اسکاندیم

اسکاندیم (به انگلیسی: Scandium) از عنصرهای شیمیایی جدول تناوبی است. نشانه کوتاه آن Sc و عدد اتمی آن ۲۱ است.

اسکاندیم، ₂₁Sc

اسکاندیم
تلفظ	‎/ˈskændiəm/‎ ​(SKAN-dee-əm)
ظاهر	نقرهy white
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	۷۰۰۱۴۴۹۵۵۹۰۸۰۰۰۰۰۰۰♠۴۴٫۹۵۵۹۰۸(۵)[۱]
اسکاندیم در جدول تناوبی
- ↑ Sc ↓ Y کلسیم ← اسکاندیم → تیتانیم
عدد اتمی (Z)	21
گروه	گروه ۳
دوره	دوره 4
بلوک	بلوک-d
دسته	Transition metal
آرایش الکترونی	[Ar] 3d1 4s2
لایه الکترونی	2, 8, 9, 2
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	1814 K ​(1541 °C, ​2806 °F)
نقطه جوش	3109 K ​(2836 °C, ​5136 °F)
چگالی (near r.t.)	2.985 g/cm3
در حالت مایع (at m.p.)	2.80 g/cm3
حرارت همجوشی	14.1 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	332.7 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	25.52 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 1645 1804 (2006) (2266) (2613) (3101)
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	0,[۲] +1,[۳] +2,[۴] +3 (an amphoteric اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 1.36
انرژی یونش	1st: 633.1 kJ/mol 2nd: 1235.0 kJ/mol 3rd: 2388.6 kJ/mol (بیشتر)
شعاع اتمی	empirical: 162 pm
شعاع کووالانسی	pm 170±7
شعاع واندروالسی	211 pm
خط طیف نوری اسکاندیم
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​دستگاه بلوری شش‌گوشه
انبساط حرارتی	(دمای اتاق) (α, poly) 10.2 µm/(m·K)
رسانندگی گرمایی	15.8 W/(m·K)
رسانش الکتریکی	(دمای اتاق) (α, poly) calc. 562 n Ω·m
رسانش مغناطیسی	paramagnetic
مدول یانگ	74.4 GPa
مدول برشی	29.1 GPa
مدول حجمی	56.6 GPa
نسبت پواسون	0.279
سختی برینل	750 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7440-20-2
ایزوتوپ‌های اسکاندیم
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول 44mSc syn 58.61 h IT 0.2709 44Sc γ 1.0, 1.1, 1.1 44Sc ε - 44Ca 45Sc 100% 45Sc ایزوتوپ پایدار است که 24 نوترون دارد 46Sc syn 83.79 d β− 0.3569 46Ti γ 0.889, 1.120 - 47Sc syn 3.3492 d β− 0.44, 0.60 47Ti γ 0.159 - 48Sc syn 43.67 h β− 0.661 48Ti γ 0.9, 1.3, 1.0 -
نمایش بحث ویرایش | منابع

اسکانیدم فلز سمی است بنابراین برای استفاده دستی از آن باید دقت لازم را به عمل آورد. اسکاندیم (واژه لاتین Scandia به معنی اسکاندیناوی) گرفته شده‌است.

اسکاندیم فلزی نرم به رنگ سفید- نقره‌ای است که به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی، کمیاب بودن و سختی استخراج آن، گاهی به عنوان یکی از فلزات نادر در نظر گرفته می‌شود. این عنصر در سال ۱۸۷۹ توسط لارس نیلسون دانشمند سوئدی کشف گردید. در دمای معمولی به صورت ساختار هگزاگونال متبلور می‌شود. این عنصر در بسیاری از سنگ‌های عناصر کمیاب و کانی‌های تنگستن و اورانیم یافت می‌شود.

