ჯადოსნური იშვიათი დედამიწის ელემენტები სკანდიუმი

Sკანდიუმი, ელემენტის სიმბოლოთი Sc და ატომური ნომრით 21, ადვილად იხსნება წყალში, შეუძლია ურთიერთქმედება ცხელ წყალთან და ადვილად მუქდება ჰაერში. მისი ძირითადი ვალენტობაა +3. ის ხშირად ერევა გადოლინიუმთან, ერბიუმთან და სხვა ელემენტებთან, დაბალი გამოსავლიანობით და ქერქში დაახლოებით 0.0005%-იანი შემცველობით. სკანდიუმი ხშირად გამოიყენება სპეციალური მინის და მსუბუქი მაღალტემპერატურული შენადნობების დასამზადებლად.

ამჟამად, მსოფლიოში სკანდიუმის დადასტურებული მარაგი მხოლოდ 2 მილიონ ტონას შეადგენს, რომლის 90-95% შეიცავს ბოქსიტის, ფოსფორიტისა და რკინის, ტიტანის მადნებს, ხოლო მცირე ნაწილი - ურანის, თორიუმის, ვოლფრამის და იშვიათმიწა ლითონების მადნებს, რომლებიც ძირითადად გავრცელებულია რუსეთში, ჩინეთში, ტაჯიკეთში, მადაგასკარში, ნორვეგიასა და სხვა ქვეყნებში. ჩინეთი ძალიან მდიდარია სკანდიუმის რესურსებით, სკანდიუმთან დაკავშირებული უზარმაზარი მინერალური მარაგებით. არასრული სტატისტიკის თანახმად, ჩინეთში სკანდიუმის მარაგი დაახლოებით 600000 ტონას შეადგენს, რომელიც შეიცავს ბოქსიტისა და ფოსფორიტის საბადოებს, პორფირიტის და კვარცის ძარღვების ვოლფრამის საბადოებს სამხრეთ ჩინეთში, იშვიათმიწა ლითონების საბადოებს სამხრეთ ჩინეთში, ბაიან ობოს იშვიათმიწა ლითონების რკინის მადნის საბადოს შიდა მონღოლეთში და პანჟიჰუას ვანადიუმის, ტიტანიუმ-მაგნეტიტის საბადოს სიჩუანში.

სკანდიუმის სიმცირის გამო, მისი ფასიც ძალიან მაღალია და პიკზე სკანდიუმის ფასი ოქროს ფასზე 10-ჯერ გაიზარდა. მიუხედავად იმისა, რომ სკანდიუმის ფასი დაეცა, ის მაინც ოქროს ფასზე ოთხჯერ მეტია!

ისტორიის აღმოჩენა

1869 წელს მენდელეევმა შენიშნა კალციუმს (40) და ტიტანს (48) შორის ატომური მასის სხვაობა და იწინასწარმეტყველა, რომ აქ ასევე არსებობდა აღმოუჩენელი შუალედური ატომური მასის ელემენტი. მან იწინასწარმეტყველა, რომ მისი ოქსიდია X ₂ O Å. სკანდიუმი 1879 წელს აღმოაჩინა შვედეთში, უფსალას უნივერსიტეტის წარმომადგენელმა ლარს ფრედერიკ ნილსონმა. მან ის შავი იშვიათი ოქროს მაღაროდან ამოიღო, რთული მადნიდან, რომელიც შეიცავს ლითონის ოქსიდების 8 ტიპს. მან ამოიღოერბიუმ(III) ოქსიდიშავი იშვიათი ოქროს მადნიდან და მიღებულიიტერბიუმის(III) ოქსიდიამ ოქსიდიდან და არსებობს უფრო მსუბუქი ელემენტის კიდევ ერთი ოქსიდი, რომლის სპექტრი აჩვენებს, რომ ეს უცნობი ლითონია. ეს არის მენდელეევის მიერ წინასწარმეტყველებული ლითონი, რომლის ოქსიდიც არისSc₂O₃სკანდიუმის ლითონი თავად წარმოებული იყოსკანდიუმის ქლორიდიელექტროლიტური დნობით 1937 წელს.

