کاربرد عنصر اسکاندیم چیست؟ ویژگی و خواص اسکاندیم

عنصر اسکاندیم از عناصر شیمیایی بوده و با نماد شیمیایی Sc در جدول تناوبی مندلیف شناخته می شود. عدد اتمی عنصر اسکاندیم ۲۱ و عدد جرمی آن ۴۴.۹۵۶ است. خواص عنصر اسکاندیم به دلیل قرار گرفتن آن در گروه سوم و تناوب چهارم از جدول تناوبی است. عنصر اسکاندیم در دسته فلزات کمیاب جای گرفته است. از خواص عنصر اسکاندیم می توان به نرمی و رنگ سفید نقره ای آن  اشاره کرد. ایزوتوپ عنصر اسکاندیم نیز شناسایی شده و در ادامه این مقاله مورد بررسی قرار می گیرد. ترکیبات عنصر اسکاندیم مختلفی نیز وجود دارند که کاربرد های گسترده ای یافته اند. کاربرد عنصر اسکاندیم در صنعت نیز توانسته است توجهات زیادی را به خود جلب نماید. کاربرد عنصر اسکاندیم در تلویزیون و کاربرد عنصر اسکاندیم در شیشه از کاربرد های صنعتی این ماده ارزشمند بشمار می آید.

نشری علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر جدول تناوبی پرداخته است. عناصری مانند: پتاسیم، کلسیم، بریلیوم، منیزیم و… . در ادامه با بررسی خواص و ویژگی عنصر اسکاندیم و ترکیبات آن با ما همراه باشید.

پیشینه و تاریخچه عنصر اسکاندیم

در سال ۱۸۷۹ شیمیدانی سوئدی به نام لارس اف نیلسون برای اولین بار این ماده را کشف نمود. او هنگام آزمایش روی مواد معدنی گادولینیم و اکسینیت توانست این فلز را کشف کند. در سال ۱۹۳۷ اولین فلز اسکاندیم با الکترولیز کلرید اسکاندیم تولید شد. نام اسکاندیم از نام سرزمین مادری کاشف آن (لاتین اسکاندیا) گرفته شده که مخفف اسکاندیناوی است.

ویژگی عنصر اسکاندیم عنصر شماره ۲۱ جدول تناوبی

• نماد شیمیایی: Sc
• گروه: ۳
• تناوب: ۴
• عدد اتمی: ۲۱
• عدد جرمی: ۴۴.۹۵۶
• نقطه ذوب: ۱۵۴۱ درجه سانتی گراد
• نقطه جوش: ۲۸۳۶ درجه سانتی گراد
• شعاع اتمی: ۱۶۲ pm
• رنگ: سفید نقره ای
• حالت استاندارد (شرایط STP): جامد
• حالت اکسیداسیون: ۱، ۲، ۳
• چگالی: ۳ g/cm^۳
• الکترونگاتیویته: ۱.۳۶
• آرایش الکترونی: ۳d^۱ ۴s^۲ [Ar]

خواص عنصر اسکاندیم

عنصر اسکاندیم به‌عنوان عنصر شماره ۲۱ جدول تناوبی عناصر شناخته می شود. به عنوان یک فلز واسطه و عنصر خاکی کمیاب شناخته شده و پنجاهمین عنصر رایج در زمین به‌حساب می آید. در شرایط معمولی این ماده به رنگ نقره ای سفید، نسبتا نرم و به سبکی آلومینیوم است. رنگ این ماده هنگامی که در معرض هوا قرار گیرد به صورتی ملایم یا زرد تغییر رنگ می دهد. این فلز اگر آتش زده شود به راحتی می سوزد.

عنصر اسکاندیم خالص با اسید ها واکنش داده و حل می شود. اما این ماده با اکسیژن وارد واکنش نمی شود. این ماده در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. این ویژگی کاربرد عنصر اسکاندیم را افزایش داده است. از واکنش اسکاندیم با آب گاز هیدروژن تولید می شود.

از خواص عنصر اسکاندیم نقطه ذوب بسیار بالای آن است. این ویژگی آن را به جایگزین مناسبی برای آلومینیوم در کاربرد های حرارت بالا تبدیل کرده است. جالب است بدانید این ماده در بیش از ۸۰۰ ماده معدنی البته در مقادیر کم یافت می شود. برای شناخت بیشتر این ماده می توان از مدل اتمی بور برای عنصر اسکاندیم کمک گرفت.

