สแกนเดียมธาตุหายากของโลก

Sแคนเดียมโดยมีสัญลักษณ์ธาตุ Sc และเลขอะตอม 21 ละลายในน้ำได้ง่าย ทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนได้ และทำให้อากาศมืดลงได้ง่าย วาเลนซ์หลักของมันคือ +3 มักผสมกับแกโดลิเนียม เออร์เบียม และธาตุอื่นๆ โดยให้ผลผลิตต่ำและมีเนื้อหาอยู่ในเปลือกโลกประมาณ 0.0005% สแกนเดียมมักใช้ในการผลิตแก้วชนิดพิเศษและโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงน้ำหนักเบา

ปัจจุบัน ปริมาณสำรองสแกนเดียมที่พิสูจน์แล้วในโลกมีเพียง 2 ล้านตัน โดย 90~95% อยู่ในแร่บอกไซต์ ฟอสฟอไรต์ และแร่ไททาเนียมเหล็ก และส่วนเล็กๆ ในแร่ยูเรเนียม ทอเรียม ทังสเตน และแร่หายาก โดยส่วนใหญ่ จัดจำหน่ายในรัสเซีย จีน ทาจิกิสถาน มาดากัสการ์ นอร์เวย์ และประเทศอื่นๆ ประเทศจีนอุดมไปด้วยทรัพยากรสแกนเดียม โดยมีแร่สำรองจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับสแกนเดียม จากสถิติที่ไม่สมบูรณ์ ปริมาณสำรองของสแกนเดียมในประเทศจีนอยู่ที่ประมาณ 600,000 ตัน ซึ่งบรรจุอยู่ในแร่บอกไซต์และฟอสฟอไรต์ แร่พอร์ฟีรีและแร่ควอตซ์หลอดเลือดดำในจีนตอนใต้ แร่ธาตุหายากในจีนตอนใต้ แร่เหล็กธาตุหายากบายันโอโบ มองโกเลียในและเงินฝากแมกนีไทต์ไทเทเนียมวานาเดียม Panzhihua ในมณฑลเสฉวน

เนื่องจากการขาดแคลนสแกนเดียม ราคาของสแกนเดียมจึงสูงมากเช่นกัน และเมื่อถึงจุดสูงสุด ราคาของสแกนเดียมก็สูงเกินจริงถึง 10 เท่าของราคาทองคำ แม้ว่าราคาของสแกนเดียมจะลดลง แต่ก็ยังสูงกว่าราคาทองคำถึงสี่เท่า!

การค้นพบประวัติศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2412 เมนเดเลเยฟสังเกตเห็นช่องว่างในมวลอะตอมระหว่างแคลเซียม (40) และไทเทเนียม (48) และคาดการณ์ว่ายังมีธาตุมวลอะตอมขั้นกลางที่ยังไม่ถูกค้นพบที่นี่ เขาทำนายว่าออกไซด์ของมันคือ X ₂ O Å Scandium ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2422 โดย Lars Frederik Nilson จากมหาวิทยาลัย Uppsala ในประเทศสวีเดน เขาสกัดมันออกมาจากเหมืองทองคำหายากสีดำ ซึ่งเป็นแร่ที่ซับซ้อนซึ่งมีออกไซด์ของโลหะถึง 8 ชนิด เขาได้สกัดแล้วเออร์เบียม (III) ออกไซด์จากแร่ทองคำหายากสีดำและได้รับอิตเทอร์เบียม (III) ออกไซด์จากออกไซด์นี้ก็มีออกไซด์ของธาตุไฟแช็กอีกชนิดหนึ่งซึ่งมีสเปกตรัมแสดงว่าเป็นโลหะที่ไม่รู้จัก นี่คือโลหะที่ Mendeleev ทำนายไว้ซึ่งมีออกไซด์อยู่ส₂O₃- โลหะสแกนเดียมนั้นผลิตจากสแกนเดียมคลอไรด์โดยการหลอมด้วยไฟฟ้าในปี พ.ศ. 2480

