العناصر الأرضية النادرة السحرية سكانديوم

Sكانديوم، برمز العنصر Sc وعدده الذري 21، قابل للذوبان في الماء بسهولة، ويمكن أن يتفاعل مع الماء الساخن، ويغمق لونه بسهولة في الهواء. التكافؤ الرئيسي هو +3. غالبًا ما يتم مزجه مع الجادولينيوم والإربيوم وعناصر أخرى، مع إنتاجية منخفضة ومحتوى يبلغ حوالي 0.0005% في القشرة. غالبًا ما يستخدم سكانديوم لصنع زجاج خاص وسبائك خفيفة الوزن تتحمل درجات الحرارة العالية.

في الوقت الحاضر، تبلغ الاحتياطيات المؤكدة من سكانديوم في العالم 2 مليون طن فقط، 90 ~ 95٪ منها موجودة في خامات البوكسيت والفوسفوريت والتيتانيوم الحديدي، وجزء صغير في اليورانيوم والثوريوم والتنغستن وخامات الأرض النادرة، بشكل رئيسي. وزعت في روسيا والصين وطاجيكستان ومدغشقر والنرويج ودول أخرى. الصين غنية جدًا بموارد السكانديوم، مع احتياطيات معدنية ضخمة مرتبطة بالسكانديوم. وفقًا لإحصائيات غير كاملة، يبلغ احتياطي السكانديوم في الصين حوالي 600000 طن، وهو موجود في رواسب البوكسيت والفوسفوريت، ورواسب التنغستن في عرق البورفيري والكوارتز في جنوب الصين، والرواسب الأرضية النادرة في جنوب الصين، ورواسب خام الحديد الأرضية النادرة في بيان أوبو. منغوليا الداخلية، ورواسب بانتشيهوا الفاناديوم والماجنتيت والتيتانيوم في سيتشوان.

ونظرًا لندرة السكانديوم، فإن سعر السكانديوم مرتفع جدًا أيضًا، وفي ذروته، تضخم سعر السكانديوم إلى 10 أضعاف سعر الذهب. وعلى الرغم من انخفاض سعر السكانديوم، إلا أنه لا يزال يعادل سعر الذهب بأربعة أضعاف!

اكتشاف التاريخ

في عام 1869، لاحظ مندلييف وجود فجوة في الكتلة الذرية بين الكالسيوم (40) والتيتانيوم (48)، وتوقع وجود عنصر كتلة ذرية متوسطة غير مكتشف هنا. وتوقع أن أكسيده هو X ₂ O Å. تم اكتشاف سكانديوم في عام 1879 من قبل لارس فريدريك نيلسون من جامعة أوبسالا في السويد. استخرجه من منجم الذهب الأسود النادر، وهو خام معقد يحتوي على 8 أنواع من أكاسيد المعادن. لقد استخرجأكسيد الإربيوم (III).من خام الذهب الأسود النادر، ويتم الحصول عليهأكسيد الإيتربيوم (III).من هذا الأكسيد، وهناك أكسيد آخر من العنصر الأخف، الذي يظهر طيفه أنه فلز غير معروف. هذا هو المعدن الذي تنبأ به مندليف والذي يوجد أكسيدهSc₂O₃. تم إنتاج معدن السكانديوم نفسه منهكلوريد الاسكنديومعن طريق الذوبان الكهربائي في عام 1937.

مندليف

التكوين الإلكتروني

تكوين الإلكترون: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

معدن سكانديوم

الإسكنديوم عبارة عن معدن انتقالي أبيض فضي ناعم مع نقطة انصهار تبلغ 1541 درجة مئوية ونقطة غليان تبلغ 2831 درجة مئوية.

