Hf) සොයා ගනු ලැබී ය. හැfප්නියම්(Hf) සොයා ගැනීම සහ එය විරල ගොඩබිම මූල ද්‍රව්‍යයකට වඩා ස්ංක්‍රාන්ති ලෝහයක් වේ යැයි බෝහර්(Bohr) විසින් කරන ලද අනාවැකිය කොස්ටර්ට සහ හෙවසිට කොතෙක් දුරට මඟ පෙන්වූයේ ද යන්න වටා මත බේද පැවතුණි.අන්‍යෝන්‍ය වශයෙන් අති බහුල මූල ද්‍රව්‍ය වන ටයිටේනියම්(Ti) සහ සර්කෝනියම්(Zr) 18වන සියවස අගභාගයේ දී සොයා ගනු ලැබූ අතර 1923 තෙක් හැfප්නියම්(Hf) හඳුන්වා දීම සඳහා යොදා ගන්නා ලදී. හැfප්නියම්(Hf) හි සාපේක්ෂ දුබලතාව නිසා මෙය යම් ප්‍රමාණයකට පමණක් සිදු වුණි. සර්කෝනියම්(Zr) සහ හැfප්නියම්(Hf) අතර රසායනික සමානාත්මතාව විසංයෝගය දුර්වල කරන අතර සැලකිය යුතු ප්‍රමාණයක් අඩංගු සර්කෝනියම්(Zr)හි සෑම සාම්පලයක් ම සහ එහි සියළුම සංයෝග යොදා ගනිමින් කරනු ලැබූව ද කිසිඳු සොයා බැලීමකින් තොරව හැfප්නියම්(Hf) ඉතිරි විය.

රුදර්fපෝඩියම්(Rf)
1966 දී ඩුබ්නා(Dubna) හි න්‍යෂ්ටික පර්යේෂණ සඳහා වූ ඒකාබද්ධ ආයතනයේ(Joint Institute of Nuclear Research) දී ප්‍රථම වරට වාර්තාගත ලෙස රුදර්fපෝඩියම්(Rf) සොයා ගනු ලැබීය(ඉනික්බිති ව සෝවියට් ඒකාබද්ධතාවයේදී). පර්යේෂ්කයින් 242Pu සමඟ ත්වරිත 22Ne අයන ප්‍රතික්‍රියා කරවා [[ZrCl4]] සමඟ අන්තර් ප්‍රතික්‍රියා කිරීමෙන් ක්ලෝරයිඩ බවට පරිවර්ථනය වීමෙන් පසු ලැබුණු ඵලය අනුක්‍රමික තාප අවශෝෂක භාවිතයෙන් සංයෝග විශ්ලේෂණය කිරීමෙන් වෙන් කරනු ලැබී ය.

       
24294Pu + <big></sub>22<sub>10Ne</big> → 264−x104Rf → 264−x104RfCl4

එක-රුදර්fපෝඩියම්
රුදර්fපෝඩියම්ට පහළින් ඇති ඊළඟ මූල ද්‍රව්‍යය ලෙස 154වන මූල ද්‍රව්‍යය(unpentquadium - Upq) හෝ 156(unpenthexium - Uph) වැන්න අපේක්ෂා කරනු ලැබේ. මොවුන් 8වන ආවර්ථයේ මූල ද්‍රව්‍යයන්ගේ අවසාන සාමාජිකයන් නිසා මේ දෙකෙන් 1ක් හෝ නුදුරු අනාගතයේ දී එකතු කිරීමට කිසිඳු ]අදහසක් නැත.දැනට [[8 වන ආවර්ථ⁣යේ]] කිසිඳු මූල ද්‍රව්‍යයක් සොයා ගෙන නැති අතර ස්‍රාව අස්ථායිතාව නිසා 8වන ආවර්ථයේ වඩා පහළින් පිහිටි මූල ද්‍රව්‍යයන් භෞතික වශයෙන් පැවතිය හැක.

නිෂ්පාදනය
ලෝහ වල ප්‍රතික්‍රියාකාරීත්වය නිසා ඔවුන්ගේ නිෂ්පාදනය අපහසු වේ. ප්‍රයෝජනවත් ලෝහ උත්පාදනයට ඔක්සයිඩ, නයිට්‍රයිඩ සහ කාබ්යිඩ සෑදීම වැළැක්විය යුතු අතර මෙය සාමාන්‍යයෙන් Kroll process යන ක්‍රියාවලිය හරහා සිදු වේ. ගල් අඟුරු සහ ක්ලෝරීන් සමඟ ඔක්සයිඩ(MO2) ප්‍රතික්‍රියා කොට ක්ලෝරයිඩ සාදනු ලබයි. ලෝහ වල ක්ලෝරයිඩ මැග්නීසියම් සමඟ වඩා වැඩියෙන් ප්‍රතික්‍රියා කරවා මැග්නීසියම් ක්ලෝරයිඩ සහ ලෝහ ලබා දෙයි.

