Logam tanah jarang

Aplikasi logam tanah jarang

Logam tanah jarang telah banyak digunakan pada berbagai macam produk. Penggunaan logam tanah jarang ini memicu berkembangnya material baru. Material baru dengan menggunakan Logam Tanah Jarang memberikan perkembangan teknologi yang cukup signifikan dalam ilmu material. Perkembangan material ini banyak diaplikasikan di dalam industri untuk meningkatkan kualitas produk mereka. Contoh perkembangan yang terjadi pada magnet. Logam Tanah Jarang mampu menghasilkan neomagnet, yaitu magnet yang memiliki medan magnet yang lebih baik daripada magnet biasa. Sehingga memungkinkan munculnya perkembangan teknologi berupa penurunan berat dan volume speaker yang ada. Memungkinkan munculnya dinamo yang lebih kuat sehingga mampu mengerakkan mobil. Sehingga dengan adanya logam tanah jarang, memungkinkan munculnya mobil bertenaga listrik yang dapat digunakan untuk perjalanan jauh. Oleh karenanya mobil hybrid mulai marak dikembangkan.
Dalam aplikasi metalurgi, penambahan logam tanah jarang digunakan dalam pembuatan Baja High Strength, low alloy (HSLA), baja karbon tinggi, superalloy, stainless steel. Karena logam tanah jarang memiliki kemampuan untuk meningkatkan kemampuan material berupa kekuatan, kekerasan dan peningkatan ketahanan terhadap panas. Contohnya pada penambahan logam tanah jarang dalam bentuk additif atau alloy pada paduan magnesiaum dan alumunium, maka kekuatan dan kekerasan paduan tersebut akan meningkat dengan signifikan.
Pemanfaatan logam tanah jarang yang lain berupa pelat armor, korek gas otomatis, lampu keamanan di pertambangan, perhiasan, cat, lem. Untuk instalasi nuklir, logam tanah jarang digunakan dalam detektor nuklir dan pengkounter, rod kontrol nuklir.

