عناصر الأرض النادرة السحرية سكانديوم

Sكانديومسكانديوم، رمزه Sc وعدده الذري 21، سهل الذوبان في الماء، ويتفاعل مع الماء الساخن، ويكتسب لونًا داكنًا بسهولة في الهواء. تكافؤه الرئيسي +3. غالبًا ما يُخلط مع الغادولينيوم والإربيوم وعناصر أخرى، بنسبة إنتاج منخفضة، ونسبة تركيزه في القشرة الأرضية حوالي 0.0005%. يُستخدم السكانديوم غالبًا في صناعة زجاج خاص وسبائك خفيفة الوزن وعالية الحرارة.

في الوقت الحاضر، تبلغ احتياطيات السكانديوم المؤكدة في العالم مليوني طن فقط، 90-95٪ منها موجودة في خامات البوكسيت والفوسفوريت والحديد والتيتانيوم، وجزء صغير في خامات اليورانيوم والثوريوم والتنغستن والأتربة النادرة، موزعة بشكل رئيسي في روسيا والصين وطاجيكستان ومدغشقر والنرويج ودول أخرى. الصين غنية جدًا بموارد السكانديوم، مع احتياطيات معدنية ضخمة تتعلق بالسكانديوم. وفقًا للإحصاءات غير المكتملة، تبلغ احتياطيات السكانديوم في الصين حوالي 600000 طن، والتي توجد في رواسب البوكسيت والفوسفوريت، ورواسب التنغستن البورفيري وعرق الكوارتز في جنوب الصين، ورواسب الأتربة النادرة في جنوب الصين، ورواسب خام الحديد الأرضية النادرة في بايان أوبو في منغوليا الداخلية، ورواسب الفاناديوم والتيتانيوم والمغنتيت في بانتشيهوا في سيتشوان.

بسبب ندرة السكانديوم، يرتفع سعره بشكل كبير، وفي ذروته، تضخم سعره إلى عشرة أضعاف سعر الذهب. ورغم انخفاض سعره، إلا أنه لا يزال أعلى بأربعة أضعاف من سعر الذهب!

اكتشاف التاريخ

في عام ١٨٦٩، لاحظ مندلييف فجوة في الكتلة الذرية بين الكالسيوم (٤٠) والتيتانيوم (٤٨)، وتوقع وجود عنصر كتلة ذرية وسيطة غير مكتشف هنا. وتوقع أن يكون أكسيده X₂OÅ. اكتُشف سكانديوم عام ١٨٧٩ على يد لارس فريدريك نيلسون من جامعة أوبسالا في السويد. استخرجه من منجم الذهب الأسود النادر، وهو خام معقد يحتوي على ثمانية أنواع من أكاسيد المعادن. وقد استخرجأكسيد الإربيوم (III)من خام الذهب الأسود النادر، وتم الحصول عليهأكسيد الإيتربيوم (III)من هذا الأكسيد، وهناك أكسيد آخر من عنصر أخف، يُظهر طيفه أنه معدن غير معروف. هذا هو المعدن الذي تنبأ به مندلييف، وأكسيدهSc₂O₃. تم إنتاج معدن السكانديوم نفسه منكلوريد السكانديومعن طريق الصهر الكهربائي في عام 1937.

مندلييف

التوزيع الإلكتروني

التوزيع الإلكتروني: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

معدن سكانديوم

السكانديوم هو معدن انتقالي ناعم، أبيض اللون، ذو نقطة انصهار تبلغ 1541 درجة مئوية ونقطة غليان تبلغ 2831 درجة مئوية.