მენდელეევი

ელექტრონული კონფიგურაცია

ელექტრონული კონფიგურაცია: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

სკანდიუმის ლითონი

სკანდიუმი რბილი, ვერცხლისფერ-თეთრი გარდამავალი ლითონია, რომლის დნობის წერტილია 1541 ℃ და დუღილის წერტილი 2831 ℃.

აღმოჩენიდან მნიშვნელოვანი პერიოდის განმავლობაში, სკანდიუმის გამოყენება მისი წარმოების სირთულის გამო არ იყო დემონსტრირებული. იშვიათმიწა ელემენტების გამოყოფის მეთოდების მზარდ გაუმჯობესებასთან ერთად, ამჟამად არსებობს სკანდიუმის ნაერთების გაწმენდის მომწიფებული პროცესი. რადგან სკანდიუმი ნაკლებად ტუტეა, ვიდრე იტრიუმი და ლანთანიდი, ჰიდროქსიდი ყველაზე სუსტია, ამიტომ იშვიათმიწა ელემენტების შერეული მინერალი, რომელიც შეიცავს სკანდიუმს, გამოიყოფა იშვიათმიწა ელემენტისგან „ეტაპობრივი დალექვის“ მეთოდით, როდესაც სკანდიუმის(III) ჰიდროქსიდი დამუშავდება ამიაკით ხსნარში გადატანის შემდეგ. მეორე მეთოდია სკანდიუმის ნიტრატის გამოყოფა ნიტრატის პოლარული დაშლით. რადგან სკანდიუმის ნიტრატი ყველაზე ადვილად იშლება, სკანდიუმის გამოყოფა შესაძლებელია. გარდა ამისა, თანმხლები სკანდიუმის ყოვლისმომცველი აღდგენა ურანიდან, თორიუმის, ვოლფრამის, კალის და სხვა მინერალური საბადოებიდან ასევე წარმოადგენს სკანდიუმის მნიშვნელოვან წყაროს.

სუფთა სკანდიუმის ნაერთის მიღების შემდეგ, ის გარდაიქმნება ScCl3 Å-ად და თანადნება KCl-თან და LiCl-თან. გამდნარი თუთია გამოიყენება ელექტროლიზის კათოდად, რაც იწვევს სკანდიუმის დალექვას თუთიის ელექტროდზე. შემდეგ, თუთია აორთქლდება მეტალის სკანდიუმის მისაღებად. ეს არის მსუბუქი ვერცხლისფერი თეთრი ლითონი ძალიან აქტიური ქიმიური თვისებებით, რომელსაც შეუძლია ცხელ წყალთან რეაქციაში შეყვანა წყალბადის აირის წარმოქმნით. ამგვარად, სურათზე ნაჩვენები ლითონი სკანდიუმი დალუქულია ბოთლში და დაცულია არგონის აირით, წინააღმდეგ შემთხვევაში სკანდიუმი სწრაფად წარმოქმნის მუქ ყვითელ ან ნაცრისფერ ოქსიდის ფენას და დაკარგავს თავის მბზინავ მეტალის ბზინვარებას.

