عناصر جادویی کمیاب زمین اسکاندیم

Sکاندیمبا نماد عنصر Sc و عدد اتمی ۲۱، به راحتی در آب حل می‌شود، می‌تواند با آب داغ واکنش دهد و به راحتی در هوا تیره می‌شود. ظرفیت اصلی آن +۳ است. اغلب با گادولینیوم، اربیوم و سایر عناصر مخلوط می‌شود، با بازده کم و محتوای تقریباً ۰.۰۰۰۵٪ در پوسته. اسکاندیم اغلب برای ساخت شیشه‌های مخصوص و آلیاژهای سبک وزن با دمای بالا استفاده می‌شود.

در حال حاضر، ذخایر اثبات شده اسکاندیم در جهان تنها 2 میلیون تن است که 90 تا 95 درصد آن در سنگ معدن بوکسیت، فسفریت و تیتانیوم آهن و بخش کوچکی در سنگ معدن اورانیوم، توریم، تنگستن و عناصر خاکی کمیاب وجود دارد که عمدتاً در روسیه، چین، تاجیکستان، ماداگاسکار، نروژ و سایر کشورها توزیع شده است. چین از نظر منابع اسکاندیم بسیار غنی است و ذخایر معدنی عظیمی مربوط به اسکاندیم دارد. طبق آمار ناقص، ذخایر اسکاندیم در چین حدود 600000 تن است که در ذخایر بوکسیت و فسفریت، ذخایر تنگستن پورفیری و رگه کوارتز در جنوب چین، ذخایر عناصر خاکی کمیاب در جنوب چین، ذخایر سنگ آهن عناصر خاکی کمیاب بایان اوبو در مغولستان داخلی و ذخایر مگنتیت تیتانیوم وانادیوم پانژیهوا در سیچوان قرار دارد.

به دلیل کمیابی اسکاندیم، قیمت اسکاندیم نیز بسیار بالاست و در اوج خود، قیمت اسکاندیم تا 10 برابر قیمت طلا افزایش یافته بود. اگرچه قیمت اسکاندیم کاهش یافته است، اما هنوز چهار برابر قیمت طلا است!

کشف تاریخ

در سال ۱۸۶۹، مندلیف متوجه شکافی در جرم اتمی بین کلسیم (۴۰) و تیتانیوم (۴۸) شد و پیش‌بینی کرد که یک عنصر کشف نشده با جرم اتمی متوسط ​​نیز در اینجا وجود دارد. او پیش‌بینی کرد که اکسید آن X₂O₂ است. اسکاندیم در سال ۱۸۷۹ توسط لارس فردریک نیلسون از دانشگاه اوپسالا در سوئد کشف شد. او آن را از معدن طلای سیاه کمیاب، سنگ معدن پیچیده‌ای که حاوی ۸ نوع اکسید فلزی است، استخراج کرد. او ...اکسید اربیم(III)از سنگ معدن طلای سیاه کمیاب، و به دست آمدهاکسید ایتربیم(III)از این اکسید، و اکسید دیگری از عنصر سبک‌تر وجود دارد که طیف آن نشان می‌دهد که یک فلز ناشناخته است. این فلزی است که مندلیف پیش‌بینی کرده بود، اکسید آنSc₂O₃خود فلز اسکاندیم از ... تولید شد.کلرید اسکاندیمبا ذوب الکترولیتی در سال ۱۹۳۷.

مندلیف

پیکربندی الکترونی

پیکربندی الکترونی: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

فلز اسکاندیم

اسکاندیم یک فلز واسطه نرم، به رنگ سفید نقره‌ای با نقطه ذوب ۱۵۴۱ درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش ۲۸۳۱ درجه سانتی‌گراد است.