این عنصر در سال ۱۸۷۸ از کانیهای euxenite و gadolinite توسط نیلسون به دست آمد. از فرآوری ۱۰ کیلوگرم کانی euxenite و ته‌نشینی عناصر کمیاب نیسلون توانست ۲ گرم اکسید اسکاندیم عیار بالا به دست آورد.

اسکاندیم در خورشید و ستاره‌ها بیست و سومین عنصر از نظر فراوانی است و در پوسته زمین پنجاهمین عنصر از نظر فراوانی می‌باشد. این عنصر به صورت گسترده در زمین پراکنده شده‌است که در بیش از ۸۰۰ نوع کانی وجود دارد. زمانی بریل به رنگ آبی متمایل باشد علت آن عنصر اسکاندیم می‌باشد. این عنصر جز اصلی تشکیل دهنده کانی کمیاب تورتوئیتیت است که این کانی در کشورهای اسکاندیناوی و ماداگاسکار وجود دارد. همچنین این عنصر به عنوان بازمانده در فرایند استخراج تنگستن به وجود می‌آید و به فرمهای زینوالد، ولفرامیت و ویکیت و بازیت می‌باشد.

بیشترین میزان اسکاندیم به دست آمده از کانی تورتویتیت است یا از فراوری کارخانه اورانیوم تولید می‌شود. اسکاندیم فلزی اولین بار در سال ۱۹۳۷ توسط سه دانشمند از برق‌کافت ذوب یوتکتیکی عناصر پتاسیم و لیتیم و کلرید اسکاندیم در دمای ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست آمد. اسکاندیم با خلوص بالا امروزه از واکنش فلورید اسکاندیم با فلز کلسیم به دست می‌آید.

اسکاندیم فلزی به رنگ سفید تا نقره‌ای است که ممکن است زمانی که در معرض هوا قرار می‌گیرد رنگ آن به زرد کمرنگ یا بنفش تغییر پیدا کند. این عنصر نسبتاً نرم است و شبیه ایتریم و فلزات کمیاب در پوسته زمین مثل تیتانیم و آلومینیم می‌باشد. این عنصر فلزی سبک‌وزن و دارای نقطه ذوب بالاتر آلومینیم است که برای ساخت بدنه هواپیماها نیز استفاده می‌شود. قیمت اکسید اسکاندیم حدود ۷۵ دلار در گرم است.

حدود ۲۰ گرم از اکسید اسکاندیم سالیانه در کشور آمریکا برای استفاده نور شدت بالا استفاده می‌شود. ایزوتوپ رادیواکتیو عنصر اسکاندیم ۴۶ برای ردیابی در پالایشگاه‌های نفت و گاز استفاده می‌شود. از ترکیب یدید اسکاندیم و بخار جیوه برای تولید روشنایی لامپهای خیلی درخشان مثل نور خورشید استفاده می‌شود؛ که از این لامپ‌ها برای استفاده‌های خانگی و لامپ رنگ تلویزیون در شب استفاده می‌شود.

خواص

مشخصات شیمیایی

اسکاندیم فلزی نرم با ظاهری نقره ای است. هنگامی که توسط هوا اکسید می‌شود، گچی کمی مایل به زرد یا مایل به صورتی ایجاد می‌کند. این ماده در معرض هوا قرار دارد و به آهستگی در بیشتر اسیدهای رقیق حل می‌شود. این ماده با مخلوط ۱: ۱ اسید نیتریک (${\displaystyle {\ce {HNO3}}}$) و ۴۸٪ هیدروفلوئوریک اسید (${\displaystyle {\ce {HF}}}$) واکنش نمی‌دهد، احتمالاً به دلیل تشکیل یک لایه منفعل غیرقابل نفوذ است.^[۵]