აპლიკაციები

განათების ინდუსტრია

სკანდიუმის გამოყენება ძალიან კაშკაშა მიმართულებითაა კონცენტრირებული და გაზვიადება არ იქნება, თუ მას სინათლის ძეს ვუწოდებთ. სკანდიუმის პირველ მაგიურ იარაღს სკანდიუმის ნატრიუმის ნათურა ეწოდება, რომლის გამოყენებაც ათასობით ოჯახს შეუძლია სინათლის მისაწოდებლად. ეს არის ლითონის ჰალოგენური ელექტრო ნათურა: ნათურა ივსება ნატრიუმის იოდიდით და სკანდიუმის ტრიიოდიდით, ხოლო სკანდიუმის და ნატრიუმის ფოლგა ერთდროულად ემატება. მაღალი ძაბვის განმუხტვის დროს, სკანდიუმის და ნატრიუმის იონები შესაბამისად ასხივებენ მათთვის დამახასიათებელი ემისიის ტალღის სიგრძის სინათლეს. ნატრიუმის სპექტრული ხაზებია 589.0 და 589.6 ნმ, ორი ცნობილი ყვითელი სინათლე, ხოლო სკანდიუმის სპექტრული ხაზებია 361.3~424.7 ნმ, რაც ახლო ულტრაიისფერი და ლურჯი სინათლის გამოსხივების სერიაა. რადგან ისინი ერთმანეთს ავსებენ, წარმოქმნილი სინათლის საერთო ფერი თეთრი სინათლეა. სწორედ სკანდიუმის ნატრიუმის ნათურებს აქვთ მაღალი სინათლის ეფექტურობის, კარგი სინათლის ფერის, ენერგოდამზოგავი, ხანგრძლივი მომსახურების ვადა და ძლიერი ნისლის გამანადგურებელი უნარი, რის გამოც ისინი ფართოდ გამოიყენება სატელევიზიო კამერებისთვის, მოედნების, სპორტული ობიექტებისა და გზის განათებისთვის და ცნობილია, როგორც მესამე თაობის სინათლის წყაროები. ჩინეთში ამ ტიპის ნათურა თანდათან პოპულარიზდება, როგორც ახალი ტექნოლოგია, ხოლო ზოგიერთ განვითარებულ ქვეყანაში ეს ტიპი ფართოდ გამოიყენებოდა 1980-იანი წლების დასაწყისიდან.

სკანდიუმის მეორე ჯადოსნური იარაღია მზის ფოტოელექტრული უჯრედები, რომლებსაც შეუძლიათ შეაგროვონ მიწაზე გაბნეული სინათლე და გარდაქმნან ელექტროენერგიად ადამიანის საზოგადოების სამართავად. სკანდიუმი საუკეთესო ბარიერული ლითონია ლითონის იზოლატორში, ნახევარგამტარულ სილიკონში, მზის უჯრედებსა და მზის უჯრედებში.

მის მესამე ჯადოსნურ იარაღს γ A სხივის წყარო ეწოდება, ამ ჯადოსნურ იარაღს შეუძლია თავისითაც კაშკაშა ბრწყინავდეს, მაგრამ ამ ტიპის სინათლე შეუიარაღებელი თვალით არ აღიქმება, ეს მაღალი ენერგიის ფოტონის ნაკადია. ჩვენ ჩვეულებრივ მინერალებიდან ვიღებთ 45Sc-ს, რომელიც სკანდიუმის ერთადერთი ბუნებრივი იზოტოპია. თითოეული 45Sc ბირთვი შეიცავს 21 პროტონს და 24 ნეიტრონს. 46Sc, ხელოვნური რადიოაქტიური იზოტოპი, შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც γ გამოსხივების წყარო ან ტრეისერ-ატომები, ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ავთვისებიანი სიმსივნეების სხივური თერაპიისთვის. ასევე არსებობს ისეთი გამოყენება, როგორიცაა იტრიუმის გალიუმის სკანდიუმის ბროწეულის ლაზერი,სკანდიუმის ფტორიდიმინის ინფრაწითელი ოპტიკურ-ბოჭკოვანი და სკანდიუმის საფარით დაფარული კათოდური სხივების მილი ტელევიზორზე. როგორც ჩანს, სკანდიუმი სიკაშკაშესთან ერთად იბადება.

