عناصر نادر زمینی جادویی اسکاندیم

Sکاندیومبا نماد عنصر Sc و عدد اتمی 21، به راحتی در آب حل می شود، می تواند با آب گرم تعامل داشته باشد و به راحتی در هوا تیره می شود. ظرفیت اصلی آن +3 است. اغلب با گادولینیوم، اربیوم و عناصر دیگر مخلوط می شود، با عملکرد کم و محتوای تقریباً 0.0005٪ در پوسته. اسکاندیم اغلب برای ساخت شیشه های خاص و آلیاژهای سبک وزن با دمای بالا استفاده می شود.

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

به دلیل کمیاب بودن اسکاندیم، قیمت اسکاندیم نیز بسیار بالاست و در اوج قیمت اسکاندیم به 10 برابر قیمت طلا افزایش یافت. اگرچه قیمت اسکاندیم کاهش یافته است، اما همچنان چهار برابر قیمت طلا است!

کشف تاریخ

در سال 1869، مندلیف متوجه شکافی در جرم اتمی بین کلسیم (40) و تیتانیوم (48) شد و پیش‌بینی کرد که یک عنصر جرم اتمی میانی کشف نشده نیز در اینجا وجود دارد. او پیش بینی کرد که اکسید آن X 2 O Å است. اسکاندیم در سال 1879 توسط لارس فردریک نیلسون از دانشگاه اوپسالا در سوئد کشف شد. او آن را از معدن طلای کمیاب سیاه استخراج کرد، سنگ معدنی پیچیده که حاوی 8 نوع اکسید فلزی است. او استخراج کرده استاکسید اربیوم (III).از سنگ معدن طلای کمیاب سیاه و به دست آمده استاکسید ایتربیوم (III).از این اکسید، و اکسید دیگری از عنصر سبکتر وجود دارد که طیف آن فلزی ناشناخته است. این فلز پیش بینی شده توسط مندلیف است که اکسید آن استSc2O3. خود فلز اسکاندیم از آن تولید شداسکاندیم کلریدبا ذوب الکترولیتی در سال 1937.

مندلیف

پیکربندی الکترون

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

فلز اسکاندیم

اسکاندیم یک فلز انتقالی نرم و سفید نقره ای با نقطه ذوب 1541 ℃ و نقطه جوش 2831 ℃ است.

برای مدت زمان قابل توجهی پس از کشف، استفاده از اسکاندیم به دلیل دشواری در تولید نشان داده نشد. با بهبود روزافزون روش‌های جداسازی عناصر کمیاب خاکی، در حال حاضر یک جریان فرآیند بالغ برای خالص‌سازی ترکیبات اسکاندیم وجود دارد. از آنجایی که اسکاندیم نسبت به ایتریم و لانتانید قلیایی کمتری دارد، هیدروکسید ضعیف ترین است، بنابراین زمانی که اسکاندیم (III) هیدروکسید پس از تصفیه با آمونیاک، ماده معدنی ترکیبی حاوی اسکاندیم حاوی اسکاندیم از عنصر خاکی کمیاب جدا می شود. در حال انتقال به محلول روش دیگر جداسازی نیترات اسکاندیم با تجزیه قطبی نیترات است. از آنجایی که نیترات اسکاندیم راحت ترین تجزیه است، اسکاندیم را می توان جدا کرد. علاوه بر این، بازیابی جامع اسکاندیم همراه از ذخایر اورانیوم، توریم، تنگستن، قلع و سایر ذخایر معدنی نیز منبع مهم اسکاندیم است.

پس از به دست آوردن یک ترکیب خالص اسکاندیم، به ScCl Å تبدیل می شود و با KCl و LiCl هم ذوب می شود. روی مذاب به عنوان کاتد برای الکترولیز استفاده می شود و باعث رسوب اسکاندیم روی الکترود روی می شود. سپس روی تبخیر می شود تا اسکاندیم فلزی بدست آید. این یک فلز سفید نقره ای سبک وزن با خواص شیمیایی بسیار فعال است که می تواند با آب داغ واکنش داده و گاز هیدروژن تولید کند. بنابراین اسکاندیم فلزی که در تصویر می بینید در یک بطری مهر و موم شده و با گاز آرگون محافظت می شود، در غیر این صورت اسکاندیم به سرعت یک لایه اکسید زرد یا خاکستری تیره تشکیل می دهد و درخشش فلزی براق خود را از دست می دهد.