Peluang logam tanah jarang

Walaupun kita jarang mendengar nama logam tanah jarang, pemanfaatannya sudah sangat banyak di dunia industri. Berbagai macam pemanfaatan dari logam tanah jarang, menyatakan bahwa material ini merupakan material masa depan. Karena material ini menjadi pemicu lahirnya teknologi baru yang masih akan terus berkembang seperti LCD, magnet dan baterai hybrid. Hal ini mengakibatkan permintaan logam tanah jarang yang akan terus meningkat. Berdasarkan penelitian pasar oleh BBC report untuk Lynas Co. menyatakan bahwa permintaan logam tanah jarang akan terus meningkat hingga menjadi 10% pada tahun 2010 . Sehingga industri logam tanah jarang menjadi sebuah industri yang menjanjikan yang akan terus berkembang di masa depan.
Logam Tanah Jarang juga bersifat tidak tergantikan. Hal ini disebabkan sifat Logam Tanah Jarang yang unik. Sehingga sampai saat ini, tidak ada material lain yang mampu menggantikannya. Jika ada, kemampuan yang dihasilkan tidak sebaik material logam tanah jarang. Sifat logam tanah jarang yang digunakan sebagai material berteknologi tinggi dan belum ada penggantinya, membuat logam tanah jarang manjadi material yang vital
Negara Tiongkok merupakan produsen utama logam tanah jarang di dunia. Tahun 2005, mereka mampu memproduksi 43,000,000 ton. Kapasitas produksi ini merupakan 50% dari produksi logam tanah jarang dunia. Perkembangan logam Tanah jarang di China dimulai sejak tahun 1985. Saat itu, China sudah berhasil mengolah dua deposit logam tanah jarangnya. Depositnya di bayan Obo yang megandung iron-niobium-LTJ. Sehingga setelah mereka melakukan pemisahan besi dan niobium, maka didapatkan logam tanah jarang. Mereka mengolah Logam Tanah Jarang tersebut sehingga dapat dimanfaatkan.
Selanjutnya, dengan produksi logam tanah jarang yang besar tersebut, China mampu mendorong pertumbuhan teknologi industrinya. Kemudian dia mulai mendirikan industri elektronik nasional yang dapat bersaing dengan industri elektronik luar dengan kemampuannya menggunakan material Logam Tanah Jarang. Saat ini, China tidak hanya menguasai pasar barang elektronik seperti komponen komputer, televisi, monitor dan handycam. Tapi hampir semua lini industri dengan harga yang sangat kompetitif. Seperti industri baja, otomotif dan manufaktur lainnya.
Potensi besar dari logam tanah jarang tersebut akan sangat menguntungkan jika Indonesia turut serta untuk mengembangkannya. Terlebih lagi, pasir monasite sebagai sumber logam tanah jarang, hanya dijadikan sebagai sampah pembuangan timah. Sehingga sangat luar biasa keuntungan yang didapat, ketika sampah dijadikan material yang jika dilakukan pemprosesan lanjut memiliki nilai jual yang melebihi emas.
Tentunya proses pemanfaatan ini, membutuhkan bantuan dan dukungan dari pemerintah. Yaitu dengan penetapan regulasi yang mendukung pengolahan mineral logam tanah jarang seperti pembuatan sarana dan prasarana, perlindungan pemasaran sebagai inkubator awal industri nasional, dan yang utama bantuan permodalan untuk pendirian industri ini. Karena pendirian industri pertambangan yang kompetitif, memerlukan permodalan yang tinggi. Hal ini bertujuan untuk membeli peralatan berefisiensi tinggi sehingga menurunkan biaya (cost) produksi sehingga memiliki harga jual yang kompetitif.
Pemanfaatan logam tanah jarang ini mampu membuka Indonesia terhadap penguasaan dan pengembangan teknologi. Terutama teknologi elektronik yang selama berpuluh-puluh tahun ini masuk dan berkembangnya industri-industri elektronik asing selama di Indonesia, namun tidak menghasilkan transformasi teknologi elektronik yang signifikan. Kemudian adanya ini mampu meningkatkan kualitas industri metalurgi di Indonesia dengan dihasilkannya spesifikasi baja dan logam paduan baru tentunya dengan kualitas yang lebih baik. Kemudian masih banyak lagi manfaat besar yang dapat diperoleh Indonesia dari pengolahan logam ini yang mampu meningkatkan perkembangan teknologi di Indonesia

Sifat-sifat umum

Secara tegas, keempat belas unsur di atas mengikuti La yang mana elektron-elektron 4f ditambahkan berurutan pada konfigurasi La. Istilah lantanida sendiri diambil dari kata unsur lanthanum yang mana unsur-unsur yang lainnya mengikuti unsur lanthanum ini. Unsur Lanthanum adalah prototip bagi kempat belas unsur berikutnya. Penurunan yang tajam dalam jari-jari atom dan ion dari unsur-unsur ini disebut dengan istilah pengerutan lantanida. Unsur-unsur lanthanida memiliki keelektropositifan yang tinggi dengan potensial M³⁺/M mulai dari -2,25 V (Lu) sampai -2,52 V (La).
Yttrium, yang terletak di atas La dalam golongan III A memiliki ion +3 yang mirip dengan inti gas mulia; sehubungan dengan pengaruh pengerutan lantanida, jari Y³⁺ dekat pada nilai bagi Tb³⁺ dan Dy³⁺. Akibatnya, Y terdapat pada mineral Lantanida. Unsur yang lebih ringan dalam golongan IIIA ini yaitu Skandium. Meskipun ia memiliki jari-jari ionik yang lebih kecil dan memperlihatkan sifat kimia intermediat antara jari-jari ionik Al dan Y dan lantanida.

Valensi yang beragam

Lantanida tertentu membentuk ion-ion +2 atau +4. Ion +2 mudah dioksidasi dan ion +4 mudah direduksi menjadi +3. Penjelasan yang sederhana bagi keberadaan valensi ini adalah bahwa kulit yang kosong terisi setengah atau terisi penuh sangat stabil. Fenomena yang mirip ini berhubungan dengan entalpi pengionan unsur deret transisi pertama dan kulit 3d yang terisi setengah menjadi penyebab atas kestabilan mangan (II). Bagi lantanida, tingkat oksidasi IV untuk cerium memberikan Ce⁴⁺ dengan konfigurasi kulit f yang kosong dari f¹⁴. Konfigurasi f⁷ yang terisi setengah dari Gd³⁺ dibentuk oleh reduksi menghasilkan Eu²⁺ atau oksidasi menghasilkan Tb⁴⁺. Faktor-faktor lain yang terlibat, dengan demikian diperlihatkan oleh adanya banyak ion +2 yang distabilkan dalam kisi CaF₂ dan Kompleks Pr⁴⁺ dan Nd⁴⁺.

