اسکاندیم چیست؟ کاربرد ها

در این مقاله در ماشین سازی هادی به بررسی فلز اسکاندیم می پردازیم. اسکاندیم، (به انگلیسی : Scandium) با علامت اختصاری Sc و عدد اتمی ۲۱ ، عنصری از جدول تناوبی در دسته فلزات واسطه است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. اسکاندیم که عنصری واسطه ، نرم و نقره‌ای سفید است، در مواد معدنی کمیاب موجود در اسکاندیناوی وجود داشته ، گاهی اوقات به همراه ایتریم و لانتانیدها بعنوان عنصر خاکی کمیاب طبقه‌بندی می‌شود. 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.

کاربردهای اسکاندیم

اسکاندیم فلزی کمیاب و گران قیمت است که نمی توان از آن به عنوان یک فلز رایج استفاده کرد و اغلب آلومینیوم و تیتانیوم به جای آن استفاده می شوند زیرا قیمت آن ها کمتر بوده و برخی خصوصیات این فلز را دارا می باشند.

برخی کاربردهای مهم اسکاندیم

• از اسکاندیم به همراه آلومینیوم برای ساخت آلیاژهای با دوام و محکم در صنعت هوا و فضا از جمله اجزای هواپیما، تجهیزات ورزشی مانند چوب های گلف، چوب بیس بال و دوچرخه و همچنین اسلحه های گرم استفاده می شود.
• یدید اسکاندیم در ساخت لامپ های بخار جیوه استفاده می شود تا یک منبع نوری بسیار کارآمد شبیه نور خورشید ایجاد شود، این لامپ ها در مسابقات ورزشی و فیلمبرداری در فضای داخلی و شب بسیار مناسب هستند.
• یکی از کاربردهای بالقوه این فلز در پیل های سوختی است.
• اسکاندیم در وسایل خانگی نظیر تلویزیون های رنگی، لامپ های فلورسنت، لامپ های کم مصرف و عینک ها استفاده می شود.
• استفاده از اسکاندیم به دلیل مناسب بودن آن برای تولید کاتالیزورها و صیقل دادن شیشه در حال افزایش می باشد.

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.

 اسکاندیم:

• عدد اتمی: ۲۱
• جرم اتمی: ۴۴٫۹۵۵۹۱
• نقطه ذوب :C°۱۵۴۱
• نقطه جوش : C°۲۸۳۱
• ظرفیت: ۳
• رنگ: سفید نقره ای
• حالت استاندارد: جامد
• نام گروه: ۳
• انرژی یونیزاسیون: Kj/mol 654
• شکل الکترونی: ۱s2 2s2p6 3s2p6d1 4s2
• الکترونگاتیوی: ۱٫۳۶

تاریخچه اسکاندیم

عنصر اسکاندیم ( واژه لاتین Scandia به معنی اسکاندیناوی ) توسط “Lars Fredrick Nilson” در سال ۱۸۷۹ هنگامیکه او و گروهش مشغول جستجوی فلزات قلیایی خاکی بودند، کشف شد. نیلسون برای کشف عنصر جدید در مواد معدنی euxenite و gadolinite از تحلیل طیفی استفاده نمود. او برای جداسازی این عنصر از ۱۰ کیلوگرم euxenite با باقیمانده سایر عناصر خاکی کمیاب استفاده کرد و تقریباً ۲ گرم اکسید اسکاندیم بسیار خالص ( Sc2O3 ) تهیه نمود.

سال ۱۸۶۹ “Dmitri Mendeleev” با استفاده از قانون تناوبی نسبی عناصر خود ، وجود این عنصر و برخی خصوصیات آن را که ekaboron نامید، پیش بینی نمود. “Per Theodor Cleve” تقریباً همزمان با Nilson اکسید اسکاندیم را کشف کرد، اما بر خلاف نیلسون او اسکاندیم را مشابه ekaboron در نظر گرفت.

سال ۱۹۳۷ برای اولین بار اسکاندیم فلزی با روش الکترولیز خوش گدازه مذاب پتاسیم ، لیتیم و کلریدهای اسکاندیم در دمای ۸۰۰-۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تهیه شد. مفتول تنگستن در حوضچه روی مایع ، الکترودهای دیر گداز گرافیت بودند. اولین پوند از فلز اسکاندیم تا قبل از سال ۱۹۶۰ تولید نشده بود.

پیدایش اسکاندیم

مواد معدنی کمیاب موجود در اسکاندیناوی و ماداگاسکار از قبیل thortveitite , euxenite و gadolinite تنها منابع شناخته شده این عنصر هستند ( که هرگز بصورت عنصر آزاد یافت نمی‌شود). عنصر ۲۱ ، بیست و سومین عنصر فراوان موجود در خورشید و ستارگان مشابه است اما در روی زمین پنجاهمین عنصر فراوان محسوب می‌شود. اسکاندیم بطور گسترده ای روی زمین پراکنده است و بصورت مقادیر بسیار ناچیز در بیش از ۸۰ ماده معدنی وجود دارد.

ظاهراً رنگ آبی گونه زمرد کبود بریل به سبب اسکاندیم است. این عنصر بخش مهمی از ماده معدنی کمیاب thortveitite است و در پس مانده هایی که پس از استخراج تنگستن از Zinnwald wolframite به جا می‌ماند، وجود دارد.

Thortveitite منبع اصلی اسکاندیم است. علاوه بر آن ، محصول جانبی مراحل پایانی کارخانه اورانیم نیز منبع مهم دیگری محسوب می‌شود. اسکاندیم خالص را بصورت تجاری از کاهش فلورید اسکاندیم بوسیله کلسیم تولید می‌کنند.

