عناصر خاکی خاکی نادر جادویی

Sکاندیوم، با نماد عنصر SC و تعداد اتمی 21 ، به راحتی در آب محلول است ، می تواند با آب گرم در تعامل باشد و به راحتی در هوا تاریک می شود. ارزش اصلی آن+3 است. غالباً با گادولینیوم ، اربیم و سایر عناصر مخلوط می شود و دارای عملکرد کم و محتوای تقریبی 0.0005 ٪ در پوسته است. از اسکاندیوم اغلب برای تهیه آلیاژهای مخصوص شیشه ای و سبک وزن استفاده می شود.

در حال حاضر ، ذخایر اثبات شده اسکاندیوم در جهان تنها 2 میلیون تن است که 95 ~ 90 ٪ از آنها در سنگ معدن بوکسیت ، فسفریت و آهن تیتانیوم و بخش کوچکی در اورانیوم ، توریم ، تونگستن و سنگ معدن زمین نادر وجود دارد ، که عمدتا در روسیه ، چین ، تاجیکستان ، تاجیکستان ، ماداگاسکار ، ماداگاسکار ، و سایر کشورها توزیع می شود. چین از نظر منابع اسکاندیوم بسیار غنی است و دارای ذخایر عظیم معدنی مربوط به اسکاندیم است. با توجه به آمار ناقص ، ذخایر اسکاندیم در چین حدود 600000 تن است که در ذخایر باوکسیت و فسفریت ، سنگهای تونگستن پورفری و کوارتز موجود در جنوب چین ، سپرده های خاکی نادر در جنوب چین ، رسوب سنگ آهن خاکی باین اوبو در مروجی داخل مونگاییوم ، و پانژیهووا مگنتایوم و پانژیهووا مگنتایوم است.

با توجه به کمبود اسکاندیوم ، قیمت اسکاندیم نیز بسیار زیاد است و در اوج آن ، قیمت اسکاندیم به 10 برابر قیمت طلا رسیده است. اگرچه قیمت اسکاندیوم کاهش یافته است ، اما هنوز هم چهار برابر قیمت طلا است!

کشف تاریخ

در سال 1869 ، مندلیف متوجه شکاف توده اتمی بین کلسیم (40) و تیتانیوم (48) شد و پیش بینی کرد که در اینجا یک عنصر جرم اتمی واسطه ای کشف نشده نیز وجود دارد. وی پیش بینی کرد که اکسید آن x ₂ o است. اسکاندیوم در سال 1879 توسط لارس فردریک نیلسون از دانشگاه اوپسالا در سوئد کشف شد. او آن را از معدن طلای نادر طلای سیاه ، سنگ معدن پیچیده ای که شامل 8 نوع اکسیدهای فلزی است ، استخراج کرد. او استخراج کرده استاکسید اربیوم (iii)از سنگ معدن طلای نادر سیاه ، و به دست آمدهاکسید ytterbium (iii)از این اکسید ، و یک اکسید دیگر از عنصر سبک تر وجود دارد که طیف آن نشان می دهد که این یک فلز ناشناخته است. این فلز پیش بینی شده توسط مندلیف است که اکسید آن استsc₂o₃بشر خود فلز اسکاندیوم از تولید شده استکلرید اسکاندیمبا ذوب الکترولیتی در سال 1937.