Sifat magnetik dan spektra

Ion lantanida yang memiliki elektron tidak berpasangan berwarna dan paramagnet. Terdapat perbedaan mendasar dari unsur grup d dalam hal bahwa elektron-elektron 4f adalah elektron dalam dan terlindung sangat efektif dari pengaruh gaya luar oleh tumpukan kulit 5s² dan 5p⁶. Dengan demikian, hanya terdapat pengaruh yang benar-benar lemah dari medan ligan . Sebagai hasilnya, transisi elektron antara orbital-orbital f menimbulkan pita-pita serapan yang sangat sempit, sama sekali tidak mirip dengan pita lebar yang dihasilkan dari transisi d-d, dan sifat magnetik ion-ion sedikit dipengaruhi oleh sifat kimia sekelilingnya.

Bilangan Koordinasi dan Stereokimia

Hal ini adalah kekhasan ion M³⁺ bahwa bilangan koordinasi lebih dari enam adalah biasa. Sangat sedikit unsur terkoordinasi enam diketahui, namun bilangan koordinasi 7,8,9 adalah penting. Dalam ion [Ce(NO₃)₆]²⁻, Ce dikelilingi oleh 12 atom oksigen dari gugus khelat NO₃.
Penurunan jari-jari dari La ke Lu juga memeliki pengaruh bahwa struktur kristal yang berbeda dan bilangan koordinasi yang berbeda dapat terjadi untuk bagian-bagian yang berbeda dari golongan lantanida. Sebagai contoh, atom logam dalam triklorida La-Gd terkoordinasi 9, sedangkan klorida dari Tb – Lu memiliki sejenis struktur AlCl₃ dengan logam yang terkoordinasi oktahedral. Perbedaan yang mirip dalam bilangan koordinasi terjadi bagi ion dalam larutan

Sc, La, Y, & Tm

Skandium adalah unsur yang sangat biasa yang melimpah seperti As dan dua kali kelimpahan Boron. Meskipun demikian, ia tidak mudah tersedia, sebagian disebabkan oleh langkanya bijih yang kaya, dan sebagian lainnya karena sulitnya dalam pemisahannya. Ia mungkin dipisahkan dari Y dan lantanida yang mungkin bergabung dengan mineral Sc dengan cara penukar –kation yang menggunakan asam oksalat sebagai pengelusi.
Unsur-unsur lantanida, termasuk La dan Y, mula-mula dikenal sebagai Unsur Tanah jarang-keberadaannnya dalam campuran oksida. Mereka sebenarnya bukan unsur-unsur jarang dan juga kelimpahannya absolutnya relatif tinggi. Jadi, walaupun yang paling langka, Tm adalah sama umumnya dengan Bi, dan lebih umum daripada As, Cd, Hg atau Se. Sumber utamanya adalah mineral monazite, pasir gelap yang berat dengan komposisi beragam. Monazite sesungguhnya adalah lantanida ortofosfat, tetapi dapat mengandung sampai 30% thorium. La, Ce, Pr dan Nd biasanya terdapat sebanyak 90% kandungan lantanida suatu mineral dengan Y dan unsur-unsur yang lebih berat sebagai sisanya. Mineral yang mengandung lanthanida dalam tingkat oksidasi +3 biasanya sedikit sekali mengandung Eu yang disebabkan oleh kecenderungannya menghasilkan keadaan +2 dan seringkali terdapat dalam mineral golongan Ca.