فلزات واسطه

همگی عناصر واسطه خصلت فلزی دارند. این عناصر در ده خانه از نظر موقعیت در جدول تناوبی از دوره چهارم به بعد دو عنصر اصلی اول و شش عنصر اصلی آخر دوره قرار دارند. بر عکس فلزات قلیایی و قلیایی خاکی از نظر آرایش الکترونی عناصر هم دوره خود، سطح انرژی تراز d(n-1) لایه ظرفیت آن ‌ها از سطح تراز ns این لایه پایین ‌تر است. بنابراین  آخرین الکترون اتم آن ‌ها در n-1)d) وارد شده و تراز p لایه ظرفیت آن‌ ها از الکترون خالی است. عناصر واسطه بسته به اینکه الکترون متمایزکننده اتم آن ‌ها در تراز d(n-1) و یا در تراز d(n-2) لایه ظرفیت وارد شود، به دو دسته تقسیم می ‌شوند.

فلزات واسطه دسته d: الکترون ‌های متمایز کننده این عناصر در تراز n-1)d) لایه ظرفیت  وارد می‌شود.

فلزات واسطه دسته f: الکترون‌های متمایزکننده این عناصر در تراز های n-2)f) لایه ظرفیت که تراز های نسبتاً درونی ‌اند قرار می‌گیرند.

منابع عنصر اسکاندیم

تعداد معدودی از مواد معدنی حاوی مقدار قابل توجهی از این ماده هستند. گادولینیم، تورتویتیت و اکسینیت از جمله منبع این عنصر کمیابند. از سوی دیگر این ماده محصول جانبی استخراج برخی مواد معدنی مانند فلوئور و تانتال و همچنین محصول جانبی تصفیه اورانیوم می باشد.

لازم به ذکر است که این ماده به سختی به فرم خالص خود جدا سازی می شود. درواقع عنصر اسکاندیم از حرارت دادن فلوئورید اسکاندیم با فلز کلسیم تولید می شود. اسکاندیم در مناطق نروژ و ماداگاسکار به مقدار قابل توجهی یافت شده و میزان تولید جهانی سالانه آن ۵۰ کیلوگرم است.

فراوانی عنصر اسکاندیم در طبیعت

این ماده در پوسته زمین فراوان است. مقدار این فراوانی از ۱۸ تا ۲۵ ppm متفاوت است. این ماده با فراوانی کبالت قابل قیاس است. اسکاندیوم سی و پنجمین عنصر موجود در پوسته و بیست و سومین عنصر معمول خورشید است. اما اغلب عنصر اسکاندیم به‌طور پراکنده توزیع شده و در بسیاری از مواد معدنی به مقدار کم مشاهده می ‌شود. در اسکاندیناوی و ماداگاسکار مواد معدنی کمیابی مانند تورتویتیت، اکسینیت و گادولینیت تنها منابع شناخته شده سرشار از این عنصر کمیاب هستند. می‌توان تا ۴۵٪ اسکاندیم به شکل اکسید اسکاندیم به‌وسیله تورتویتیت داشت.

تولید عنصر اسکاندیم

ترکیب اسکاندیم اکسید به میزان ۱۵–۲۰ تن در سال تولید جهانی می شود. در سال ۲۰۰۳ تنها سه معدن به استخراج اسکاندیم می پرداختند. معادن اورانیوم و آهن در اوکراین، معادن خاکی کمیاب در چین و معادن آپاتیت در شبه جزیره کولا در روسیه. توجه شود که این ماده محصول جانبی استخراج سایر عناصر بوده و به عنوان اکسید اسکاندیوم به فروش می‌ رسد. این اکسید جهت تولید اسکاندیم فلزی به فلوراید اسکاندیم تبدیل شده و سپس با کلسیم فلزی تبدیل می‌ شود.

ماداگاسکار و مناطقی در نروژ کانسار های مواد معدنی با محتوای زیاد اسکاندیم مانند تورتویتیت دارند اما از آن ها بهره‌ برداری نمی ‌شود.

کاربرد اسکاندیم در صنعت به دلیل عدم وجود تولید مطمئن، پایدار و طولانی مدت محدود شده ‌است. اسکاندیم مزایای قابل توجهی دارد. تقویت آلیاژ های آلومینیوم با حداقل ۰٫۵ درصد اسکاندیم نیز بسیار امیدوار کننده است.

کاربرد عنصر اسکاندیم

همان‌طور که پیش تر اشاره شد، اسکاندیم فلزی کمیاب و گران قیمت است. بنابراین نمی توان از آن به عنوان یک فلز رایج استفاده نمود. اغلب فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم به جای این ماده استفاده می شوند. دلیل کاربرد این فلزات به جای کاربرد عنصر اسکاندیم، قیمت کمترشان و همچنین برخی خصوصیات این فلز است.

برخی کاربرد عنصر اسکاندیم که مهم تر است در ادامه آمده است.