შენადნობების ინდუსტრია

სკანდიუმი თავისი ელემენტარული ფორმით ფართოდ გამოიყენება ალუმინის შენადნობების დოპირებისთვის. როგორც კი ალუმინს სკანდიუმის რამდენიმე მეათასედს დავუმატებთ, წარმოიქმნება ახალი Al3Sc ფაზა, რომელიც მეტამორფიზმის როლს შეასრულებს ალუმინის შენადნობში და მნიშვნელოვნად შეცვლის შენადნობის სტრუქტურასა და თვისებებს. 0.2%-0.4% Sc-ის დამატება (რაც ძალიან ჰგავს სახლში შემწვარ ბოსტნეულში მარილის დამატების პროპორციას, მხოლოდ მცირედი რაოდენობაა საჭირო) შეუძლია შენადნობის რეკრისტალიზაციის ტემპერატურა 150-200 ℃-ით გაზარდოს და მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს მაღალტემპერატურული სიმტკიცე, სტრუქტურული სტაბილურობა, შედუღების მახასიათებლები და კოროზიისადმი მდგრადობა. ასევე, შესაძლებელია თავიდან ავიცილოთ მყიფეობის ფენომენი, რომელიც ადვილად წარმოიქმნება მაღალ ტემპერატურაზე ხანგრძლივი მუშაობის დროს. მაღალი სიმტკიცისა და სიმტკიცის ალუმინის შენადნობი, ახალი მაღალი სიმტკიცის კოროზიისადმი მდგრადი შედუღებადი ალუმინის შენადნობი, ახალი მაღალი ტემპერატურის ალუმინის შენადნობი, მაღალი სიმტკიცის ნეიტრონული დასხივებისადმი მდგრადი ალუმინის შენადნობი და ა.შ., ძალიან მიმზიდველი განვითარების პერსპექტივები აქვს აერონავტიკაში, ავიაციაში, გემებში, ბირთვულ რეაქტორებში, მსუბუქ სატრანსპორტო საშუალებებსა და მაღალსიჩქარიან მატარებლებში.

სკანდიუმი ასევე რკინის შესანიშნავი მოდიფიკატორია და სკანდიუმის მცირე რაოდენობამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს თუჯის სიმტკიცე და სიმტკიცე. გარდა ამისა, სკანდიუმის გამოყენება ასევე შესაძლებელია როგორც დანამატი მაღალი ტემპერატურის ვოლფრამის და ქრომის შენადნობებისთვის. რა თქმა უნდა, სხვებისთვის საქორწილო ტანსაცმლის დამზადების გარდა, სკანდიუმს აქვს მაღალი დნობის წერტილი და მისი სიმკვრივე ალუმინის მსგავსია და ასევე გამოიყენება მაღალი დნობის წერტილის მსუბუქ შენადნობებში, როგორიცაა სკანდიუმის ტიტანის შენადნობი და სკანდიუმის მაგნიუმის შენადნობი. თუმცა, მაღალი ფასის გამო, ის ზოგადად მხოლოდ მაღალი დონის წარმოების ინდუსტრიებში გამოიყენება, როგორიცაა კოსმოსური ხომალდები და რაკეტები.

კერამიკული მასალა

სკანდიუმი, როგორც ერთი ნივთიერება, ზოგადად გამოიყენება შენადნობებში და მისი ოქსიდები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ კერამიკულ მასალებშიც ანალოგიურად. ტეტრაგონალური ცირკონიუმის კერამიკული მასალა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროდის მასალად მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედებისთვის, აქვს უნიკალური თვისება, სადაც ამ ელექტროლიტის გამტარობა იზრდება ტემპერატურისა და გარემოში ჟანგბადის კონცენტრაციის მატებასთან ერთად. თუმცა, ამ კერამიკული მასალის კრისტალური სტრუქტურა თავისთავად ვერ იარსებებს სტაბილურად და არ აქვს სამრეწველო ღირებულება; აუცილებელია გარკვეული ნივთიერებების დოპირება, რომლებიც შეძლებენ ამ სტრუქტურის დაფიქსირებას მისი თავდაპირველი თვისებების შესანარჩუნებლად. 6~10% სკანდიუმის ოქსიდის დამატება ბეტონის სტრუქტურას ჰგავს, ამიტომ ცირკონიუმის სტაბილიზაცია შესაძლებელია კვადრატულ ბადეზე.

ასევე არსებობს საინჟინრო კერამიკული მასალები, როგორიცაა მაღალი სიმტკიცის და მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადი სილიციუმის ნიტრიდი, როგორც გამკვრივებლები და სტაბილიზატორები.

