יסודות אדמה נדירים קסומים סקנדיום

Sקנדיוםסקנדיום, עם סמל היסוד Sc ומספר אטומי 21, מסיס בקלות במים, יכול ליצור אינטראקציה עם מים חמים, ומתכהה בקלות באוויר. הערכיות העיקרית שלו היא +3. הוא מעורבב לעתים קרובות עם גדוליניום, ארביום ויסודות אחרים, עם תפוקה נמוכה ותכולה של כ-0.0005% בקרום. סקנדיום משמש לעתים קרובות לייצור זכוכית מיוחדת וסגסוגות קלות משקל העומדות בטמפרטורה גבוהה.

נכון לעכשיו, עתודות הסקנדיום המוכחות בעולם עומדות על 2 מיליון טון בלבד, כאשר 90~95% מהן נמצאות בעפרות בוקסיט, פוספט וברזל-טיטניום, וחלק קטן בעפרות אורניום, תוריום, טונגסטן ועפרות אדמה נדירה, המופצות בעיקר ברוסיה, סין, טג'יקיסטן, מדגסקר, נורבגיה ומדינות אחרות. סין עשירה מאוד במשאבי סקנדיום, עם עתודות מינרלים עצומות הקשורות לסקנדיום. על פי סטטיסטיקה לא שלמה, עתודות הסקנדיום בסין עומדות על כ-600,000 טון, הנמצאות במרבצי בוקסיט ופוספט, מרבצי טונגסטן פורפיר וקוורץ בדרום סין, מרבצי אדמה נדירה בדרום סין, מרבצי עפרת ברזל נדירה באיאן אובו במונגוליה הפנימית, ומרבצי מגנטיט טיטניום ונדיום פנז'יהואה בסצ'ואן.

עקב מחסור בסקנדיום, גם מחירו גבוה מאוד, ובשיאו, מחירו התנפח לפי 10 ממחיר הזהב. למרות שמחיר הסקנדיום ירד, הוא עדיין פי ארבעה ממחיר הזהב!

גילוי היסטוריה

בשנת 1869, מנדלייב הבחין בפער במסה האטומית בין סידן (40) לטיטניום (48), וחזה שיש כאן גם יסוד מסה אטומית ביניים שלא התגלה. הוא חזה שהתחמוצת שלו היא X₂OÅ. סקנדיום התגלה בשנת 1879 על ידי לארס פרדריק נילסון מאוניברסיטת אופסלה בשוודיה. הוא הפיק אותו ממכרה הזהב השחור והנדיר, עפרה מורכבת המכילה 8 סוגים של תחמוצות מתכת. הוא הפיק...תחמוצת ארביום(III)מעפרת זהב שחורה נדירה, והושגהתחמוצת איטרביום(III)מהתחמוצת הזו, ויש תחמוצת נוספת של יסוד קל יותר, שהספקטרום שלה מראה שמדובר במתכת לא ידועה. זוהי המתכת שניבא מנדלייב, שתחמוצתה היאSc₂O₃מתכת הסקנדיום עצמה יוצרה מסקנדיום כלורידעל ידי התכה אלקטרוליטית בשנת 1937.

מנדלייב

תצורת אלקטרונים

תצורת אלקטרונים: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s² 3d1

מתכת סקנדיום

סקנדיום הוא מתכת מעבר רכה, לבנה כסופה, עם נקודת התכה של 1541 ℃ ונקודת רתיחה של 2831 ℃.

במשך תקופה ניכרת לאחר גילויו, השימוש בסקנדיום לא הודגם עקב הקושי בייצורו. עם השיפור הגובר בשיטות הפרדת יסודות אדמה נדירים, קיים כיום תהליך בוגר לטיהור תרכובות סקנדיום. מכיוון שסקנדיום פחות בסיסי מאשר איטריום ולנתניד, ההידרוקסיד הוא החלש ביותר, ולכן המינרל המעורב של יסודות אדמה נדירים המכיל סקנדיום יופרד מיסוד האדמה הנדיר בשיטת "משקע מדורג" כאשר סקנדיום(III) הידרוקסיד מטופל באמוניה לאחר העברתו לתמיסה. השיטה השנייה היא הפרדת סקנדיום חנקתי על ידי פירוק קוטבי של חנקתי. מכיוון שסקנדיום חנקתי הוא הקל ביותר לפירוק, ניתן להפריד את סקנדיום. בנוסף, הפקה מקיפה של סקנדיום נלווה מאורניום, תוריום, טונגסטן, בדיל ומרבצי מינרלים אחרים היא גם מקור חשוב לסקנדיום.

לאחר קבלת תרכובת סקנדיום טהורה, היא מומרת ל-ScCl3 Å ומותכת יחד עם KCl ו-LiCl. האבץ המותך משמש כקתודה לאלקטרוליזה, מה שגורם לשקיעת סקנדיום על אלקטרודת האבץ. לאחר מכן, האבץ מתאדה לקבלת סקנדיום מתכתי. זוהי מתכת לבנה כסופה קלת משקל בעלת תכונות כימיות פעילות מאוד, שיכולה להגיב עם מים חמים ליצירת גז מימן. לכן, הסקנדיום המתכתי שאתם רואים בתמונה אטום בבקבוק ומוגן בגז ארגון, אחרת הסקנדיום ייצור במהירות שכבת תחמוצת צהובה כהה או אפורה, ויאבד את הברק המתכתי המבריק שלו.