مندلیف

پیکربندی الکترون

پیکربندی الکترونی: 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3D1

فلز اسکاندیم

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

برای مدت زمان قابل توجهی پس از کشف آن ، استفاده از اسکاندیم به دلیل مشکل در تولید نشان داده نشده است. با افزایش فزاینده روشهای جداسازی عنصر نادر زمین ، اکنون یک روند فرایند بالغ برای تصفیه ترکیبات اسکاندیوم وجود دارد. از آنجا که اسکاندیم کمتر از yttrium و لانتانید قلیایی است ، هیدروکسید ضعیف ترین است ، بنابراین ماده معدنی مخلوط شده با عنصر نادر زمین حاوی اسکاندیوم با استفاده از روش "بارش مرحله" از عنصر نادر زمین جدا می شود. هیدروکسید پس از انتقال به محلول ، با آمونیاک درمان می شود. روش دیگر جدا کردن نیترات اسکاندیوم با تجزیه قطبی نیترات است. از آنجا که نیترات اسکاندیم ساده ترین برای تجزیه است ، اسکاندیم را می توان از هم جدا کرد. علاوه بر این ، بهبودی جامع اسکاندیم همراه از اورانیوم ، توریم ، تنگستن ، قلع و سایر ذخایر معدنی نیز منبع مهمی از اسکاندیوم است.

پس از بدست آوردن یک ترکیب اسکاندیم خالص ، آن را به SCCL Å تبدیل می کند و CO با KCL و LICL ذوب می شود. روی ذوب شده به عنوان کاتد برای الکترولیز استفاده می شود و باعث می شود رسوایی در الکترود روی رسوب شود. سپس ، روی برای به دست آوردن اسکاندیوم فلزی تبخیر می شود. این یک فلز سفید نقره ای سبک با خاصیت شیمیایی بسیار فعال است که می تواند با آب گرم برای تولید گاز هیدروژن واکنش نشان دهد. بنابراین اسکاندیوم فلزی که در تصویر مشاهده می کنید 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 تیره یا خاکستری را تشکیل می دهد و درخشش فلزی براق خود را از دست می دهد.

برنامه

صنعت روشنایی

استفاده از اسکاندیم در جهات بسیار روشن متمرکز شده است و اغراق نیست که آن را پسر نور بنامیم. اولین سلاح جادویی اسکاندیوم به نام لامپ سدیم اسکاندیم نامیده می شود که می تواند برای نور به هزاران خانوار استفاده شود. این یک چراغ برقی هالید فلزی است: لامپ پر از یدید سدیم و اسکاندیم تریودید است و اسکاندیم و فویل سدیم در همان زمان اضافه می شوند. در طی تخلیه ولتاژ بالا ، یون های اسکاندیم و یون های سدیم به ترتیب نور از طول موج انتشار مشخصه آنها را منتشر می کنند. خطوط طیفی سدیم 589.0 و 589.6 نانومتر ، دو چراغ زرد معروف است ، در حالی که خطوط طیفی اسکاندیوم 424.7 نانومتر 361.3 ، یک سری از انتشار نزدیک به ماوراء بنفش و آبی است. از آنجا که آنها یکدیگر را تکمیل می کنند ، رنگ کلی نور تولید شده نور سفید است. دقیقاً به این دلیل است که لامپ های سدیم اسکاندیم از ویژگی های راندمان درخشان بالا ، رنگ نور خوب ، صرفه جویی در مصرف برق ، عمر طولانی مدت و توانایی شکستن مه ​​شکن قوی برخوردار هستند که می توان آنها را برای دوربین های تلویزیونی ، مربع ها ، مکان های ورزشی و نورپردازی به طور گسترده استفاده کرد و به عنوان منبع نور نسل سوم شناخته می شود. در چین ، این نوع لامپ به تدریج به عنوان یک فناوری جدید ترویج می شود ، در حالی که در برخی از کشورهای توسعه یافته ، این نوع لامپ به طور گسترده در اوایل دهه 1980 مورد استفاده قرار می گرفت.

دومین سلاح جادویی اسکاندیم سلولهای فتوولتائیک خورشیدی است که می تواند نور پراکنده روی زمین را جمع کند و آن را به برق تبدیل کند تا جامعه بشری را هدایت کند. اسکاندیوم بهترین فلز سد در سلولهای خورشیدی سیلیکون نیمه هادی عایق فلزی و سلولهای خورشیدی است.

