סקנדיום של יסודות אדמה נדירים קסומים

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

כיום, הרזרבות המוכחות של סקנדיום בעולם הן רק 2 מיליון טון, 90~95% מהם מצויים בעפרות בוקסיט, זרחן וברזל טיטניום, וחלק קטן באורניום, תוריום, טונגסטן ועפרות אדמה נדירות, בעיקר. מופץ ברוסיה, סין, טג'יקיסטן, מדגסקר, נורבגיה ומדינות נוספות. סין עשירה מאוד במשאבי סקנדיום, עם מאגרי מינרלים עצומים הקשורים לסקנדיום. על פי סטטיסטיקה חלקית, עתודות הסקנדיום בסין הן כ-600,000 טון, הכלולות במרבצי בוקסיט וזרחן, מרבצי טונגסטן פורפיר וורידי קוורץ בדרום סין, מרבצי אדמה נדירים בדרום סין, מרבצי עפרות ברזל מסוג Bayan Obo ב- מונגוליה הפנימית, ו-Panzhihua ונדיום טיטניום מגנטיט מרבץ בסצ'ואן.

בשל המחסור בסקנדיום, גם מחיר הסקנדיום גבוה מאוד, ובשיאו התנפח מחיר הסקנדיום פי 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 בינונית שלא התגלה. הוא חזה שהתחמוצת שלו היא X ₂ O Å. סקנדיום התגלה בשנת 1879 על ידי לארס פרדריק נילסון מאוניברסיטת אופסלה בשוודיה. הוא הוציא אותו ממכרה הזהב הנדיר השחור, עפרה מורכבת המכילה 8 סוגים של תחמוצות מתכות. הוא חילץתחמוצת ארביום (III).מעפרת זהב נדירה שחורה, והושגהתחמוצת איטרביום(III).מהתחמוצת הזו, וישנה תחמוצת נוספת של יסוד קל יותר, שהספקטרום שלה מראה שזו מתכת לא ידועה. זו המתכת שחזה מנדלייב, שהתחמוצת שלה היאSc₂O₃. מתכת הסקנדיום עצמה הופקה ממנהסקנדיום כלורידעל ידי התכה אלקטרוליטית בשנת 1937.

מנדלייב

תצורת אלקטרונים

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

מתכת סקנדיום

סקנדיום היא מתכת מעבר לבנה רכה וכסוף עם נקודת התכה של 1541 ℃ ונקודת רתיחה של 2831 ℃.

במשך תקופה לא מבוטלת לאחר גילויו, לא הוכח השימוש בסקנדיום בשל הקושי בייצורו. עם השיפור ההולך וגובר של שיטות הפרדת יסודות אדמה נדירים, יש כיום זרימת תהליך בוגרת לטיהור תרכובות סקנדיום. מכיוון שסקנדיום הוא פחות בסיסי מאיטריום ולנתניד, ההידרוקסיד הוא החלש ביותר, כך שהמינרל המעורב של יסוד כדור הארץ הנדיר המכיל סקנדיום יופרד מיסוד האדמה הנדיר בשיטת "משקעים שלב" כאשר סקנדיום(III) הידרוקסיד יטופל באמוניה לאחר מועבר לפתרון. השיטה השנייה היא הפרדת סקנדיום חנקה על ידי פירוק קוטבי של חנקה. מכיוון שסקנדיום חנקתי הוא הקל ביותר לפירוק, ניתן להפריד סקנדיום. בנוסף, ההחלמה המקיפה של סקנדיום נלווה מאורניום, תוריום, טונגסטן, בדיל ומרבצי מינרלים אחרים היא גם מקור חשוב לסקנדיום.

לאחר קבלת תרכובת סקנדיום טהורה, היא הופכת ל- ScCl Å ונמסה יחד עם KCl ו- LiCl. האבץ המותך משמש כקתודה לאלקטרוליזה, מה שגורם לסקנדיום לשקוע 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. אז סקנדיום המתכת שרואים בתמונה אטום בבקבוק ומוגן בגז ארגון, אחרת סקנדיום יצור במהירות שכבת תחמוצת צהובה או אפורה כהה, ויאבד את הברק המתכתי המבריק שלה.