ایزوتوپ‌ها

در طبیعت، اسکاندیم منحصراً به عنوان ایزوتوپ 45Sc یافت می‌شود که دارای چرخش هسته ای ۲٫۷ است. این تنها ایزوتوپ پایدار آن است. سیزده رادیو ایزوتوپ با پایدارترین 46Sc مشخص شده‌است که نیمه‌عمر آن ۸۳٫۸ روز است. تمام ایزوتوپ‌های رادیواکتیو باقی مانده نیمه عمر کمتر از ۴ ساعت دارند و اکثر این‌ها نیمه عمر کمتر از ۲ دقیقه دارند. این عنصر همچنین دارای پنج ایزومر هسته ای است که پایدارترین آنها 44mSc است (نیمه‌عمر = ۵۸٫۶ ساعت).^[۶]

در طبیعت

در پوسته زمین، اسکاندیم فراوان است. تخمین‌ها از ۱۸ تا ۲۵ ppm متفاوت است که با وفور کبالت (ppm ۲۰–۳۰) قابل مقایسه است. اسکاندیم تنها پنجاهمین عنصر متداول در زمین است (۳۵ امین عنصر موجود در پوسته)، اما بیست و سومین عنصر معمول خورشید است.^[۷] با این حال، اسکاندیم به‌طور پراکنده توزیع می‌شود و در بسیاری از مواد معدنی به مقدار کمی مشاهده می‌شود.^[۸] مواد معدنی کمیابی از اسکاندیناوی و ماداگاسکار مانند تورتویتیت، اکسینیت و گادولینیت تنها منابع شناخته شده سرشار از این عنصر هستند. با تورتویتیت می‌توان تا ۴۵٪ اسکاندیم به شکل اکسید اسکاندیم داشت.^[۹]

تولید

تولید جهانی اسکاندیم به صورت اسکاندیوم اکسید به میزان ۱۵–۲۰ تن در سال است. در سال ۲۰۰۳، فقط سه معدن اسکاندیم تولید می‌کردند: معادن اورانیوم و آهن در Zhovti Vody در اوکراین، معادن خاکی کمیاب در Bay Obo، چین و معادن آپاتیت در شبه‌جزیره کولا در روسیه.

اسکاندیم محصول جانبی استخراج عناصر دیگر است و به عنوان اکسید اسکاندیم به فروش می‌رسد.

برای تولید اسکاندیم فلزی، این اکسید به فلوئورید اسکاندیم تبدیل می‌شود و سپس با کلسیم فلزی تبدیل می‌شود.

ماداگاسکار و منطقه ایولند-اوژه در نروژ تنها کانسارهای مواد معدنی با محتوای زیاد اسکاندیم، تورتویتیت (Sc , Y) 2 (Si2O7) دارند اما از آن‌ها بهره‌برداری نمی‌شود. ماده معدنی کلبکیت ScPO4 · 2H2O دارای محتوای بسیار زیاد اسکاندیم است اما در هیچ کانسار بزرگ‌تری موجود نیست.

عدم وجود تولید مطمئن، پایدار و طولانی مدت، کاربردهای تجاری اسکاندیم را محدود کرده‌است. علیرغم این سطح کم استفاده، اسکاندیم مزایای قابل توجهی دارد. به خصوص امیدوار کننده تقویت آلیاژهای آلومینیم با حداقل ۰٫۵ درصد اسکاندیم است. زیرکونیا تثبیت شده با اسکاندیم از تقاضاهای روزافزون بازار برای استفاده به عنوان یک الکترولیت با بازده بالا در سلول‌های سوختی اکسید جامد است.