لفترة طويلة من الزمن بعد اكتشافه، لم يتم إثبات استخدام السكانديوم بسبب صعوبة إنتاجه. ومع التحسن المتزايد في طرق فصل العناصر الأرضية النادرة، يوجد الآن تدفق عملية ناضج لتنقية مركبات السكانديوم. ونظرًا لأن السكانديوم أقل قلوية من الإيتريوم واللانثانيد، فإن الهيدروكسيد هو الأضعف، لذلك سيتم فصل المعدن المختلط للعناصر الأرضية النادرة الذي يحتوي على السكانديوم عن العنصر الأرضي النادر بطريقة "الترسيب التدريجي" عندما يُعالج هيدروكسيد السكانديوم (III) بالأمونيا بعد نقله إلى المحلول. والطريقة الأخرى هي فصل نترات السكانديوم عن طريق التحلل القطبي للنترات. ونظرًا لأن نترات السكانديوم هي الأسهل في التحلل، فيمكن فصل السكانديوم. بالإضافة إلى ذلك، فإن الاسترداد الشامل للسكانديوم المصاحب من اليورانيوم والثوريوم والتنغستن والقصدير ورواسب المعادن الأخرى هو أيضًا مصدر مهم للسكانديوم.

بعد الحصول على مركب سكانديوم نقي، يُحوّل إلى ScCl Å ويُذاب مع KCl وLiCl. يُستخدم الزنك المصهور كقطب مهبط للتحليل الكهربائي، مما يؤدي إلى ترسب السكانديوم على قطب الزنك. بعد ذلك، يُبخّر الزنك للحصول على سكانديوم معدني. وهو معدن خفيف الوزن أبيض فضي اللون ذو خصائص كيميائية نشطة للغاية، ويمكنه التفاعل مع الماء الساخن لتوليد غاز الهيدروجين. لذلك، يُغلّف سكانديوم المعدن الذي تراه في الصورة في زجاجة ويُحمّى بغاز الأرجون، وإلا سيُشكّل السكانديوم بسرعة طبقة أكسيد صفراء داكنة أو رمادية، ويفقد بريقه المعدني اللامع.

التطبيقات

صناعة الإضاءة

تتركز استخدامات السكانديوم في اتجاهات شديدة السطوع، وليس من المبالغة أن نسميه ابن النور. يُطلق على أول سلاح سحري للسكانديوم اسم مصباح صوديوم السكانديوم، والذي يمكن استخدامه لإضاءة آلاف المنازل. هذا مصباح كهربائي هاليد معدني: يُملأ المصباح بيوديد الصوديوم وثلاثي يوديد السكانديوم، ويُضاف إليه رقائق السكانديوم والصوديوم في نفس الوقت. أثناء التفريغ عالي الجهد، تُصدر أيونات السكانديوم وأيونات الصوديوم على التوالي ضوءًا بأطوال موجية انبعاث مميزة لها. تبلغ الخطوط الطيفية للصوديوم 589.0 و589.6 نانومتر، وهما ضوءان أصفران مشهوران، بينما تتراوح الخطوط الطيفية للسكانديوم بين 361.3 و424.7 نانومتر، وهي سلسلة من انبعاثات الضوء فوق البنفسجي والأزرق القريب. ولأنهما يكملان بعضهما البعض، فإن لون الضوء الكلي الناتج هو الضوء الأبيض. بفضل ما تتميز به مصابيح الصوديوم الإسكنديوم من كفاءة إضاءة عالية، وألوان إضاءة جذابة، وتوفير للطاقة، وعمر افتراضي طويل، وقدرة عالية على إزالة الضباب، تُستخدم على نطاق واسع في كاميرات التلفزيون، والساحات، والملاعب الرياضية، وإضاءة الطرق، وتُعرف بأنها من مصادر الإضاءة من الجيل الثالث. في الصين، يُروّج لهذا النوع من المصابيح تدريجيًا كتقنية جديدة، بينما انتشر استخدامه في بعض الدول المتقدمة منذ أوائل ثمانينيات القرن الماضي.

السلاح السحري الثاني للسكانديوم هو الخلايا الشمسية الكهروضوئية، التي تجمع الضوء المتناثر على الأرض وتحوله إلى كهرباء تُشغّل المجتمع البشري. يُعدّ السكانديوم أفضل معدن حاجز في الخلايا الشمسية السيليكونية شبه الموصلة العازلة المعدنية والخلايا الشمسية.