لفترة طويلة بعد اكتشافه، لم يتم إثبات استخدام السكانديوم بسبب صعوبة إنتاجه. مع التحسن المتزايد في طرق فصل العناصر الأرضية النادرة، يوجد الآن تدفق عملية ناضج لتنقية مركبات السكانديوم. نظرًا لأن سكانديوم أقل قلوية من الإيتريوم واللانثانيد، فإن الهيدروكسيد هو الأضعف، لذلك سيتم فصل العنصر الأرضي النادر المختلط الذي يحتوي على سكانديوم عن العنصر الأرضي النادر بطريقة "الترسيب التدريجي" عندما تتم معالجة هيدروكسيد سكانديوم (III) مع الأمونيا بعد ذلك. يتم نقلها إلى الحل. الطريقة الأخرى هي فصل نترات السكانديوم عن طريق التحلل القطبي للنترات. نظرًا لأن نترات السكانديوم هي الأسهل في التحلل، فيمكن فصل السكانديوم. بالإضافة إلى ذلك، فإن الاستخلاص الشامل للسكانديوم المصاحب من اليورانيوم والثوريوم والتنغستن والقصدير وغيرها من الرواسب المعدنية يعد أيضًا مصدرًا مهمًا للسكانديوم.

بعد الحصول على مركب سكانديوم نقي، يتم تحويله إلى ScCl Å ويذوب مع KCl وLiCl. يتم استخدام الزنك المنصهر ككاثود للتحليل الكهربائي، مما يتسبب في ترسب السكانديوم على قطب الزنك. ثم يتم تبخير الزنك للحصول على السكانديوم المعدني. وهو معدن أبيض فضي خفيف الوزن ذو خصائص كيميائية نشطة للغاية، ويمكن أن يتفاعل مع الماء الساخن لتوليد غاز الهيدروجين. لذا فإن معدن السكانديوم الذي تراه في الصورة يكون مغلقًا في زجاجة ومحميًا بغاز الأرجون، وإلا سيشكل السكانديوم بسرعة طبقة أكسيد صفراء أو رمادية داكنة، مما يفقد بريقه المعدني اللامع.

التطبيقات

صناعة الإضاءة

وتتركز استخدامات السكانديوم في اتجاهات مشرقة للغاية، وليس من المبالغة أن نطلق عليه اسم ابن النور. أول سلاح سحري من سكانديوم يسمى مصباح الصوديوم سكانديوم، والذي يمكن استخدامه لجلب الضوء لآلاف الأسر. هذا مصباح كهربائي هاليد معدني: يتم ملء اللمبة بمادة يوديد الصوديوم وثلاثي يوديد سكانديوم، ويتم إضافة سكانديوم ورقائق الصوديوم في نفس الوقت. أثناء تفريغ الجهد العالي، تبعث أيونات السكانديوم وأيونات الصوديوم على التوالي ضوءًا من أطوال موجات الانبعاث المميزة. الخطوط الطيفية للصوديوم هي 589.0 و589.6 نانومتر، وهما ضوءان أصفران مشهوران، بينما الخطوط الطيفية للاسكنديوم هي 361.3~424.7 نانومتر، وهي سلسلة من انبعاثات الضوء فوق البنفسجي والأزرق القريبة. ولأنهما يكملان بعضهما البعض، فإن لون الضوء الإجمالي الناتج هو الضوء الأبيض. يرجع ذلك على وجه التحديد إلى أن مصابيح سكانديوم الصوديوم تتميز بخصائص كفاءة الإضاءة العالية، ولون الإضاءة الجيد، وتوفير الطاقة، وعمر الخدمة الطويل، وقدرة قوية على كسر الضباب، لذلك يمكن استخدامها على نطاق واسع لكاميرات التلفزيون، والساحات، والأماكن الرياضية، وإضاءة الطرق، وتعرف باسم مصادر الضوء من الجيل الثالث. في الصين، يتم الترويج لهذا النوع من المصابيح تدريجيًا باعتباره تقنية جديدة، بينما في بعض البلدان المتقدمة، تم استخدام هذا النوع من المصابيح على نطاق واسع في وقت مبكر من أوائل الثمانينات.

أما السلاح السحري الثاني للاسكنديوم فهو الخلايا الشمسية الكهروضوئية، التي يمكنها جمع الضوء المتناثر على الأرض وتحويله إلى كهرباء لدفع المجتمع البشري. يعد الإسكنديوم أفضل معدن حاجز في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أشباه الموصلات المعدنية والخلايا الشمسية.