قیمت

از سال ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۹ در ایالات متحده، قیمت مقادیر اندک شمش اسکاندیم ۱۰۷ تا ۱۳۴ دلار در هر گرم و اکسید اسکاندیم در هر گرم ۴ تا ۵ دلار بوده‌است.^[۱۰]

تاریخچه

دیمیتری مندلیف، که پدر جدول تناوبی نامیده می‌شود، وجود یک عنصر ekaboron با جرم اتمی بین ۴۰ تا ۴۸ را در سال ۱۸۶۹ پیش‌بینی کرد. ۱۸۷۹. نیلسون ۲ گرم اکسید اسکاندیم با خلوص بالا تهیه کرد.^[۱۱] وی عنصر اسکاندیم را از لاتین Scandia به معنی «اسکاندیناوی» نامید. نیلسون ظاهراً از پیش‌بینی مندلیف بی‌اطلاع بود، اما Per Teodor Cleve نامه‌نگاری را تشخیص داد و به مندلیف اطلاع داد.^[۱۲][۱۳]

اسکاندیم فلزی برای اولین بار در سال ۱۹۳۷ با الکترولیز مخلوط یوتکتیک کلریدهای پتاسیم، لیتیم و اسکاندیم در دمای ۷۰۰–۸۰۰ درجه سانتیگراد تولید شد.^[۱۴]

اولین پوند ۹۹٪ فلز خالص اسکاندیم در سال ۱۹۶۰ تولید شد. تولید آلیاژهای آلومینیم در سال ۱۹۷۱ و پس از ثبت اختراع ایالات متحده آغاز شد.^[۱۵] آلیاژهای آلومینیوم-اسکاندیم نیز در اتحاد جماهیر شوروی تولید شدند.^[۱۶]

در اوایل سال ۲۰۱۸، شواهدی از اطلاعات طیف‌سنجی مربوط به میزان قابل توجهی اسکاندیم، وانادیم و ایتریم در ستاره‌های غول سرخ در خوشه ستاره هسته‌ای (NSC) در مرکز کهکشان جمع‌آوری شد. تحقیقات بیشتر نشان داد که این ناشی از دمای نسبتاً کم (زیر ۳۵۰۰ کیلوگرم) این ستاره‌ها است که سیگنال‌های فراوانی را پوشانده و این پدیده در سایر غول‌های قرمز مشاهده می‌شود.

منابع

1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". شیمی محض و کاربردی(نشریه). 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. F. Geoffrey N. Cloke; Karl Khan; Robin N. Perutz (1991). "η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II)". J. Chem. Soc. , Chem. Commun. (19): 1372–1373. doi:10.1039/C39910001372. {{cite journal}}: Unknown parameter |last-author-amp= ignored (|name-list-style= suggested) (help)
3. Smith, R. E. (1973). "Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 332 (1588): 113–127. Bibcode:1973RSPSA.332..113S. doi:10.1098/rspa.1973.0015.
4. McGuire, Joseph C.; Kempter, Charles P. (1960). "Preparation and Properties of Scandium Dihydride". Journal of Chemical Physics. 33 (5): 1584–1585. Bibcode:1960JChPh..33.1584M. doi:10.1063/1.1731452.
5. «"Scandium." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17».
6. «Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003). "The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties". Nuclear Physics A. 729 (1): 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. CiteSeerX 10.1.1.692.8504. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001».
7. «Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press».
8. Bernhard, F. (2001). "Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria". Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema
9. von Knorring, O. ; Condliffe, E. (1987). "Mineralized pegmatites in Africa". Geological Journal
10. «"Mineral Commodity Summaries". USGS. Retrieved 2020-09-13».
11. «Nilson, Lars Fredrik (1879). "Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac". Comptes Rendus (in French). 88: 642–647».
12. «Cleve, Per Teodor (1879). "Sur le scandium". Comptes Rendus (in French). 89: 419–422».
13. «Weeks, Mary Elvira (1956). The discovery of the elements (6th ed.). Easton, PA: Journal of Chemical Education».
14. «Fischer, Werner; Brünger, Karl; Grieneisen, Hans (1937). "Über das metallische Scandium". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (in German). 231 (1–2): 54–62».
15. «Burrell, A. Willey Lower "Aluminum scandium alloy" U.S. Patent 3,619,181 issued on November 9, 1971».
16. Zakharov, V. V. (2003). "Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys". Metal Science and Heat Treatment.