سلاحها السحري الثالث هو مصدر أشعة غاما. هذا السلاح السحري قادر على التألق ببراعة من تلقاء نفسه، لكن هذا النوع من الضوء لا يمكن رؤيته بالعين المجردة، فهو عبارة عن تدفق فوتون عالي الطاقة. عادةً ما نستخلص 45Sc من المعادن، وهو النظير الطبيعي الوحيد لعنصر السكانديوم. تحتوي كل نواة 45Sc على 21 بروتونًا و24 نيوترونًا. 46Sc، وهو نظير مشع صناعي، يمكن استخدامه كمصدر إشعاع غاما أو كذرات تتبع، كما يمكن استخدامه في العلاج الإشعاعي للأورام الخبيثة. هناك أيضًا تطبيقات مثل ليزر الإيتريوم والغاليوم والسكانديوم والجارنيت.فلوريد السكانديومألياف بصرية زجاجية بالأشعة تحت الحمراء، وأنبوب أشعة كاثود مطلي بالسكانديوم على شاشة التلفزيون. يبدو أن السكانديوم يولد ساطعًا.

صناعة السبائك

يُستخدم سكانديوم في شكله العنصري على نطاق واسع لتنشيط سبائك الألومنيوم. بمجرد إضافة بضعة أجزاء من ألف من سكانديوم إلى الألومنيوم، يتشكل طور Al3Sc جديد، والذي يلعب دورًا في التحول في سبائك الألومنيوم، ويغير هيكلها وخصائصها بشكل كبير. إضافة 0.2% إلى 0.4% من سكانديوم (وهي نسبة تُشبه إلى حد كبير نسبة إضافة الملح إلى الخضراوات المقلية منزليًا، حيث لا نحتاج إلا إلى كمية قليلة) يمكن أن تزيد درجة حرارة إعادة تبلور السبيكة بمقدار 150-200 درجة مئوية، مما يُحسّن بشكل كبير من متانة السبيكة في درجات الحرارة العالية، واستقرار هيكلها، وأداء اللحام، ومقاومتها للتآكل. كما يُجنّب هذا ظاهرة التقصف التي يسهل حدوثها أثناء العمل لفترات طويلة في درجات حرارة عالية. تتمتع سبائك الألومنيوم عالية القوة والمتانة العالية، وسبائك الألومنيوم الجديدة القابلة للحام والمقاومة للتآكل عالية القوة، وسبائك الألومنيوم الجديدة عالية الحرارة، وسبائك الألومنيوم عالية القوة المقاومة للإشعاع النيوتروني، وما إلى ذلك، بآفاق تطوير جذابة للغاية في مجال الفضاء والطيران والسفن والمفاعلات النووية والمركبات الخفيفة والقطارات عالية السرعة.

يُعدّ السكانديوم أيضًا مُعدّلًا ممتازًا للحديد، ويمكن لكمية صغيرة منه أن تُحسّن بشكل كبير من قوة وصلابة الحديد الزهر. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام السكانديوم كمادة مُضافة لسبائك التنغستن والكروم عالية الحرارة. وبالطبع، بالإضافة إلى استخدامه في صنع ملابس الزفاف للآخرين، يتميز السكانديوم بدرجة انصهار عالية وكثافته تُشبه كثافة الألومنيوم، ويُستخدم أيضًا في السبائك الخفيفة عالية درجة الانصهار مثل سبائك التيتانيوم والمغنيسيوم. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع سعره، يُستخدم عادةً فقط في الصناعات التحويلية عالية المستوى مثل مكوكات الفضاء والصواريخ.

