γαίες, σπάνιες

Με τον όρο αυτό χαρακτηρίζεται μια ομάδα δεκατεσσάρων χημικών στοιχείων, με ατομικό αριθμό από 58 μέχρι 71, των οποίων οι χημικές ιδιότητες μοιάζουν και συγγενεύουν πολύ με του λανθανίου (που έδωσε τις σ.γ. και την ονομασία λανθανίδια). Η λέξη γαίες δόθηκε επειδή από τα στοιχεία της ομάδας αυτής έγιναν πρώτα γνωστά τα οξείδια γαιώδους μορφής. Ως προς τον χαρακτηρισμό (σ.γ.), αυτός οφείλεται περισσότερο στις δυσκολίες που συναντούμε για τον καθαρισμό τους παρά στην ποσότητά τους στον γήινο φλοιό (π.χ. το δημήτριο, το αφθονότερο από τις σ.γ., βρίσκεται στον γήινο φλοιό σε ποσοστό μεγαλύτερο από τον κασσίτερο, τον χρυσό, τον υδράργυρο κ.ά., που είχαν πολλαπλές τεχνικές εφαρμογές). Τα στοιχεία της ομάδας των σ.γ. είναι ανάλογα με τη σειρά αύξησης του ατομικού τους αριθμού: το δημήτριο, το πρασεοδύμιο, το νεοδύμιο, το προμήθειο, το σαμάριο, το ευρώπιο, το γαδολίνιο, το τέρβιο, το δυσπρόσιο, το όλμιο, το έρβιο, το θούλιο, το υττέρβιο και το λουτέσιο. Η μεγάλη ομοιότητα της χημικής συμπεριφοράς των στοιχείων της ομάδας οφείλεται στη διάταξη των ηλεκτρονίων τους: η διάταξη των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας (της πέμπτης κατά σειρά από την πιο εσωτερική) παραμένει η ίδια, ενώ τα άλλα ηλεκτρόνια συμπληρώνουν μια εσωτερική υποστιβάδα, με την ένδειξη 4f, η οποία στα προηγούμενα στοιχεία είναι κενή. Το λανθάνιο δεν έχει ηλεκτρόνια στο στρώμα 4f και γι’ αυτό δεν ανήκει, με την πραγματική έννοια, στην ομάδα των σ.γ., ενώ το δημήτριο έχει ένα, το πρασεοδύμιο δύο κι έτσι φτάνουμε στο λουτέσιο, που έχει πλήρη τη στιβάδα 4f, με 14 ηλεκτρόνια. Επειδή οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων εξαρτώνται από τα εξωτερικά ηλεκτρόνια, οι σ.γ. που έχουν τρία ηλεκτρόνια σε αυτή τη στιβάδα συμπεριφέρονται όπως τα τρισθενή μέταλλα (ανάλογη συμπεριφορά εμφανίζουν, εκτός από το λανθάνιο που αναφέρθηκε, το ύτριο και το σκάνδιο, τα οποία μερικές φορές χαρακτηρίζονται σ.γ.). Η μοναδική διαφορά μεταξύ των στοιχείων της ομάδας των σ.γ. βρίσκεται στη διαφορετική ατομική ακτίνα: αυτή ελαττώνεται με την αύξηση του ατομικού αριθμού, εξαιτίας της ισχυρότερης έλξης που ασκεί ο πυρήνας στα γύρω από αυτόν ηλεκτρόνια, καθώς αυξάνουν τα θετικά φορτία που τον αποτελούν. Σε αυτή τη διαφορά της ατομικής ακτίνας και στις μικρές διαφορές συμπεριφοράς που προκύπτουν από αυτή στηρίζονται οι μέθοδοι για τον διαχωρισμό των στοιχείων της ομάδας. Παλαιότερα, η μοναδική μέθοδος διαχωρισμού των σ.γ. ήταν η κλασματική κρυστάλλωση, μέθοδος μακρά και επίπονη. Για να έχουμε μια ιδέα των δυσκολιών της αρκεί να αναφέρουμε ότι για τον διαχωρισμό μερικών στοιχείων χρειάστηκαν περίπου 40.000 επεξεργασίες διαδοχικών κρυσταλλώσεων. Από το 1945, οι ανιονικές ρητίνες έθεσαν στη διάθεση των χημικών πολύ πιο πρακτικές και λιγότερο δαπανηρές μεθόδους, οι οποίες έκαναν δυνατή την πρακτική εφαρμογή πολλών στοιχείων της ομάδας, εκτός από το δημήτριο, που το χρησιμοποιούσαν ήδη από καιρό.