سومین سلاح جادویی آن γ به عنوان منبع پرتوی نامیده می شود ، این سلاح جادویی می تواند به خودی خود درخشان باشد ، 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 ایزوتوپهای طبیعی اسکاندیم است. هر هسته 45SC حاوی 21 پروتون و 24 نوترون است. 46SC ، ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی ، می تواند به عنوان منابع تابش γ یا اتم های ردیاب نیز مورد استفاده قرار گیرد همچنین می تواند برای رادیوتراپی تومورهای بدخیم استفاده شود. همچنین کاربردهایی مانند لیزر گالیم گالیم Yttrium وجود دارد ،فلوراید اسکاندیمفیبر نوری مادون قرمز و لوله اشعه کاتد با پوشش اسکاندیم در تلویزیون. به نظر می رسد که اسکاندیوم با روشنایی متولد می شود.

صنعت آلیاژ

اسکاندیوم به شکل ابتدایی آن به طور گسترده ای برای دوپینگ آلیاژهای آلومینیوم استفاده شده است. تا زمانی که چند هزارم اسکاندیم به آلومینیوم اضافه شود ، یک مرحله جدید AL3SC تشکیل می شود که نقش دگرگونی در آلیاژ آلومینیوم بازی می کند و ساختار و خواص آلیاژ را به طور قابل توجهی تغییر می دهد. اضافه کردن 0.2 ~ 0.4 ٪ SC (که واقعاً شبیه به اضافه کردن نمک به هم زدن سبزیجات سرخ شده در خانه است ، فقط کمی مورد نیاز است) می تواند دمای تبلور آلیاژ را 150-200 افزایش دهد و به طور قابل توجهی استحکام با درجه بالا ، ثبات ساختاری ، عملکرد جوشکاری و مقاومت به خوردگی را بهبود بخشد. همچنین می تواند از پدیده آغوشی که در طول کار طولانی مدت در دمای بالا به راحتی رخ می دهد ، جلوگیری کند. آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا و چقرمگی بالا ، آلیاژ آلومینیوم جوش قابل مقاومت در برابر خوردگی بالا ، آلیاژ آلومینیوم جدید با درجه حرارت بالا ، آلیاژ آلومینیوم مقاوم در برابر نوترون با استحکام بالا ، و غیره ، چشم اندازهای توسعه بسیار جذاب در هوافضا ، حمل و نقل ، کشتی ها ، راکتورهای هسته ای ، وسایل نقلیه سبک و قطارهای پر سرعت دارند.

اسکاندیم همچنین یک اصلاح کننده عالی برای آهن است و مقدار کمی از اسکاندیم می تواند قدرت و سختی چدن را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. علاوه بر این ، اسکاندیم همچنین می تواند به عنوان یک افزودنی برای آلیاژهای تنگستن درجه حرارت بالا و کروم استفاده شود. البته علاوه بر ساخت لباس عروسی برای دیگران ، اسکاندیم دارای نقطه ذوب بالایی است و چگالی آن شبیه به آلومینیوم است و همچنین در آلیاژهای سبک با وزن بالا مانند آلیاژ تیتانیوم اسکاندیوم و آلیاژ منیزیم اسکاندیم استفاده می شود. با این حال ، به دلیل قیمت بالای آن ، به طور کلی فقط در صنایع تولیدی سطح بالا مانند شاتل های فضایی و موشک ها استفاده می شود.

مواد سرامیک

اسکاندیوم ، یک ماده واحد ، به طور کلی در آلیاژها استفاده می شود و اکسیدهای آن به روش مشابه نقش مهمی در مواد سرامیکی دارند. مواد سرامیکی زیرکونیا چهار ضلعی ، که می تواند به عنوان یک ماده الکترود برای سلولهای سوخت اکسید جامد مورد استفاده قرار گیرد ، دارای یک خاصیت منحصر به فرد است که در آن با افزایش دما و غلظت اکسیژن در محیط ، هدایت این الکترولیت افزایش می یابد. با این حال ، ساختار کریستالی این ماده سرامیکی نمی تواند به طور پایدار وجود داشته باشد و هیچ ارزش صنعتی ندارد. لازم است برخی از موادی را که می توانند این ساختار را برطرف کنند به منظور حفظ خصوصیات اصلی خود ، دوپ کنید. اضافه کردن اکسید اسکاندیم 6 ~ 10 ٪ مانند یک ساختار بتونی است ، به طوری که زیرکونیا را می توان در یک شبکه مربع تثبیت کرد.