Promethium, Europium

Promethium terdapat hanya hanya dalam jumlah runutan bijih Uranium sebagai fragmen Fisi spontan dari ²³⁸U. Garam ¹⁴⁷Pm³⁺ merah jambu dalam jumlah miligram, dapat diisolasi dengan metode penukar-ion dari produk fisi dalam simpanan bahan bakar reaktor nuklir di mana ¹⁴⁷Pm (β-, 2,64 tahun) dibentuk. Lantanida dipisahkan dari unsur lain dengan pengendapan oksalat atau fluorida dari larutan HNO₃, dan dari satu sama lain dengan penukar ion dalam resin.
Cerium dan Europium biasanya dipisahkan pertama kali. Cerium dioksidasi menjadi Ce (IV) dan kemudian diendapkan dari HNO₃ 6M sebagai ceric iodat atau dipisahkan dengan ekstraksi pelarut. Europium direduksi menjadi Eu²⁺ dan dipisahkan dengan pengendapan sebagai EuSO₄.
Perilaku penukar ion pertama-pertama tergantung kepada jari-jari ion terhidrasi. Seperti dengan alkali, ion terkecil secara kristalografi yaitu Lu memiliki jari-jari terhidrasi terbesar, sedangkan La memiliki jari-jari terhidrasi terkecil. Dengan demikian, La adalah yang paling kuat terikat dan Lu yang paling lemah ikatannya. Dan urutan elusinya adalah Lu menuju La. Kecenderungan ini dipertegas oleh penggunaan zat pengompleks pada pH yang tepat; ion dengan jari-jari terkecil juga membentuk komplek terkuat, dan dengan demikian, pilihan terhadap fase akua bertambah. Ligan pengompleks yang khas adalah α-hidroksiisobutirat, (CH₃₂<CH(OH)COOH,EDTAH⁴ dan asam-asam hidrokso dan amino karboksilat lainnya. Dari eluat, ion-ion M³⁺ diperoleh kembali dengan pengasaman dengan HNO₃ encer dan penambahan ion oksalat, yang mengendapkan oksalat secara benar-benar kuantitatif. Ini kemudian dipijarkan menjadi oksidanya.

Cerium

Cerium (IV) juga Zr(IV), Th(IV) dan Pu(IV) mudah diekstraksi dari larutan HNO₃ oleh tributil fosfat yang dilarutkan dalam kerosen atau pelarut inert lainnya dan dapat dipisahkan dari ion-ion lantanida +3. Nitrat Lantanida +3 juga dapat diekstraksi dalam kondisi tertentu bertambah dengan bertambahnya nomor atom; ia lebih tinggi dalam asam kuat dan konsentrasi NO₃⁻ yang lebih encer.

Unsur yang lebih ringan nomor massanya

Unsur-unsur yang lebih ringan (La –Gd) diperoleh dengan reduksi triklorida dengan Ca pada 1000ᵒC atau lebih. Bagi Tb, Dy, Ho, Er, Tm, dan juga Y, trifluorida digunakan karena klorida terlalu mudah menguap. Pm dibuat dengan mereduksi PmF₃ dengan Li. Eu, Sm, dan Yb triklorida direduksi hanya menjadi dihalida oleh Ca. Reduksi oksida +3 dengan La pada suhu tinggi menghasilkan logam – logamnya .
Logamnya putih keperakan dan sangat elektropositif. Mereka bereaksi denga air melepaskan hidrogen, berlangsung lambat dalam keadaan dingin, dan cepat pada pemamasan . mereka bernoda jika kena udara dan mudah terbakar menghasilkan oksida M₂O₃; cerium adalah perkecualian menghasilkan CeO₂. “Batu api” yang lebih ringan adalah campuran logam, kebanyakan cerium. Yttrium tahan terhadap udara meskipun sampai 1000ᵒC menyebabkan pembentukan suatu lapisan oksida pelindung. Logam-logamnya bereaksi dengan H₂, C, N₂, Si, P, S, halogen, dan nonlogam lainnya pada suhu tinggi.
Banyak sifat fisika logam berubah perlahan-lahan sepanjang deret, kecuali bagi Eu dan Yb dan kadangkala Sm dan Tm. Penyimpangan terjadi dengan lantanida yang memiliki kecenderungan besar untuk berada dalam keadaan +2; asumsikan bahwa unsur-unsur ini cenderung menyumbangkan hanya dua elektron pada pita konduksi logam, jadi meninggalkan inti yang lebih besar dan menghasilkan gaya ikatan yang lebih rendah. Perlu dicatat juga, Bahwa Eu dan Yb larut dalam amonia.