برای مدت زمان قابل توجهی پس از کشف آن، استفاده از اسکاندیم به دلیل دشواری تولید آن نشان داده نشد. با بهبود روزافزون روش‌های جداسازی عناصر خاکی کمیاب، اکنون یک جریان فرآیند بالغ برای خالص‌سازی ترکیبات اسکاندیم وجود دارد. از آنجا که اسکاندیم نسبت به ایتریم و لانتانید قلیاییت کمتری دارد، هیدروکسید آن ضعیف‌ترین است، بنابراین کانی مخلوط عناصر خاکی کمیاب حاوی اسکاندیم با روش "رسوب مرحله‌ای" از عنصر خاکی کمیاب جدا می‌شود، زمانی که هیدروکسید اسکاندیم (III) پس از انتقال به محلول با آمونیاک واکنش می‌دهد. روش دیگر جداسازی نیترات اسکاندیم با تجزیه قطبی نیترات است. از آنجا که نیترات اسکاندیم آسان‌ترین ماده برای تجزیه است، اسکاندیم را می‌توان جدا کرد. علاوه بر این، بازیابی کامل اسکاندیم همراه از رسوبات اورانیوم، توریم، تنگستن، قلع و سایر مواد معدنی نیز منبع مهمی از اسکاندیم است.

پس از به دست آوردن یک ترکیب اسکاندیم خالص، آن را به ScCl₂ Å تبدیل می‌کنند و با KCl و LiCl ذوب می‌کنند. روی مذاب به عنوان کاتد برای الکترولیز استفاده می‌شود و باعث رسوب اسکاندیم روی الکترود روی می‌شود. سپس، روی تبخیر می‌شود تا اسکاندیم فلزی به دست آید. این یک فلز سفید نقره‌ای سبک با خواص شیمیایی بسیار فعال است که می‌تواند با آب داغ واکنش داده و گاز هیدروژن تولید کند. بنابراین اسکاندیم فلزی که در تصویر می‌بینید در یک بطری مهر و موم شده و با گاز آرگون محافظت می‌شود، در غیر این صورت اسکاندیم به سرعت یک لایه اکسید زرد تیره یا خاکستری تشکیل می‌دهد و درخشش فلزی براق خود را از دست می‌دهد.

کاربردها

صنعت روشنایی

کاربردهای اسکاندیم در جهات بسیار روشن متمرکز شده است و اغراق نیست که آن را پسر نور بنامیم. اولین سلاح جادویی اسکاندیم، لامپ سدیم اسکاندیم نام دارد که می‌تواند برای روشنایی هزاران خانه استفاده شود. این یک لامپ الکتریکی متال هالید است: لامپ با یدید سدیم و تری یدید اسکاندیم پر شده است و اسکاندیم و فویل سدیم به طور همزمان اضافه می‌شوند. در طول تخلیه ولتاژ بالا، یون‌های اسکاندیم و یون‌های سدیم به ترتیب نور را با طول موج‌های انتشار مشخص خود ساطع می‌کنند. خطوط طیفی سدیم ۵۸۹.۰ و ۵۸۹.۶ نانومتر، دو نور زرد معروف هستند، در حالی که خطوط طیفی اسکاندیم ۳۶۱.۳ تا ۴۲۴.۷ نانومتر، مجموعه‌ای از انتشار نور نزدیک به فرابنفش و آبی هستند. از آنجا که آنها مکمل یکدیگر هستند، رنگ کلی نور تولید شده نور سفید است. دقیقاً به این دلیل که لامپ‌های سدیم اسکاندیم دارای ویژگی‌هایی مانند راندمان نوری بالا، رنگ نور خوب، صرفه‌جویی در مصرف برق، عمر طولانی و قابلیت مه‌شکنی قوی هستند، می‌توانند به طور گسترده برای دوربین‌های تلویزیونی، میادین، اماکن ورزشی و روشنایی جاده‌ها مورد استفاده قرار گیرند و به عنوان منابع نوری نسل سوم شناخته می‌شوند. در چین، این نوع لامپ به تدریج به عنوان یک فناوری جدید تبلیغ می‌شود، در حالی که در برخی از کشورهای توسعه‌یافته، این نوع لامپ از اوایل دهه 1980 به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفت.

دومین سلاح جادویی اسکاندیم، سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی است که می‌تواند نور پراکنده شده روی زمین را جمع‌آوری کرده و آن را به الکتریسیته تبدیل کند تا جامعه بشری را به حرکت درآورد. اسکاندیم بهترین فلز مانع در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نیمه‌هادی عایق فلزی و سلول‌های خورشیدی است.