יישומים

תעשיית התאורה

השימושים של סקנדיום מרוכזים בכיוונים בהירים מאוד, ולא יהיה זה מוגזם לכנותו "בן האור". הנשק הקסום הראשון של סקנדיום נקרא מנורת סקנדיום נתרן, בה ניתן להשתמש כדי להביא אור לאלפי משקי בית. זהו אור חשמלי מסוג הליד מתכתי: הנורה מלאה בנתרן יודיד וסקנדיום טרייודיד, ומוסיפים בו זמנית סקנדיום ונייר כסף. במהלך פריקה במתח גבוה, יוני סקנדיום ויוני נתרן פולטים בהתאמה אור באורכי גל הפליטה האופייניים להם. הקווים הספקטרליים של נתרן הם 589.0 ו-589.6 ננומטר, שני אורות צהובים מפורסמים, בעוד הקווים הספקטרליים של סקנדיום הם 361.3~424.7 ננומטר, סדרה של פליטות אור אולטרה סגול וכחול. מכיוון שהם משלימים זה את זה, צבע האור הכולל המופק הוא אור לבן. דווקא בגלל שלמנורות סקנדיום נתרן יש מאפיינים של יעילות אור גבוהה, צבע אור טוב, חיסכון באנרגיה, חיי שירות ארוכים ויכולת שבירת ערפל חזקה, הן יכולות לשמש באופן נרחב עבור מצלמות טלוויזיה, כיכרות, מגרשי ספורט ותאורת כבישים, והן ידועות כמקורות אור מהדור השלישי. בסין, סוג זה של מנורה מקודם בהדרגה כטכנולוגיה חדשה, בעוד שבכמה מדינות מפותחות, סוג זה של מנורה היה בשימוש נרחב כבר בתחילת שנות ה-80.

הנשק הקסם השני של סקנדיום הוא תאים פוטו-וולטאיים סולאריים, שיכולים לאסוף את האור המפוזר על הקרקע ולהפוך אותו לחשמל כדי להניע את החברה האנושית. סקנדיום הוא מתכת המחסום הטובה ביותר בתאי שמש סיליקון מוליכים למחצה מבודדים מתכתיים ותאים סולאריים.

הנשק הקסום השלישי שלו נקרא מקור קרינת γA, נשק קסום זה יכול לזהור בבהירות בפני עצמו, אך סוג זה של אור אינו יכול להיקלט בעין בלתי מזוינת, זוהי זרימת פוטונים בעלת אנרגיה גבוהה. בדרך כלל אנו מפיקים 45Sc ממינרלים, שהם האיזוטופים הטבעיים היחידים של סקנדיום. כל גרעין 45Sc מכיל 21 פרוטונים ו-24 נויטרונים. 46Sc, איזוטופ רדיואקטיבי מלאכותי, יכול לשמש כמקור קרינת γ או אטומי נותב יכולים לשמש גם לטיפול בקרינה של גידולים ממאירים. ישנם גם יישומים כמו לייזר איטריום גליום סקנדיום גארנט,סקנדיום פלואורידסיב אופטי אינפרא אדום מזכוכית, ושפופרת קרן קתודית מצופה סקנדיום בטלוויזיה. נראה שסקנדיום נולד עם בהירות.

תעשיית הסגסוגות

סקנדיום בצורתו האלמנטרית נמצא בשימוש נרחב לסימום סגסוגות אלומיניום. כל עוד מוסיפים כמה אלפיות של סקנדיום לאלומיניום, ייווצר פאזה חדשה של Al3Sc, אשר תשחק תפקיד של מטמורפיזם בסגסוגת האלומיניום ותשנה משמעותית את המבנה והתכונות של הסגסוגת. הוספת 0.2%~0.4% Sc (שדומה מאוד ליחס של הוספת מלח לירקות מוקפצים בבית, רק מעט נדרש) יכולה להעלות את טמפרטורת ההתגבשות מחדש של הסגסוגת ב-150-200 ℃, ולשפר משמעותית את החוזק בטמפרטורה גבוהה, היציבות המבנית, ביצועי הריתוך ועמידות בפני קורוזיה. זה יכול גם למנוע את תופעת השבירות שקל להתרחש במהלך עבודה ארוכת טווח בטמפרטורות גבוהות. סגסוגת אלומיניום בעלת חוזק וקשיחות גבוהה, סגסוגת אלומיניום חדשה הניתנת לריתוך עמידה בפני קורוזיה בחוזק גבוה, סגסוגת אלומיניום חדשה בטמפרטורה גבוהה, סגסוגת אלומיניום עמידה בפני קרינת נויטרונים בחוזק גבוה וכו', הן בעלות סיכויי פיתוח אטרקטיביים מאוד בתחומי התעופה, החלל, ספינות, כורים גרעיניים, כלי רכב קלים ורכבות מהירות.