مادة السيراميك

يُستخدم الإسكنديوم، وهو مادة واحدة، عادةً في السبائك، كما تلعب أكاسيده دورًا هامًا في المواد الخزفية. تتميز مادة سيراميك الزركونيا رباعية الزوايا، التي تُستخدم كأقطاب كهربائية لخلايا وقود الأكسيد الصلب، بخاصية فريدة، حيث تزداد موصلية هذا الإلكتروليت مع زيادة درجة الحرارة وتركيز الأكسجين في البيئة. ومع ذلك، فإن البنية البلورية لهذه المادة الخزفية بحد ذاتها غير مستقرة، وليست لها قيمة صناعية؛ لذا، يلزم إضافة بعض المواد التي تُثبّت هذه البنية للحفاظ على خصائصها الأصلية. تُشبه إضافة 6 إلى 10% من أكسيد الإسكنديوم بنية الخرسانة، مما يُمكّن الزركونيا من الاستقرار على شبكة مربعة.

وتوجد أيضًا مواد سيراميك هندسية مثل نترات السيليكون عالية القوة ومقاومة درجات الحرارة العالية كمكثفات ومثبتات.

كمكثف،أكسيد السكانديوميمكن أن يُشكّل طورًا حراريًا Sc2Si2O7 على حافة الجسيمات الدقيقة، مما يُقلل من تشوه السيراميك الهندسي عند درجات الحرارة العالية. وبالمقارنة مع الأكاسيد الأخرى، يُحسّن هذا الطور الخواص الميكانيكية لنتريد السيليكون عند درجات الحرارة العالية بشكل أفضل.

الكيمياء التحفيزية

في الهندسة الكيميائية، يُستخدم سكانديوم بكثرة كمحفز، بينما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون (Sc2O3) في إزالة الماء والأكسدة من الإيثانول أو الأيزوبروبانول، وتحليل حمض الأسيتيك، وإنتاج الإيثيلين من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. يُعدّ محفز البلاتين والألومنيوم (Pt Al) المحتوي على ثاني أكسيد الكربون (Sc2O3) أيضًا محفزًا مهمًا لعمليات تنقية وتكرير النفط الثقيل في صناعة البتروكيماويات. في تفاعلات التكسير الحفزي، مثل تفاعل الكومين، يكون نشاط محفز الزيوليت Sc-Y أعلى بألف مرة من نشاط محفز سيليكات الألومنيوم؛ وبالمقارنة مع بعض المحفزات التقليدية، فإن آفاق تطوير محفزات سكانديوم واعدة للغاية.

صناعة الطاقة النووية

إن إضافة كمية صغيرة من Sc2O3 إلى UO2 في وقود المفاعل النووي عالي الحرارة يمكن أن يتجنب تحول الشبكة وزيادة الحجم والتشقق الناجم عن تحويل UO2 إلى U3O8.

خلية الوقود

وبالمثل، فإن إضافة 2.5% إلى 25% من السكانديوم إلى بطاريات النيكل القلوية من شأنه أن يزيد من عمرها الافتراضي.

التربية الزراعية

في الزراعة، يمكن معالجة بذور مثل الذرة والبنجر والبازلاء والقمح ودوار الشمس بكبريتات سكانديوم (يتراوح تركيزها عادةً بين 10-3 و10-8 مول/لتر، ويختلف باختلاف النباتات)، وقد تحقق تأثير فعلي في تعزيز الإنبات. بعد 8 ساعات، زاد الوزن الجاف للجذور والبراعم بنسبة 37% و78% على التوالي مقارنةً بالشتلات، إلا أن آلية العمل لا تزال قيد الدراسة.

منذ اهتمام نيلسن ببيانات الكتلة الذرية وحتى اليوم، لم يدخل السكانديوم مجال اهتمام الناس إلا منذ مئة أو عشرين عامًا، ولكنه ظلّ شبه معدوم لمائة عام. لم يكتسب السكانديوم حيويته إلا مع التطور السريع لعلم المواد في أواخر القرن الماضي. واليوم، أصبحت العناصر الأرضية النادرة، بما فيها السكانديوم، نجومًا لامعة في علم المواد، تلعب أدوارًا متغيرة باستمرار في آلاف الأنظمة، مما يُضفي مزيدًا من الراحة على حياتنا يوميًا، ويخلق قيمة اقتصادية يصعب قياسها.