سومین سلاح جادویی آن γ نام دارد. یک منبع پرتو، این سلاح جادویی می‌تواند به خودی خود به روشنی بدرخشد، اما این نوع نور را نمی‌توان با چشم غیرمسلح دریافت کرد، این یک جریان فوتونی پرانرژی است. ما معمولاً 45Sc را از مواد معدنی استخراج می‌کنیم که تنها ایزوتوپ‌های طبیعی اسکاندیم است. هر هسته 45Sc حاوی 21 پروتون و 24 نوترون است. 46Sc، یک ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی، می‌تواند به عنوان منابع پرتو γ یا اتم‌های ردیاب استفاده شود. همچنین می‌توان از آنها برای پرتودرمانی تومورهای بدخیم استفاده کرد. کاربردهایی مانند لیزر ایتریم گالیم اسکاندیم گارنت نیز وجود دارد.اسکاندیم فلورایدفیبر نوری مادون قرمز شیشه‌ای و لامپ اشعه کاتدی با پوشش اسکاندیم در تلویزیون. به نظر می‌رسد اسکاندیم با روشنایی متولد شده است.

صنعت آلیاژ

اسکاندیم به شکل عنصری خود به طور گسترده برای آلایش آلیاژهای آلومینیوم استفاده شده است. تا زمانی که چند هزارم اسکاندیم به آلومینیوم اضافه شود، فاز جدید Al3Sc تشکیل می‌شود که نقش متامورفیسم را در آلیاژ آلومینیوم ایفا می‌کند و باعث می‌شود ساختار و خواص آلیاژ به طور قابل توجهی تغییر کند. افزودن 0.2٪ تا 0.4٪ اسکاندیم (که واقعاً شبیه به نسبت افزودن نمک برای تفت دادن سبزیجات سرخ شده در خانه است، فقط مقدار کمی مورد نیاز است) می‌تواند دمای تبلور مجدد آلیاژ را 150 تا 200 درجه سانتیگراد افزایش دهد و به طور قابل توجهی استحکام در دمای بالا، پایداری ساختاری، عملکرد جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشد. همچنین می‌تواند از پدیده شکنندگی که به راحتی در طول کار طولانی مدت در دماهای بالا رخ می‌دهد، جلوگیری کند. آلیاژ آلومینیوم با استحکام و چقرمگی بالا، آلیاژ آلومینیوم جدید با استحکام بالا و مقاوم در برابر خوردگی و قابل جوش، آلیاژ آلومینیوم جدید با دمای بالا، آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا و مقاوم در برابر تابش نوترون و غیره، چشم‌انداز توسعه بسیار جذابی در هوافضا، هوانوردی، کشتی‌ها، راکتورهای هسته‌ای، وسایل نقلیه سبک و قطارهای پرسرعت دارند.

اسکاندیم همچنین یک اصلاح‌کننده عالی برای آهن است و مقدار کمی اسکاندیم می‌تواند استحکام و سختی چدن را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. علاوه بر این، اسکاندیم می‌تواند به عنوان افزودنی برای آلیاژهای تنگستن و کروم با دمای بالا نیز استفاده شود. البته، اسکاندیم علاوه بر ساخت لباس عروسی برای دیگران، نقطه ذوب بالایی دارد و چگالی آن مشابه آلومینیوم است و همچنین در آلیاژهای سبک با نقطه ذوب بالا مانند آلیاژ تیتانیوم اسکاندیم و آلیاژ منیزیم اسکاندیم استفاده می‌شود. با این حال، به دلیل قیمت بالای آن، معمولاً فقط در صنایع تولیدی سطح بالا مانند شاتل‌های فضایی و موشک‌ها استفاده می‌شود.