همچنین مواد سرامیکی مهندسی مانند نیترید سیلیکون با مقاومت بالا و با درجه بالا به عنوان دنسیسیورها و تثبیت کننده ها وجود دارد.

به عنوان یک چگالی ،اکسید اسکاندیممی تواند یک فاز نسوز SC2SI2O7 را در لبه ذرات ریز تشکیل دهد ، بنابراین تغییر شکل دمای بالا سرامیک های مهندسی را کاهش می دهد. در مقایسه با سایر اکسیدها ، می تواند خصوصیات مکانیکی درجه حرارت بالا نیترید سیلیکون را بهتر بهبود بخشد.

شیمی کاتالیزوری

در مهندسی شیمی ، اسکاندیوم اغلب به عنوان کاتالیزور استفاده می شود ، در حالی که از SC2O3 می توان برای کم آبی و اکسیداسیون اتانول یا ایزوپروپانول ، تجزیه اسید استیک و تولید اتیلن از CO و H2 استفاده کرد. کاتالیزور Pt Al حاوی SC2O3 همچنین یک کاتالیزور مهم برای فرایندهای هیدروژناسیون هیدروژناسیون سنگین و پالایش در صنعت پتروشیمی است. در واکنش های ترک خوردگی کاتالیزوری مانند کومن ، فعالیت کاتالیزور زئولیت SC-Y 1000 برابر بیشتر از کاتالیزور سیلیکات آلومینیوم است. در مقایسه با برخی از کاتالیزورهای سنتی ، چشم انداز توسعه کاتالیزورهای اسکاندیم بسیار روشن خواهد بود.

صنعت انرژی هسته ای

اضافه کردن مقدار کمی SC2O3 به UO2 در سوخت هسته ای راکتور با درجه حرارت بالا می تواند از تبدیل شبکه ، افزایش حجم و ترک خوردگی ناشی از تبدیل UO2 به U3O8 جلوگیری کند.

سلول سوختی

به طور مشابه ، اضافه کردن 2.5 ٪ به 25 ٪ اسکاندیم به باتری های نیکل قلیایی باعث افزایش عمر خدمات آنها می شود.

پرورش کشاورزی

در کشاورزی ، بذرهایی مانند ذرت ، چغندر ، نخود ، گندم و آفتابگردان را می توان با سولفات اسکاندیوم درمان کرد (غلظت به طور کلی 10-3 10-8 مول در لیتر در لیتر است ، گیاهان مختلف متفاوت خواهند بود) و اثر واقعی تقویت جوانه زنی حاصل می شود. پس از 8 ساعت ، وزن خشک ریشه ها و جوانه ها به ترتیب 37 ٪ و 78 ٪ در مقایسه با نهال افزایش یافته است ، اما مکانیسم هنوز در دست بررسی است.

از توجه نیلسن به بدهی داده های توده اتمی تا امروز ، اسکاندیم تنها صد یا بیست سال وارد دید مردم شده است ، اما تقریباً صد سال روی نیمکت نشسته است. در اواخر قرن گذشته ، پیشرفت شدید علم مادی نگذشت که نشاط را برای او به ارمغان آورد. امروزه ، عناصر نادر زمین ، از جمله اسکاندیم ، در علوم مواد به ستاره های داغ تبدیل شده اند ، در هزاران سیستم نقش های همیشه در حال تغییر بازی می کنند ، هر روز راحتی بیشتری را برای زندگی ما به ارمغان می آورند و ارزش اقتصادی ایجاد می کنند که اندازه گیری آن حتی دشوارتر است.