Anton Eduard van Arkel සහ Jan Hendrik de Boer විසින් වැඩි දියුණු කරන ලද රසායනික පරිවහන ප්‍රතික්‍රියාව(chemical transport reaction) මඟින් තව දුරටත් පරිශෝධනය කරනු ලබයි. ලෝහය 500 °C ට ඉහළ උෂ්ණත්වයේ දී සංවෘත බඳුනක් තුළ ලෝහ අයඩයිඩ සාදමින් අයඩීන් සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කරන අතර 2000 °Cක පමණ උෂ්ණත්වයේ ඇති ටංග්ස්ටන් සූත්‍රිකාවක් හමුවේ දී ආපසු ප්‍රතික්‍රියාව සිදු වන අතර එහිදී අයඩීන් සහ ලෝහය වෙන් වේ. ටංග්ස්ටන් සූත්‍රිකාව හමුවේ දී ලෝහය ඝන ආවරණයක් සාදන අතර අයඩින් ඝනයකට පෙරළෙමින් වැඩිපුර ඇති ලෝහය සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කරයි.
M + 2 I2 (low temp.) → MI4
MI4 (high temp.) → M + 2 I2

හට ගැනීම

Ti, Zr සහ Hf සඳහා පෘථිවි පෘෂ්ඨයේ මූල ද්‍රව්‍යයන් ගේ බහුලත්වය සැසඳුවහොත් එය පරමාණුක ස්කන්ධයන්ගේ වැඩි වීමත් සමඟ අඩු වේ. පෘථිවි පෘෂ්ඨයේ හත් වෙනියට බහුල ම ලෝහය Ti වන අතර එය 6320 ppm වේ. Zr හා Hf වල බහුලත්වය පිළිවෙළින් 162 ppm හා 3 ppm වේ. 

මෙම සියළුම මූල ද්‍රව්‍ය අධික ඛනිජමය ලෝපස් නිධි එනම් මාfපික්(mafic) සහ අල්ට්‍රාමාfපික්(ultramafic) යන පර්වත වලින් එන ඛාදන ද්‍රව්‍ය වල ඛනිජමය ධාන්‍ය නිශ්චිත ගුරුත්වාකර්ෂණ නිසා වෙරළ පරිසරයේ ඇති වන ලෝවැලි නිධි සාන්ද්‍රණයෙන් ඇති වේ. ටයිටේනියම් ලෝහ බොහෝ විට ඇනටස්(anatase) සහ රූටයිල්(rutile) වන අතර සර්කෝනියම් ඛ්නිජමය සර්කෝන් තුළ හට ගනී. රසායනික සමානතාව නිසා සර්කෝන් තුළ සර්කෝනියම් 5% තෙක් Hf විසින් ප්‍රතිස්ථාපනය කරනු ලබයි. 4 වන කාණ්ඩයේ මූල ද්‍රව්‍ය වල විශාලත ම නිෂ්පාදකයෝ ඕස්ට්‍රේලියාව, ද්කුණු අප්‍රිකාව සහ කැනඩාව වේ.

භාවිතය

ටයිටේනියම් ලෝහයට සහ එහි මිශ්‍ර ලෝහ වලට පුළුල් පරාසයක යෙදීම් ඇති අතර ප්‍රයෝජන ලෙස ක්ෂය වීමට ප්‍රතිරෝධකතාව, තාප ස්ථායිතාව සහ අඩු සාන්ද්‍රණය දැක්විය හැක. Hf සහ Zr න්‍යෂ්ටික ප්‍රතික්‍රියාකාරක තුළ පැවතීම මලකඩ කෑමේ ප්‍රතිරෝධකත්වයේ ප්‍රධාන භාවිතය යි. Zr වලට ඉතා අඩු සහ වලට වැඩි තාප නියුට්‍රෝන අල්ලා ගැනීමේ හරස්කඩක් ඇත.  එම නිසා Zr (බොහෝ විට zircaloy ලෙස) ප්‍රතික්‍රියාකාරක තුළ ඉන්ධන දඩු වල ආවරණ ලෙස භාවිතා කරන අතර සෑම Hf පරමාණුවකට ම විවිධ නියුට්‍රෝන අවශෝෂණය කර ගත හැකි නිසා Hf, න්‍යෂ්ටික සඳහා පාලක දඩු ලෙස භාවිතා කරයි.
Hf හා Zr හි කුඩා ප්‍රමාණ උසස් මිශ්‍ර ලෝහ වල දී ඒවායේ ගුණ වැඩි කිරීමට යොදා ගනී.

ජීව හට ගැනීම
4වන කාණ්ඩයේ මූල ද්‍රව්‍ය කිසිඳු ජීව පද්ධතියක ජීව රසායනය සමඟ සම්බන්ධ නොවේ. ඔවුහු ජීව ගෝලය තුළ අඩු ජලීය ද්‍රාව්‍යතාවක් හා අඩු පැවැත්මක් සහිත දැඩි ඝන ලෝහ වේ. ටයිටේනියම් යනු දන්නා ජීව විද්‍යාත්මක ක්‍රියාවකින් තොර d-block පළමු පේළි කීපයේ සංක්‍රාන්ති ලෝහ වලින් 1කි. රුදර්fපෝඩියම්(Rf) හි විකිරණශීලීතාව ජීවී සෛල වලට විෂ ද්‍රව්‍ය නිපදවයි.

පූර්වාරක්ෂාව
ටයිටේනියම් විශාල ප්‍රමාණ වලදී පවා විෂ නැති මූල ද්‍රව්‍යයක් වන අතර මිනිස් සිරුර තුළ කිසිඳු ප්‍රතික්‍රියාවක් සිදු නොකරයි.  සර්කෝනියම් කුඩු අසාමාන්‍ය උද්දීපනයක් ඇති කරවන නමුත් ඇස් සමඟ ස්පර්ශයේ දී පමණක් වෙද්‍ය අවධානය අවශ්‍ය වේ. සර්කෝනියම් සඳහා OSHA නිර්දේශ කරනුයේ 5 mg/m3ක කාල භරිත සාමාන්‍ය(time weighted average) සීමාවක් සහ 10 mg/m3 ක කෙටි කාලීන නිරාවරණ(short-term exposure) සීමාවකි. හැfප්නියම්(Hf) හි විෂ විද්‍යාව පිළිබඳ ව සීමිත දත්ත ප්‍රමාණයක් පමණක් පවතී.

යොමුව

Periodic table
Group 04
රසායන විද්‍යාව