مواد سرامیکی

اسکاندیم، یک ماده منفرد، عموماً در آلیاژها استفاده می‌شود و اکسیدهای آن نقش مهمی در مواد سرامیکی به طور مشابه ایفا می‌کنند. ماده سرامیکی زیرکونیای تتراگونال، که می‌تواند به عنوان ماده الکترود برای سلول‌های سوختی اکسید جامد استفاده شود، دارای خاصیت منحصر به فردی است که در آن رسانایی این الکترولیت با افزایش دما و غلظت اکسیژن در محیط افزایش می‌یابد. با این حال، ساختار کریستالی این ماده سرامیکی به خودی خود نمی‌تواند پایدار باشد و هیچ ارزش صنعتی ندارد. برای حفظ خواص اصلی آن، لازم است برخی از موادی که می‌توانند این ساختار را تثبیت کنند، به آن اضافه شوند. افزودن 6 تا 10 درصد اکسید اسکاندیم مانند یک ساختار بتنی است، به طوری که زیرکونیا می‌تواند روی یک شبکه مربعی تثبیت شود.

همچنین مواد سرامیکی مهندسی مانند نیترید سیلیکون با استحکام بالا و مقاوم در برابر دمای بالا به عنوان متراکم کننده و تثبیت کننده وجود دارد.

به عنوان متراکم کننده،اکسید اسکاندیممی‌تواند یک فاز نسوز Sc2Si2O7 را در لبه ذرات ریز تشکیل دهد، در نتیجه تغییر شکل دمای بالای سرامیک‌های مهندسی را کاهش می‌دهد. در مقایسه با سایر اکسیدها، می‌تواند خواص مکانیکی دمای بالای نیترید سیلیکون را بهتر بهبود بخشد.

شیمی کاتالیزوری

در مهندسی شیمی، اسکاندیم اغلب به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود، در حالی که Sc2O3 می‌تواند برای آب‌زدایی و دی‌اکسیداسیون اتانول یا ایزوپروپانول، تجزیه اسید استیک و تولید اتیلن از CO و H2 استفاده شود. کاتالیزور PtAl حاوی Sc2O3 همچنین یک کاتالیزور مهم برای فرآیندهای تصفیه و پالایش هیدروژناسیون نفت سنگین در صنعت پتروشیمی است. در واکنش‌های کراکینگ کاتالیزوری مانند کومن، فعالیت کاتالیزور زئولیت Sc-Y 1000 برابر بیشتر از کاتالیزور سیلیکات آلومینیوم است. در مقایسه با برخی از کاتالیزورهای سنتی، چشم‌انداز توسعه کاتالیزورهای اسکاندیم بسیار روشن خواهد بود.

صنعت انرژی هسته‌ای

افزودن مقدار کمی Sc2O3 به UO2 در سوخت هسته‌ای راکتور با دمای بالا می‌تواند از تبدیل شبکه، افزایش حجم و ترک خوردگی ناشی از تبدیل UO2 به U3O8 جلوگیری کند.

پیل سوختی

به همین ترتیب، افزودن ۲.۵٪ تا ۲۵٪ اسکاندیم به باتری‌های نیکل آلکالی، عمر مفید آنها را افزایش می‌دهد.

اصلاح نژاد کشاورزی

در کشاورزی، بذرهایی مانند ذرت، چغندر، نخود فرنگی، گندم و آفتابگردان را می‌توان با سولفات اسکاندیم تیمار کرد (غلظت آن عموماً 10-3 تا 10-8 مول بر لیتر است، گیاهان مختلف متفاوت خواهند بود) و اثر واقعی آن در افزایش جوانه‌زنی حاصل شده است. پس از 8 ساعت، وزن خشک ریشه‌ها و جوانه‌ها در مقایسه با نهال‌ها به ترتیب 37٪ و 78٪ افزایش یافت، اما مکانیسم آن هنوز در دست مطالعه است.

از توجه نیلسن به بدهی داده‌های جرم اتمی تا به امروز، اسکاندیم تنها صد یا بیست سال است که وارد دیدگاه مردم شده است، اما تقریباً صد سال است که روی نیمکت نشسته است. تا توسعه شدید علم مواد در اواخر قرن گذشته، این عنصر به او شور و نشاط نبخشید. امروزه، عناصر خاکی کمیاب، از جمله اسکاندیم، به ستارگان داغ علم مواد تبدیل شده‌اند و نقش‌های دائماً در حال تغییری را در هزاران سیستم ایفا می‌کنند، هر روز راحتی بیشتری را برای زندگی ما به ارمغان می‌آورند و ارزش اقتصادی ایجاد می‌کنند که اندازه‌گیری آن حتی دشوارتر است.