سلاحها السحري الثالث يسمى γ مصدر الأشعة، هذا السلاح السحري يمكن أن يلمع من تلقاء نفسه، لكن هذا النوع من الضوء لا يمكن استقباله بالعين المجردة، فهو عبارة عن تدفق فوتون عالي الطاقة. نحن عادة نستخرج 45Sc من المعادن، وهي النظائر الطبيعية الوحيدة للاسكنديوم. تحتوي كل نواة 45Sc على 21 بروتونًا و24 نيوترونًا. يمكن استخدام 46Sc، وهو نظير مشع صناعي، كمصادر إشعاع أو يمكن أيضًا استخدام ذرات التتبع في العلاج الإشعاعي للأورام الخبيثة. هناك أيضًا تطبيقات مثل ليزر إيتريوم جاليوم سكانديوم جارنيت،فلوريد سكانديومالألياف الضوئية الزجاجية بالأشعة تحت الحمراء، وأنبوب أشعة الكاثود المطلي بالسكانديوم على شاشة التلفزيون. يبدو أن سكانديوم يولد مع السطوع.

صناعة السبائك

تم استخدام سكانديوم في شكله الأولي على نطاق واسع لتنشيط سبائك الألومنيوم. وطالما تمت إضافة بضعة أجزاء من الألف من السكانديوم إلى الألومنيوم، سيتم تشكيل مرحلة Al3Sc جديدة، والتي ستلعب دورًا تحوليًا في سبائك الألومنيوم وستجعل هيكل وخصائص السبيكة تتغير بشكل كبير. إضافة 0.2%~0.4% Sc (والتي تشبه حقًا نسبة إضافة الملح لتقليب الخضار المقلية في المنزل، لا يلزم سوى القليل) يمكن أن تزيد درجة حرارة إعادة بلورة السبيكة بمقدار 150-200 درجة مئوية، وتحسن بشكل كبير درجة الحرارة العالية - قوة درجة الحرارة، الاستقرار الهيكلي، أداء اللحام، ومقاومة التآكل. ويمكنه أيضًا تجنب ظاهرة التقصف التي من السهل حدوثها أثناء العمل طويل الأمد في درجات حرارة عالية. سبائك الألومنيوم عالية القوة والمتانة، وسبائك الألومنيوم الجديدة القابلة للحام المقاومة للتآكل عالية القوة، وسبائك الألومنيوم الجديدة ذات درجة الحرارة العالية، وسبائك الألومنيوم المقاومة للإشعاع النيوتروني عالية القوة، وما إلى ذلك، لديها آفاق تطوير جذابة للغاية في مجال الطيران والطيران والسفن، المفاعلات النووية والمركبات الخفيفة والقطارات عالية السرعة.

يعد السكانديوم أيضًا مُعدِّلًا ممتازًا للحديد، ويمكن لكمية صغيرة من السكانديوم أن تحسن بشكل كبير من قوة وصلابة الحديد الزهر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا استخدام السكانديوم كمادة مضافة لسبائك التنغستن والكروم ذات درجة الحرارة العالية. وبطبيعة الحال، بالإضافة إلى صنع ملابس الزفاف للآخرين، فإن سكانديوم لديه نقطة انصهار عالية وكثافته مماثلة للألمنيوم، ويستخدم أيضا في سبائك خفيفة الوزن ذات نقطة انصهار عالية مثل سبائك التيتانيوم سكانديوم وسبائك المغنيسيوم سكانديوم. ومع ذلك، نظرًا لسعره المرتفع، فإنه يستخدم بشكل عام فقط في الصناعات التحويلية المتطورة مثل المكوكات الفضائية والصواريخ.