როგორც გამამკვრივებელი,სკანდიუმის ოქსიდიშეუძლია წვრილი ნაწილაკების კიდეზე წარმოქმნას ცეცხლგამძლე ფაზა Sc2Si2O7, რითაც მცირდება საინჟინრო კერამიკის მაღალტემპერატურული დეფორმაცია. სხვა ოქსიდებთან შედარებით, მას შეუძლია უკეთ გააუმჯობესოს სილიციუმის ნიტრიდის მაღალტემპერატურული მექანიკური თვისებები.

კატალიზური ქიმია

ქიმიურ ინჟინერიაში სკანდიუმი ხშირად გამოიყენება კატალიზატორად, ხოლო Sc2O3 შეიძლება გამოყენებულ იქნას ეთანოლის ან იზოპროპანოლის დეჰიდრატაციისა და დეოქსიდაციისთვის, ძმარმჟავას დაშლისთვის და CO-დან და H2-დან ეთილენის წარმოებისთვის. Sc2O3-ის შემცველი PtAl კატალიზატორი ასევე მნიშვნელოვანი კატალიზატორია მძიმე ნავთობის ჰიდროგენიზაციის გაწმენდისა და რაფინირების პროცესებისთვის ნავთობქიმიურ მრეწველობაში. კატალიზურ კრეკინგის რეაქციებში, როგორიცაა კუმენი, Sc-Y ცეოლიტის კატალიზატორის აქტივობა 1000-ჯერ მეტია, ვიდრე ალუმინის სილიკატის კატალიზატორის; ზოგიერთ ტრადიციულ კატალიზატორთან შედარებით, სკანდიუმის კატალიზატორების განვითარების პერსპექტივები ძალიან ნათელი იქნება.

ბირთვული ენერგიის ინდუსტრია

მაღალი ტემპერატურის რეაქტორის ბირთვულ საწვავში UO2-ს მცირე რაოდენობით Sc2O3-ის დამატებამ შეიძლება თავიდან აიცილოს UO2-ის U3O8-ად გარდაქმნით გამოწვეული ბადისებრი ტრანსფორმაცია, მოცულობის ზრდა და ბზარები.

საწვავის უჯრედი

ანალოგიურად, ნიკელ-ტუტე აკუმულატორებში სკანდიუმის 2.5%-დან 25%-მდე დამატება გაზრდის მათ მომსახურების ვადას.

სასოფლო-სამეურნეო მეცხოველეობა

სოფლის მეურნეობაში, სიმინდის, ჭარხლის, ბარდის, ხორბლისა და მზესუმზირის თესლის დამუშავება შესაძლებელია სკანდიუმის სულფატით (კონცენტრაცია, როგორც წესი, 10-3~10-8 მოლ/ლ-ია, სხვადასხვა მცენარეს განსხვავებული კონცენტრაცია აქვს) და აღმოცენების ხელშეწყობის ფაქტობრივი ეფექტი მიღწეულია. 8 საათის შემდეგ, ფესვებისა და კვირტების მშრალი წონა გაიზარდა შესაბამისად 37%-ით და 78%-ით ნერგებთან შედარებით, თუმცა მექანიზმი ჯერ კიდევ შესწავლის პროცესშია.

ნილსენის მიერ ატომური მასის მონაცემებისადმი ყურადღების მიქცევიდან დღემდე, სკანდიუმი ადამიანების ხედვაში მხოლოდ ასი ან ოცი წლის წინ შევიდა, მაგრამ ის თითქმის ასი წელია, რაც სკამზე იჯდა. მხოლოდ გასული საუკუნის ბოლოს მატერიალიზმის ენერგიულმა განვითარებამ შესძინა მას სიცოცხლე. დღეს იშვიათმიწა ელემენტები, მათ შორის სკანდიუმი, მატერიალიზმის ცხელ ვარსკვლავებად იქცნენ, რომლებიც მუდმივად ცვალებად როლს ასრულებენ ათასობით სისტემაში, ყოველდღიურად უფრო მეტ კომფორტს სთავაზობენ ჩვენს ცხოვრებას და ქმნიან ეკონომიკურ ღირებულებას, რომლის გაზომვაც კიდევ უფრო რთულია.