• برای ساخت آلیاژهای با دوام و محکم در صنعت هوا و فضا از اسکاندیم به همراه آلومینیوم استفاده می شود. این آلیاژ ها همچنین در اجزای هواپیما، تجهیزات ورزشی مانند چوب های گلف، چوب بیس بال و دوچرخه و همچنین اسلحه های گرم نیز استفاده می شود.
• ترکیب یدید اسکاندیم در ساخت لامپ های بخار جیوه کاربرد دارد. استفاده از آن یک منبع نوری بسیار کارآمد شبیه نور خورشید را ایجاد می کند. در مسابقات ورزشی و فیلمبرداری در فضای داخلی و شب کاربرد عنصر اسکاندیم و ترکیبات آن بسیار مناسب است.
• کاربرد های بالقوه اسکاندیم در پیل های سوختی نیز وجود دارد.
• زیرکونیا تثبیت شده با اسکاندیم از تقاضاهای روزافزون بازار برای استفاده به عنوان یک الکترولیت با بازده بالا در سلول‌های سوختی اکسید جامد است.

کاربرد عنصر اسکاندیم در تلویزیون خانگی و شیشه

کاربرد عنصر اسکاندیم در تلویزیون رنگی، لامپ های فلورسنت، لامپ های کم مصرف و عینک ها نیز وجود دارد.

کاربرد عنصر اسکاندیم در شیشه برای صیقل دادن و همینطور تولید کاتالیزور نیز در حال افزایش می باشد.

ایزوتوپ عنصر اسکاندیم

اسکاندیم در طبیعت منحصراً به عنوان ایزوتوپ ^۴۵Sc یافت می‌شود. این ایزوتوپ دارای چرخش هسته ای ۲.۷ است. ایزوتوپ ^۴۵Sc تنها ایزوتوپ پایدار این ماده است. البته ۱۳ رادیو ایزوتوپ نیز مشخص شده اند. که پایدارترین آن ها ^۴۵Sc با نیمه عمر ۸۳٫۸ روز است. سایر ایزوتوپ ‌های رادیواکتیو نیمه عمری کمتر از ۴ ساعت دارند. و اکثرشان نیز نیمه عمری کمتر از ۲ دقیقه دارند. این عنصر دارای پنج ایزومر هسته ای است که پایدار ترین آن ها mSc44 است.

ایزوتوپ های این ماده از نظر وزن اتمی بین amu 978/39 (اسکاندیم ۴۰) و amu 963/53 (اسکاندیم ۵۴) قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه قبل از تنها ایزوتوپ پایدار یعنی اسکاندیم-۴۵، جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن انتشار بتا است. محصولات فروپاشی اولیه قبل از اسکاندیم ۴۵ ایزوتوپ های عنصر ۲۰ (کلسیم) هستند. محصولات اولیه پس از آن ایزوتوپ های عنصر ۲۲ (تیتانیم) هستند.

اسکاندیم و سلامتی انسان

نقش بیولوژیکی مشخصی برای این ماده وجود ندارد. درواقع مقادیر کمی از این ماده به زنجیره غذایی می رسد. بنابراین مصرف روزانه انسان به طور متوسط کمتر از ۰.۱ میکرو گرم برای این ماده است.

این ماده سمی نیست. اما بحث هایی درباره سرطان زا بودن برخی ترکیبات آن مطرح شده است.

اسکاندیم بیشتر در محیط های کار خطرناک است. درواقع رطوبت و گازها می توانند به همراه هوا استنشاق شده و آمبولی ریه را ایجاد کنند. این رخداد به خصوص در کسانی که به مدت طولانی در معرض آن ها قرار دارند، بیشتر است. تجمع اسکاندیم در کبد نیز می تواند تهدیدی برای سلامتی باشد.

تاثیر اسکاندیم در محیط زیست

اغلب اسکاندیم که وارد محیط زیست می شود توسط صنایع تولید کننده بنزین یا از طریق ضایعات وسایل خانگی است. این ماده به تدریج در خاک و خاک های آبی تجمع پیدا کرده و در نهایت باعث افزایش غلظت این فلز در بدن انسان ها، حیوانات و ذرات خاک خواهد شد.

اسکاندیم می تواند باعث آسیب غشای سلولی موجودات دریایی شده و اثر منفی روی تولید مثل و عملکرد سیستم عصبی آن ها داشته باشد.

هشدار

عناصر شیمیایی همواره می توانند خطراتی را برای انسان در بر داشته باشند. پودر فلز اسکاندیم بسیار قابل احتراق است و بنابراین خطر آتش‌زایی به همراه خواهد داشت.

بهتر است هنگام کار با انواع مواد شیمیایی یا انواع حلال از دستکش استفاده کرده تا از تماس مستقیم با پوست جلوگیری شود.

لازم به ذکر است که استنشاق مواد شیمیایی نیز در بسیاری موارد می تواند آسیب های جدی به بدن وارد کند.

سخن آخر

عناصر 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.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به دلیل اهمیت بالای این عناصر در زندگی روزمره به توضیح و بررسی آن ها پرداخته است. برای آشنایی با خواص و کاربرد و تاریخچه عناصر شیمیایی جدول تناوبی می تواند به سایت نشریه علمی جهان شیمی فیزیک مراجعه کرده و اطلاعات خود در این زمینه را گسترش دهید.