برنامه های کاربردی

صنعت روشنایی

کاربردهای اسکاندیم در جهات بسیار روشن متمرکز است و اغراق نیست اگر آن را پسر نور بنامیم. اولین سلاح جادویی اسکاندیم لامپ سدیم اسکاندیم نام دارد که می تواند برای روشن کردن هزاران خانوار استفاده شود. این یک چراغ برقی متال هالید است: لامپ با یدید سدیم و تری یدید اسکاندیم پر شده است و فویل اسکاندیم و سدیم همزمان اضافه می شود. در طول تخلیه ولتاژ بالا، یون‌های اسکاندیم و یون‌های سدیم به ترتیب نوری از طول موج‌های گسیلی مشخص خود ساطع می‌کنند. خطوط طیفی سدیم 589.0 و 589.6 نانومتر، دو نور زرد معروف هستند، در حالی که خطوط طیفی اسکاندیم 361.3 تا 424.7 نانومتر هستند، مجموعه‌ای از تابش‌های نور ماوراء بنفش و آبی نزدیک. از آنجا که آنها مکمل یکدیگر هستند، رنگ نور کلی تولید شده نور سفید است. دقیقاً به این دلیل است که لامپ های سدیم اسکاندیم دارای ویژگی های بازده نوری بالا، رنگ نور خوب، صرفه جویی در مصرف انرژی، عمر طولانی و قابلیت مه شکن قوی هستند که می توانند به طور گسترده برای دوربین های تلویزیونی، میدان ها، مکان های ورزشی و روشنایی جاده ها استفاده شوند. و به عنوان منابع نوری نسل سوم شناخته می شوند. در چین، این نوع لامپ به تدریج به عنوان یک فناوری جدید در حال ترویج است، در حالی که در برخی از کشورهای پیشرفته، از اوایل دهه 1980 به طور گسترده از این نوع لامپ استفاده می شد.

دومین سلاح جادویی اسکاندیم سلول های فتوولتائیک خورشیدی است که می تواند نور پراکنده شده روی زمین را جمع آوری کرده و آن را به برق تبدیل کند تا جامعه بشری را به حرکت درآورد. اسکاندیم بهترین فلز مانع در سلول های خورشیدی سیلیکونی نیمه هادی عایق فلزی و سلول های خورشیدی است.

سومین سلاح جادویی آن γA نام دارد، این سلاح جادویی می تواند به خودی خود به شدت بدرخشد، اما این نوع نور را نمی توان با چشم غیر مسلح دریافت کرد، این یک جریان فوتون با انرژی بالا است. ما معمولاً 45Sc را از مواد معدنی استخراج می کنیم که تنها ایزوتوپ طبیعی اسکاندیم است. هر هسته 45Sc حاوی 21 پروتون و 24 نوترون است. 46Sc، یک ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی، می‌تواند به عنوان منبع تابش γ یا اتم‌های ردیاب نیز برای پرتودرمانی تومورهای بدخیم استفاده شود. همچنین کاربردهایی مانند لیزر گارنت ایتریم گالیوم اسکاندیم وجود دارد.اسکاندیم فلورایدفیبر نوری مادون قرمز شیشه ای و لوله اشعه کاتدی با پوشش اسکاندیم در تلویزیون. به نظر می رسد که اسکاندیم با روشنایی متولد شده است.

صنعت آلیاژ

اسکاندیم در شکل عنصری خود به طور گسترده ای برای دوپینگ آلیاژهای آلومینیوم استفاده شده است. تا زمانی که چند هزارم اسکاندیم به آلومینیوم اضافه شود، فاز جدید Al3Sc تشکیل می شود که نقش دگرگونی را در آلیاژ آلومینیوم ایفا می کند و ساختار و خواص آلیاژ را به طور قابل توجهی تغییر می دهد. افزودن 0.2٪ ~ 0.4٪ Sc (که واقعاً شبیه به نسبت اضافه کردن نمک به هم زدن سبزیجات سرخ شده در خانه است، فقط کمی لازم است) می تواند دمای تبلور مجدد آلیاژ را 150-200 درجه سانتیگراد افزایش دهد و به طور قابل توجهی بالا را بهبود بخشد. -استحکام دما، پایداری ساختاری، عملکرد جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی. همچنین می تواند از پدیده شکنندگی که در طول کار طولانی مدت در دماهای بالا به راحتی رخ می دهد جلوگیری کند. آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا و چقرمگی بالا، آلیاژ آلومینیوم قابل جوشکاری مقاوم در برابر خوردگی با استحکام بالا، آلیاژ آلومینیوم جدید با دمای بالا، آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر تابش نوترون با استحکام بالا و غیره، چشم‌انداز توسعه بسیار جذابی در هوا فضا، هوانوردی، کشتی‌ها دارد. راکتورهای هسته ای، وسایل نقلیه سبک و قطارهای پرسرعت.