Oksidasi dan Hidroksida

Oksida Sc₂O₃ kurang basa dibandingkan oksida lainnya dan sangat mirip Al₂O₃; ia sama-sama larut secara amfoter dalam NaOH menghasilkan ion “skandat” [Sc(OH)₆]³⁻.
Oksida unsur lainnya mirip CaO dan menyerap CO₂ dan H₂O dari udara membentuk berturut-turut karbonat dan hidroksida. Hidroksida, M(OH)₃, benar-benar senyawaan yang kebasaannya menurun dengan naiknya Z, seperti yang diharapkan dari penurunan jari-jari ion. Mereka diendapkan dari larutan akua dengan basa sebagai massa gelatin. Mereka tidak amfoter.

Halida

Halida Skandium sekali lagi juga merupakan perkecualian. Fluoridanya mirip AlF₃, menjadi larut dalam HF berlebihan menghasilkan ion ScF₆³⁻; Na₃ScF₆ adalah seperti kryolit. Meskipun demikian, ScCl₃ bukanlah katalis Friedel-Craft seperti AlCl₃ dan tidak berperilaku sebagai asam lewis; strukturnya seperti FeCl₃.
Fluorida lantanida adalah penting karena ketidak larutannya. Penambahan HF atau F⁻ mengendapkan MF₃ bahkan dari larutan 3M HNO₃ dan merupakan uji khas ion lanthanida fluorida dari lantanida yang lebih berat agak larut dalam HF berlebih yang menyebabkan pembentukan kompleks. Fluorida dapat dilarutkan kembali dalam HNO₃ 3M jenuh dengan H₃BO₃ yang menghilangkan F⁻ sebagai BF⁴⁻.
Kloridanya larut dalam air, yang mana mereka mengkristal sebagai hidrat. Klorida anhidrat dibuat paling baik dengan reaksi
M₂O₃ + 6NH₄Cl ——————›2MCl₃ + 3H₂O + 6NH₃

Ion akuo, Garam okso dan Kompleks

Skandium membentuk suatu ion heksa-akuo [Sc(H₂O)₆]³⁺ yang mudah terhidrolisis. Skandium β-diketon merupakan suatu oktahedral seperti dengan Al dan tidak seperti lantanida.
Bagi lantanida dan yttrium, ion akuo, [M(H₂O)ₙ]³⁺, memiliki bilangan koordinasi melampaui 6 seperti [Nd(H₂O)₉]³⁺. Ini mudah terhidrolisis dalam air:
[M(H₂O)ₙ]³⁺ + H₂O ———————› [M(OH)(H₂O)ₙ₋₁]²⁺ + H₃O⁺
Kecenderungan menghidrolisis bertambah dari La ke Lu, yang konsisten dengan penurunan jari-jari ion. Begitu pula Yttrium terutama Y(OH)²⁺ . Bagi Ce³⁺, meskipun demikian, hanya sekitar 1% ion logam dihidrolisis tanpa membentuk suatu endapan, dan kesetimbangan utama Tampak sebagai:
3Ce³⁺ + 5H₂O ———————› [Ce₃(OH)₅]⁴⁺ + 5H⁺
Dalam larutan akua, kompleks fluoride yang agak lemah, MFaq²⁺ dibentuk. Anion kompleks tidak dibentuk, suatu keistimewaan yang membedakannya dari lantanida +3 sebagai suatu golongan unsure aktinida +3 yang membentuk kompleks anionic dalam larutan HCl kuat.
Kompleks yang paling stabil dan umum adalah kompleks dengan ligan oksigen pengkhelat. Pembentukan kompleks yang larut dalam air dengan sitrat dan asam hidrokso lainnya, dimanfaatkan dalam pemisahan penukar ion seperti disebutkan di atas. Kompleks biasanya memiliki bilangan koordinasi lebih besar daripada 6.
Ligan β-diketon seperti asetilaseton khususnya adalah penting, karena beberapa β-diketon terfluorinasi memberikan kompleks yang mudah menguap dan cocok untuk pemisahan kromatografi gas. Pembuatannya bila β-diketon dengan cara kuno menghasilkan spesies yang terhidrasi atau tersolvasi seperti M(acac)₃.C₂H₅OH.3H₂O, memiliki bilangan koordinasi 6. Pengeringan yang lama di atas MgClO₄ memberikan M(β-diketon)3 yang sangat higroskopis.
Kegunaan penting kompleks Eu dan Pr β-diketon yang larut dalam pelarut organic seperti yang diturunkan dari 1,1,1,2,2,3,3-heptafluoro-7,7-dimetil-4,6-oktanedion, adalah sebagai pereaksi penggeser dalam spektrometri nmr. Kompleks paramagnet melindungi kembali proton dari molekul yang rumit, dan memperbaiki secara besar-besaran pemisahan garis resonansi dapat diperoleh.
Manfaat lain senyawaan lantanida bergantung kepada sifat spektroskopinya. Y dan Eu dalam kisi oksida atau silikat memiliki sifat fluoresensi atau luminisensi, dan fosfornya digunakan dalam tabung televisi berwarna. Dalam kisi CaF₂, ion-ion +2 memperlihatkan keaktifan laser seperti halnya garam Eu (β-dik)⁴⁻