יישומים

תעשיית התאורה

השימושים בסקנדיום מרוכזים לכיוונים בהירים מאוד, ואין זה מוגזם לקרוא לזה בן האור. נשק הקסם הראשון של סקנדיום נקרא מנורת נתרן סקנדיום, שניתן להשתמש בה כדי להביא אור לאלפי בתי אב. זהו נורת מתכת הליד חשמלית: הנורה מלאה ב-Sodium iodide ו-Scandium triiodide, ומוסיפים סקנדיום ורדיד נתרן בו זמנית. במהלך פריקת מתח גבוה, יוני סקנדיום ויוני נתרן פולטים אור באורכי הגל האופייניים להם בהתאמה. הקווים הספקטרליים של נתרן הם 589.0 ו-589.6 ננומטר, שני אורות צהובים מפורסמים, בעוד שהקווים הספקטרליים של סקנדיום הם 361.3~424.7 ננומטר, סדרה של פליטות אור כמעט אולטרה סגול וכחול. מכיוון שהם משלימים זה את זה, צבע האור הכולל שנוצר הוא אור לבן. בדיוק בגלל שמנורות נתרן סקנדיום יש את המאפיינים של יעילות אור גבוהה, צבע אור טוב, חיסכון בחשמל, חיי שירות ארוכים ויכולת שבירת ערפל חזקה, ניתן להשתמש בהן באופן נרחב עבור מצלמות טלוויזיה, כיכרות, אתרי ספורט ותאורת כביש, וידועים כמקורות האור מהדור השלישי. בסין, סוג זה של מנורה מקודם בהדרגה כטכנולוגיה חדשה, בעוד שבחלק מהמדינות המפותחות, סוג זה של מנורה היה בשימוש נרחב כבר בתחילת שנות ה-80.

נשק הקסם השני של הסקנדיום הוא תאים פוטו-וולטאיים סולאריים, שיכולים לאסוף את האור המפוזר על הקרקע ולהפוך אותו לחשמל כדי להניע את החברה האנושית. סקנדיום היא מתכת המחסום הטובה ביותר בתאים סולאריים ותאי שמש מבודד מתכת מוליכים למחצה.

נשק הקסם השלישי שלו נקרא מקור קרני γ, נשק הקסם הזה יכול לזרוח בבהירות בעצמו, אבל סוג זה של אור לא יכול להתקבל בעין בלתי מזוינת, הוא זרימת פוטון באנרגיה 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 כמקורות קרינה γ או אטומים נותבים יכולים לשמש גם לטיפול בהקרנות של גידולים ממאירים. יש גם יישומים כמו איטריום גליום סקנדיום לייזר גרנט,סקנדיום פלואורידזכוכית אינפרא אדום סיב אופטי, וצינור קתודית מצופה סקנדיום בטלוויזיה. נראה שסקנדיום נולד עם בהירות.

תעשיית סגסוגות

סקנדיום בצורתו היסודית נמצא בשימוש נרחב לסימום סגסוגות אלומיניום. כל עוד כמה אלפיות של סקנדיום מתווספות לאלומיניום, יווצר שלב Al3Sc חדש, שימלא תפקיד של מטמורפיזם בסגסוגת האלומיניום ויגרום למבנה ותכונות הסגסוגת להשתנות באופן משמעותי. הוספת 0.2%~0.4% Sc (שזה ממש דומה לשיעור של הוספת מלח לירקות מוקפצים בבית, יש צורך רק במעט) יכולה להעלות את טמפרטורת ההתגבשות מחדש של הסגסוגת ב-150-200 ℃, ולשפר משמעותית חוזק טמפרטורה, יציבות מבנית, ביצועי ריתוך ועמידות בפני קורוזיה. זה גם יכול למנוע את תופעת השבירות שקל להתרחש במהלך עבודה ארוכת טווח בטמפרטורות גבוהות. לסגסוגת אלומיניום חוזק גבוה וקשיחות גבוהה, סגסוגת אלומיניום חדשה עמידה בפני קורוזיה, סגסוגת אלומיניום חדשה בטמפרטורה גבוהה, סגסוגת אלומיניום עמידה בפני קרינה נויטרונים וכו', יש סיכויי פיתוח אטרקטיביים מאוד בתחום התעופה והחלל, תעופה, ספינות, כורים גרעיניים, כלי רכב קלים ורכבות מהירות.