اسکاندیم همچنین یک اصلاح کننده عالی برای آهن است و مقدار کمی اسکاندیم می تواند استحکام و سختی چدن را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. علاوه بر این، اسکاندیم همچنین می تواند به عنوان یک افزودنی برای آلیاژهای تنگستن و کروم با دمای بالا استفاده شود. البته اسکاندیم علاوه بر ساخت لباس عروس برای دیگران، نقطه ذوب بالایی دارد و چگالی آن مشابه آلومینیوم است و همچنین در آلیاژهای سبک وزن با نقطه ذوب بالا مانند آلیاژ تیتانیوم اسکاندیم و آلیاژ منیزیم اسکاندیم استفاده می شود. با این حال، به دلیل قیمت بالای آن، معمولاً فقط در صنایع تولیدی پیشرفته مانند شاتل های فضایی و موشک ها استفاده می شود.

جنس سرامیک

اسکاندیم، یک ماده منفرد، عموماً در آلیاژها استفاده می شود و اکسیدهای آن به روشی مشابه در مواد سرامیکی نقش مهمی دارند. ماده سرامیکی زیرکونیا چهارضلعی که می تواند به عنوان یک ماده الکترود برای سلول های 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 می یابد. با این حال، ساختار کریستالی این ماده سرامیکی خود نمی تواند به طور پایدار وجود داشته باشد و هیچ ارزش صنعتی ندارد. لازم است برخی از موادی که می توانند این ساختار را تثبیت کنند دوپینگ شوند تا خواص اولیه آن حفظ شود. افزودن 6 تا 10 درصد اکسید اسکاندیم مانند یک سازه بتنی است، به طوری که زیرکونیا را می توان روی یک شبکه مربعی تثبیت کرد.

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

به عنوان متراکم کننده،اکسید اسکاندیممی تواند یک فاز نسوز Sc2Si2O7 را در لبه ذرات ریز تشکیل دهد، بنابراین تغییر شکل در دمای بالا سرامیک های مهندسی را کاهش می دهد. در مقایسه با اکسیدهای دیگر، بهتر می تواند خواص مکانیکی در دمای بالا نیترید سیلیکون را بهبود بخشد.

شیمی کاتالیزوری

در مهندسی شیمی، اسکاندیم اغلب به عنوان کاتالیزور استفاده می شود، در حالی که Sc2O3 می تواند برای آبگیری و اکسیداسیون اتانول یا ایزوپروپانول، تجزیه اسید استیک و تولید اتیلن از CO و H2 استفاده شود. کاتالیزور Pt Al حاوی Sc2O3 همچنین یک کاتالیزور مهم برای تصفیه هیدروژناسیون نفت سنگین و فرآیندهای پالایش در صنعت پتروشیمی است. در واکنش های ترک کاتالیستی مانند Cumene، فعالیت کاتالیزور زئولیت Sc-Y 1000 برابر بیشتر از کاتالیزور سیلیکات آلومینیوم است. در مقایسه با برخی کاتالیزورهای سنتی، چشم انداز توسعه کاتالیزورهای اسکاندیم بسیار روشن خواهد بود.

صنعت انرژی هسته ای

افزودن مقدار کمی Sc2O3 به UO2 در سوخت هسته ای راکتور با دمای بالا می تواند از تبدیل شبکه، افزایش حجم و ترک ناشی از تبدیل UO2 به U3O8 جلوگیری کند.

پیل سوختی

به همین ترتیب، افزودن 2.5٪ تا 25٪ اسکاندیم به باتری های قلیایی نیکل، عمر مفید آنها را افزایش می دهد.

پرورش کشاورزی

در کشاورزی، بذرهایی مانند ذرت، چغندر، نخود، گندم و آفتابگردان را می توان با سولفات اسکاندیم درمان کرد (غلظت به طور کلی 10-3~10-8mol/L، گیاهان مختلف متفاوت خواهند بود)، و اثر واقعی افزایش جوانه زنی به دست آمده است. پس از 8 ساعت وزن خشک ریشه و جوانه به ترتیب 37 و 78 درصد نسبت به نهال افزایش یافت، اما مکانیسم آن هنوز در دست بررسی است.

از توجه نیلسن به بدهی داده های انبوه اتمی تا امروز، اسکاندیم تنها صد یا بیست سال است که وارد چشم انداز مردم شده است، اما تقریباً صد سال است که روی نیمکت نشسته است. تا اینکه در اواخر قرن گذشته پیشرفت شدید علم مادی برای او نشاط به ارمغان آورد. امروزه، عناصر کمیاب خاکی، از جمله اسکاندیم، تبدیل به ستاره‌های داغ در علم مواد شده‌اند، نقش‌های همیشه در حال تغییر را در هزاران سیستم بازی می‌کنند، هر روز راحتی بیشتری را به زندگی ما می‌آورند و ارزش اقتصادی ایجاد می‌کنند که اندازه‌گیری آن حتی دشوارتر است.