Keadaan tetravalensi

Cerium (IV). Ini satu-satunya lantanida +4 yang ada dalam larutan akua demikian juga dalam padatan. Dioksida, CeO₂, diperoleh dengan pemanasan (Ce(OH)₃, atau garam okso dalam air . Ini tidak reaktif dan dilarutkan dengan asam hanya dengan adanya zat pereduksi H₂O₂, SnII, dan sebagainya) menghasilkan larutan Ce³⁺. Hidrat Ceric oksida, CeO₂.nH₂O adalah endapan gelatin berwarna kuning yang diperoleh melalui perlakuan larutan Ce(IV) dengan OH-; Ia larut kembali dalam asam.
Ion ceric dalam larutan diperoleh dengan oksidasi Ce³⁺ dalam HNO₃ atau H₂SO₄ dengan S₂O₈ atau bismuthat. Sifat kimianya mirip dengan larutan Zr⁴⁺, dan aktinida +4, Jadi Ce⁴⁺ menghasilkan fosfat yang tidak larutdalam HNO₃ 4M, dan iodat tidak larut dalam HNO₃ 6M, demikian juga oksalat yang tidak larut. Endapan fosfat dan iodat dapat digunakan untuk memisahkan Ce⁴⁺ dari lantanida trivalensi
Ion terhidrasi jingga kekuningan [Ce(H₂)ₙ]⁴⁺, adalah asam yang cukup kuat, mudah terhidrolisis, dan mungkin hanya terdapat dalam larutan HCLO₄ kuat. Dalam pembentukan kompleks asam lainnya bertanggung jawab atas potensial:
Ce(IV) + e ———› Ce(III) Eᵒ = +1,28 V (2M HCl) + 1,44 V (1M H₂SO₄)
+ 1,61 V (1M HNO₃), + 1,70 V (1M HClO₄)
Perbandingan potensial H₂SO₄, yang mana pada konsentasi SO₄ besar, spesies utama adalah [Ce( SO₄)₃]²⁻, terhadap potensial oksidasi dalam air:
O₂ + 4H⁺ + 4e ————› 2H₂O Eᵒ = +1,229 V
Memperlihatkan bahwa larutan asam Ce(IV) yang biasanya digunakan dalam analisis adalah metastabil.
Cerium (IV) digunakan sebagai pengoksidasi dalam analisis dan dalam kimia organik, dimana biasanya digunakan dalam asam asetat. Larutannya mengoksidasi aldehida dan keton pada atom karbon-α. Benzaldehida menghasilkan benzoin.
Kompleks anion sangat mudah dibentuk. Standar analitik “ceric amonium nitrat” yang dapat dikristalkan dari HNO₃, mengandung anion heksanitratocerat, [Ce(NO₃)₆]²⁻
Praseodymium (IV) dan Terbium (IV). Ini hanya ada dalam oksida dan fluorida. Sistem oksida sangat rumit dan non stoikiometri. Potensial Pr(IV)/Pr(III) diperkirakan +2,9 V sehingga tidaklah mengherankan bahwa Pr(IV) tidak ada dalam larutan akua.