مادة السيراميك

يُستخدم السكانديوم، وهو مادة واحدة، بشكل عام في السبائك، وتلعب أكاسيده دورًا مهمًا في المواد الخزفية بطريقة مماثلة. تتمتع مادة سيراميك الزركونيا الرباعية، والتي يمكن استخدامها كمواد قطب كهربائي لخلايا وقود الأكسيد الصلب، بخاصية فريدة حيث تزداد موصلية هذا المنحل بالكهرباء مع زيادة درجة الحرارة وتركيز الأكسجين في البيئة. ومع ذلك، فإن البنية البلورية لهذه المادة الخزفية نفسها لا يمكن أن توجد بثبات وليس لها أي قيمة صناعية؛ ومن الضروري تطعيم بعض المواد التي يمكنها إصلاح هذا الهيكل من أجل الحفاظ على خصائصه الأصلية. إن إضافة 6 إلى 10% من أكسيد سكانديوم يشبه الهيكل الخرساني، بحيث يمكن تثبيت الزركونيا على شبكة مربعة.

هناك أيضًا مواد سيراميكية هندسية مثل نيتريد السيليكون عالي القوة والمقاوم لدرجات الحرارة العالية كمكثفات ومثبتات.

كمكثف،أكسيد سكانديوميمكن أن يشكل مرحلة حرارية Sc2Si2O7 عند حافة الجسيمات الدقيقة، وبالتالي تقليل تشوه السيراميك الهندسي الناتج عن درجات الحرارة العالية. بالمقارنة مع الأكاسيد الأخرى، يمكنه تحسين الخواص الميكانيكية لدرجات الحرارة العالية لنتريد السيليكون بشكل أفضل.

الكيمياء التحفيزية

في الهندسة الكيميائية، غالبًا ما يستخدم السكانديوم كمحفز، بينما يمكن استخدام Sc2O3 في التجفيف وإزالة أكسدة الإيثانول أو الأيزوبروبانول، وتحلل حمض الأسيتيك، وإنتاج الإيثيلين من ثاني أكسيد الكربون وH2. يعد المحفز Pt Al الذي يحتوي على Sc2O3 أيضًا محفزًا مهمًا لعمليات تنقية وتكرير هدرجة الزيت الثقيل في صناعة البتروكيماويات. في تفاعلات التكسير الحفزي مثل الكومين، يكون نشاط محفز الزيوليت Sc-Y أعلى 1000 مرة من نشاط محفز سيليكات الألومنيوم؛ بالمقارنة مع بعض المحفزات التقليدية، فإن آفاق تطوير محفزات السكانديوم ستكون مشرقة للغاية.

صناعة الطاقة النووية

إن إضافة كمية صغيرة من Sc2O3 إلى UO2 في الوقود النووي للمفاعل عالي الحرارة يمكن أن يتجنب تحول الشبكة، وزيادة الحجم، والتشقق الناتج عن تحويل UO2 إلى U3O8.

خلية الوقود

وبالمثل، فإن إضافة 2.5% إلى 25% سكانديوم إلى بطاريات النيكل القلوية سيزيد من عمر الخدمة.

تربية زراعية

في الزراعة، يمكن معالجة البذور مثل الذرة والبنجر والبازلاء والقمح وعباد الشمس بكبريتات الإسكنديوم (يكون التركيز بشكل عام 10-3 ~ 10-8 مول/لتر، وستكون النباتات المختلفة مختلفة)، والتأثير الفعلي لتعزيز الإنبات تم تحقيقه. وبعد 8 ساعات ارتفع الوزن الجاف للجذور والبراعم بنسبة 37% و78% على التوالي مقارنة بالشتلات، إلا أن الآلية لا تزال قيد الدراسة.

منذ اهتمام نيلسن ببيانات الكتلة الذرية حتى يومنا هذا، دخل السكانديوم في أنظار الناس لمدة مائة أو عشرين عامًا فقط، لكنه ظل على مقاعد البدلاء تقريبًا لمدة مائة عام. ولم يجلب له الحيوية إلا بعد التطور القوي لعلم المواد في أواخر القرن الماضي. اليوم، أصبحت العناصر الأرضية النادرة، بما في ذلك السكانديوم، نجومًا ساخنة في علم المواد، وتلعب أدوارًا دائمة التغير في آلاف الأنظمة، مما يوفر المزيد من الراحة لحياتنا كل يوم، ويخلق قيمة اقتصادية يصعب قياسها.