סקנדיום הוא גם חומר משנה מצוין לברזל, וכמות קטנה של סקנדיום יכולה לשפר משמעותית את החוזק והקשיות של ברזל יצוק. בנוסף, סקנדיום יכול לשמש גם כתוסף לסגסוגות טונגסטן וכרום בטמפרטורה גבוהה. כמובן, בנוסף לייצור בגדי כלה עבור אחרים, לסקנדיום נקודת התכה גבוהה וצפיפותו דומה לאלומיניום, והוא משמש גם בסגסוגות קלות משקל בעלות נקודת התכה גבוהה כמו סגסוגת טיטניום סקנדיום וסגסוגת מגנזיום סקנדיום. עם זאת, בשל מחירו הגבוה, הוא משמש בדרך כלל רק בתעשיות ייצור יוקרתיות כמו מעבורות חלל ורקטות.

חומר קרמי

סקנדיום, חומר יחיד, משמש בדרך כלל בסגסוגות, ותחמוצותיו ממלאות תפקיד חשוב בחומרים קרמיים באופן דומה. לחומר הקרמי זירקוניה טטרגונלית, שיכול לשמש כחומר אלקטרודה לתאי דלק תחמוצת מוצקה, יש תכונה ייחודית שבה המוליכות של אלקטרוליט זה עולה עם עליית הטמפרטורה וריכוז החמצן בסביבה. עם זאת, מבנה הגביש של חומר קרמי זה עצמו אינו יכול להתקיים ביציבות ואין לו ערך תעשייתי; יש צורך לסמם חומרים מסוימים שיכולים לתקן מבנה זה על מנת לשמור על תכונותיו המקוריות. הוספת 6~10% תחמוצת סקנדיום דומה למבנה בטון, כך שניתן לייצב את הזירקוניה על סריג מרובע.

ישנם גם חומרים קרמיים הנדסיים כגון סיליקון ניטריד בעל חוזק גבוה ועמיד בטמפרטורה גבוהה כמצפיפים ומייצבים.

כמצמצם,תחמוצת סקנדיוםיכול ליצור פאזה עקשנית Sc2Si2O7 בשולי החלקיקים העדינים, ובכך להפחית את העיוות בטמפרטורה גבוהה של קרמיקה הנדסית. בהשוואה לתחמוצות אחרות, הוא יכול לשפר טוב יותר את התכונות המכניות בטמפרטורה גבוהה של סיליקון ניטריד.

כימיה קטליטית

בהנדסה כימית, סקנדיום משמש לעתים קרובות כזרז, בעוד ש-Sc2O3 יכול לשמש להתייבשות ודחמצון של אתנול או איזופרופנול, פירוק חומצה אצטית וייצור אתילן מ-CO ו-H2. הזרז PtAl המכיל Sc2O3 הוא גם זרז חשוב לתהליכי טיהור וזיקוק של הידרוגנציה של נפט כבד בתעשייה הפטרוכימית. בתגובות פיצוח קטליטיות כמו קומן, פעילות הזרז של זרז זאוליט Sc-Y גבוהה פי 1000 מזו של זרז אלומיניום סיליקט; בהשוואה לכמה זרזים מסורתיים, סיכויי הפיתוח של זרזים של סקנדיום יהיו מזהירים מאוד.

תעשיית האנרגיה הגרעינית

הוספת כמות קטנה של Sc2O3 ל-UO2 בדלק גרעיני בכור בטמפרטורה גבוהה יכולה למנוע טרנספורמציה של הסריג, עלייה בנפח וסדקים הנגרמים כתוצאה מהמרה של UO2 ל-U3O8.

תא דלק

באופן דומה, הוספת 2.5% עד 25% סקנדיום לסוללות ניקל אלקלי תגדיל את חיי השירות שלהן.

גידול חקלאי

בחקלאות, ניתן לטפל בזרעים כמו תירס, סלק, אפונה, חיטה וחמניות בסקנדיום סולפט (הריכוז הוא בדרך כלל 10-3 ~ 10-8 מול/ליטר, צמחים שונים ירגישו ירידה בריכוז), והשפעת קידום הנביטה בפועל הושגה. לאחר 8 שעות, המשקל היבש של השורשים והניצנים גדל ב-37% ו-78% בהתאמה בהשוואה לשתילים, אך המנגנון עדיין נמצא במחקר.

מתשומת ליבו של נילסן לחוב נתוני המסה האטומית ועד היום, סקנדיום נכנס לחזון האנשים רק מאה או עשרים שנה, אך הוא כמעט ישב על הספסל במשך מאה שנה. רק עם ההתפתחות הנמרצת של מדע החומרים בסוף המאה הקודמת הוא הביא לו חיוניות. כיום, יסודות אדמה נדירים, כולל סקנדיום, הפכו לכוכבים חמים במדעי החומרים, ממלאים תפקידים משתנים ללא הרף באלפי מערכות, מביאים נוחות רבה יותר לחיינו מדי יום, ויוצרים ערך כלכלי שקשה עוד יותר למדוד.