סקנדיום הוא גם משנה מצוין לברזל, וכמות קטנה של סקנדיום יכולה לשפר משמעותית את החוזק והקשיות של ברזל יצוק. בנוסף, סקנדיום יכול לשמש גם כתוסף לטונגסטן וסגסוגות כרום בטמפרטורה גבוהה. כמובן שבנוסף להכנת בגדי חתונה לאחרים, לסקנדיום נקודת התכה גבוהה וצפיפותו דומה לאלומיניום, והוא משמש גם בסגסוגות קלות משקל בנקודת התכה גבוהה כמו סגסוגת סקנדיום טיטניום וסגסוגת סקנדיום מגנזיום. עם זאת, בשל מחירו הגבוה, הוא משמש בדרך כלל רק בתעשיות ייצור יוקרתיות כגון מעבורות חלל ורקטות.

חומר קרמי

סקנדיום, חומר בודד, משמש בדרך כלל בסגסוגות, והתחמוצות שלו ממלאות תפקיד חשוב בחומרים קרמיים באופן דומה. לחומר הקרמי הטטראגונל זירקוניה, שיכול לשמש כחומר אלקטרודה לתאי דלק תחמוצת מוצק, יש תכונה ייחודית שבה מוליכות האלקטרוליט הזה עולה עם עליית הטמפרטורה וריכוז החמצן בסביבה. עם זאת, המבנה הגבישי של חומר קרמי זה עצמו אינו יכול להתקיים ביציבות ואין לו ערך תעשייתי; יש צורך לסמם כמה חומרים שיכולים לתקן את המבנה הזה כדי לשמור על תכונותיו המקוריות. הוספת 6~10% תחמוצת סקנדיום היא כמו מבנה בטון, כך שניתן לייצב זירקוניה על סריג מרובע.

ישנם גם חומרים קרמיים הנדסיים כגון סיליקון ניטריד בעל חוזק גבוה ועמיד בטמפרטורות גבוהות כחומרי דחיסה ומייצבים.

בתור חומר דחיסה,תחמוצת סקנדיוםיכול ליצור שלב עקשן Sc2Si2O7 בקצה של חלקיקים עדינים, ובכך להפחית את העיוות בטמפרטורה גבוהה של קרמיקה הנדסית. בהשוואה לתחמוצות אחרות, זה יכול לשפר טוב יותר את התכונות המכניות בטמפרטורה גבוהה של סיליקון ניטריד.

כימיה קטליטית

בהנדסה כימית, סקנדיום משמש לעתים קרובות כזרז, בעוד Sc2O3 יכול לשמש להתייבשות ופירוק של אתנול או איזופרופנול, פירוק חומצה אצטית, וייצור אתילן מ-CO ו-H2. הזרז Pt Al המכיל Sc2O3 הוא גם זרז חשוב לטיהור ותהליכי זיקוק של הידרוגנציה של שמן כבד בתעשייה הפטרוכימית. בתגובות פיצוח קטליטי כגון Cumene, הפעילות של זרז זאוליט Sc-Y גבוהה פי 1000 מזו של זרז אלומיניום סיליקט; בהשוואה לכמה זרזים מסורתיים, סיכויי הפיתוח של זרזי סקנדיום יהיו בהירים מאוד.

תעשיית האנרגיה הגרעינית

הוספת כמות קטנה של Sc2O3 ל-UO2 בדלק גרעיני בכור בטמפרטורה גבוהה יכולה למנוע התמרת סריג, הגדלת נפח ופיצוח הנגרמים מהמרת 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 כגון תירס, סלק, אפונה, חיטה וחמניות עם סקנדיום סולפט (הריכוז הוא בדרך כלל 10-3~10-8מול/L, לצמחים שונים תהיה שונה), וההשפעה בפועל של קידום הנביטה הושגה. לאחר 8 שעות, המשקל היבש של השורשים והניצנים עלה ב-37% ו-78% בהתאמה בהשוואה לשתילים, אך המנגנון עדיין במחקר.

מתשומת הלב של נילסן לחוב של נתוני המסה האטומית ועד היום, הסקנדיום נכנס לחזון של אנשים רק מאה או עשרים שנה, אבל הוא כמעט ישב על הספסל במשך מאה שנה. רק בהתפתחות הנמרצת של מדע החומר בשלהי המאה שעברה הוא הביא לו חיוניות. כיום, יסודות כדור הארץ נדירים, כולל סקנדיום, הפכו לכוכבים חמים במדעי החומרים, ממלאים תפקידים משתנים ללא הרף באלפי מערכות, מביאים יותר נוחות לחיינו מדי יום ויוצרים ערך כלכלי שקשה עוד יותר למדוד.