کاربردهای اسکاندیم

اسکاندیم از عناصر کمیابی محسوب می شود که در تجهیزات خانگی مانند تلویزیون رنگی، لامپ های فلورسانس، لامپ های ذخیره انرژی و شیشه ها موجود است. استفاده از اسکاندیم به دلایلی چون مناسب بودن برای تولید کاتالیزور و صیقل دادن شیشه، در حال گسترش است.

اصلی ترین کاربرد آن در آلیاژهای آلومینیوم-اسکاندیم مورد کاربرد در صنعت هوا فضا و ساخت تجهیزات ورزشی، که مستلزم داشتن موادی با کارایی بالا می باشند؛ است. همچنین ایجاد ترک در حالت جامد را حین جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم استحکام بالا، به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

ایزوتوپ های اسکاندیم

اسکاندیم بطور طبیعی دارای ۱ ایزوتوپ پایدار (اسکاندیم ۴۵) و ۱۳ رادیوایزوتوپ است که پایدارترین آنها اسکاندیم ۴۶ با نیمه عمر ۸۳,۷۹ روز ، اسکاندیم ۴۷ با نیمه عمر ۳,۳۴۹۲ روز و اسکاندیم ۴۸ با نیمه عمر ۴۳,۶۷ ساعت می‌باشند. مابقی ایزوتوپها دارای نیمه عمرهایی کمتر از ۴ ساعت هستند که اکثر آنها نیز نیمه عمری کمتر از ۲ دقیقه دارند. این عنصر همچنین دارای ۵ حالت متا است که پایدارترین آنها Scm-44( t6/58 ساعت) می‌باشد.

ایزوتوپ های اسکاندیم از نظر وزن اتمی بین amu978/39 (اسکاندیم ۴۰) و amu 963/53 (اسکاندیم ۵۴) قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه قبل از تنها ایزوتوپ پایدار (اسکاندیم ۴۵) جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن انتشار بتا می‌باشد. محصولات فروپاشی اولیه قبل از اسکاندیم ۴۵ ایزوتوپهای عنصر ۲۰ (کلسیم) هستند و محصولات اولیه پس از آن ایزوتوپهای عنصر ۲۲ (تیتانیم) می‌باشند.

اثرات اسکاندیم بر سلامتی انسان

اسکاندیم یکی از کمیاب ترین مواد شیمیایی است که در وسایل خانه مانند رنگ تلویزیون، لامپ های فلورسانس، لامپ های کم مصرف و شیشه ها به کار میرود. کلیه عناصر شیمیایی کمیاب دارای خصوصیات مشابه هستند.

اسکاندیم به ندرت در طبیعت یافت میشود و اگر هم در طبیعت پیدا شود، مقدار بسیار اندک است. اسکاندیم در دو نوع کانسنگ متفاوت یافت میشود. در حال حاضر استفاده از اسکاندیم در حال گسترش است. از اسکاندیم به عنوان کاتالیزور و جلادهنده شیشه استفاده میشود.

اسکاندیم در محیط های کاری بسیار خطرناک است. رطوبت و گاز حاصل از اسکاندیم با هوا قابل تنفس است. تنفس گاز اسکاندیم برای مدت زمان زیاد سبب انسداد ریه ها میشود. اگر اسکاندیم در بدن انسان تجمع پیدا کند، به کبد آسیب میرساند.

اثرات اسکاندیم بر محیط زیست

اسکاندیم در محیط های زیادی قرار دارد، به خصوص اسکاندیم در صنایع تولید نفت مورد استفاده قرار میگیرد. اسکاندیم در هنگام استفاده از وسایل خانگی نیز وارد هوا میشود. مقدار اسکاندیم به تدریج در خاک و آب هایی که از خاک عبور میکنند، تجمع می یابد و در نهایت باعث افزایش مقدار اسکاندیم در بدن انسان، جانوران و ذرات خاک میشود. در جانوران آبزی اسکاندیم باعث آسیب به غشای سلول میشود. آسیب غشا سلول اثرات منفی بر سیستم عصبی دارد

هشدار

پودر فلز اسکاندیم بسیار قابل احتراق بوده ، خطر آتش‌زایی به همراه دارد.
نتیجه گیری

در این مقاله ماشین سازی هادی به بررسی اسکاندیم پرداخته است.اسکاندیم یکی از کمیاب ترین مواد شیمیایی است که در وسایل خانه مانند رنگ تلویزیون، لامپ های فلورسانس، لامپ های کم مصرف و شیشه ها به کار میرودعناصر مختلفی در جدول تناوبی قرار گرفته اند. این عناصر از لحاظ خواص فیزیکی و شیمیایی با یکدیگر متفاوتد. معمولا عناصری که در یک گروه از جدول تناوبی قرار گرفته اند خواص مشابهی دارند. برای شناخت عناصر می توان به جدول تناوبی مندلیف مراجعه نمود. در این جدول تمام عناصر جایگاه مخصوص به خود را دارا هستند. با شناخت بهتر عناصر جدول تناوبی می توان بهتر به کاربرد و ویژگی عناصر پی برد. کاربرد های صنعتی و سلامت و پزشکی و کشاورزی و… عناصر، تنها با شناخت دقیق آن ها امکان پذیر است. دانشمندان تلاش های بسیاری در شناخت هرچه بیشتر این عناصر داشته و دارند.