เมนเดเลเยฟ

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน

การกำหนดค่าอิเล็กตรอน: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

โลหะสแกนเดียม

Scandium เป็นโลหะทรานซิชันสีขาวเงินอ่อน มีจุดหลอมเหลว 1541 ℃ และจุดเดือด 2831 ℃

เป็นเวลานานพอสมควรหลังจากการค้นพบนี้ ไม่มีการสาธิตการใช้สแกนเดียมเนื่องจากความยากลำบากในการผลิต ด้วยการปรับปรุงวิธีการแยกธาตุหายากเพิ่มมากขึ้น ปัจจุบันมีขั้นตอนกระบวนการที่สมบูรณ์ในการทำให้สารประกอบสแกนเดียมบริสุทธิ์ เนื่องจากสแกนเดียมมีความเป็นด่างน้อยกว่าอิตเทรียมและแลนทาไนด์ ไฮดรอกไซด์จึงมีจุดอ่อนที่สุด ดังนั้นแร่ธาตุหายากที่ผสมแร่สแกนเดียมจะถูกแยกออกจากธาตุหายากโดยวิธี "การตกตะกอนแบบขั้น" เมื่อสแกนเดียม (III) ไฮดรอกไซด์ได้รับการบำบัดด้วยแอมโมเนียหลังจากนั้น จะถูกถ่ายโอนไปเป็นสารละลาย อีกวิธีหนึ่งคือการแยกสแกนเดียมไนเตรตด้วยการสลายตัวแบบโพลาร์ของไนเตรต เนื่องจากสแกนเดียมไนเตรตสามารถย่อยสลายได้ง่ายที่สุด จึงสามารถแยกสแกนเดียมออกได้ นอกจากนี้ การนำสแกนเดียมกลับมาจากยูเรเนียม ทอเรียม ทังสเตน ดีบุก และแร่อื่นๆ อย่างครอบคลุมก็เป็นแหล่งสำคัญของสแกนเดียมเช่นกัน

หลังจากได้รับสารประกอบสแกนเดียมบริสุทธิ์แล้ว มันถูกแปลงเป็น ScCl Å และหลอมรวมกับ KCl และ LiCl สังกะสีหลอมเหลวถูกใช้เป็นแคโทดสำหรับอิเล็กโทรไลซิส ทำให้สแกนเดียมตกตะกอนบนอิเล็กโทรดสังกะสี จากนั้นสังกะสีจะระเหยกลายเป็นโลหะสแกนเดียม นี่คือโลหะสีขาวเงินน้ำหนักเบาที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่ออกฤทธิ์สูง ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจนได้ ดังนั้นสแกนเดียมโลหะที่คุณเห็นในภาพจึงถูกปิดผนึกไว้ในขวดและป้องกันด้วยก๊าซอาร์กอน ไม่เช่นนั้นสแกนเดียมจะก่อตัวเป็นชั้นออกไซด์สีเหลืองเข้มหรือสีเทาอย่างรวดเร็ว ทำให้สูญเสียความแวววาวของโลหะไป

การใช้งาน

อุตสาหกรรมแสงสว่าง

การใช้สแกนเดียมมุ่งความสนใจไปที่ทิศทางที่สว่างมาก และไม่ใช่เรื่องเกินจริงที่จะเรียกมันว่าบุตรแห่งแสงสว่าง อาวุธวิเศษชิ้นแรกของสแกนเดียมเรียกว่าโคมไฟโซเดียมสแกนเดียม ซึ่งสามารถใช้เพื่อนำแสงสว่างมาสู่ครัวเรือนหลายพันครัวเรือน นี่คือไฟไฟฟ้าเมทัลฮาไลด์: หลอดไฟเต็มไปด้วยโซเดียมไอโอไดด์และสแกนเดียมไตรไอโอไดด์ และเติมสแกนเดียมและฟอยล์โซเดียมในเวลาเดียวกัน ในระหว่างการปล่อยแรงดันไฟฟ้าสูง สแกนเดียมไอออนและโซเดียมไอออนจะปล่อยแสงตามความยาวคลื่นที่เปล่งออกมาตามลักษณะเฉพาะ เส้นสเปกตรัมของโซเดียมอยู่ที่ 589.0 และ 589.6 นาโนเมตร ซึ่งเป็นแสงสีเหลืองที่มีชื่อเสียงสองดวง ในขณะที่เส้นสเปกตรัมของสแกนเดียมอยู่ที่ 361.3~424.7 นาโนเมตร ซึ่งเป็นชุดของการปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตใกล้เคียงและแสงสีน้ำเงิน เนื่องจากทั้งสองสีส่งเสริมซึ่งกันและกัน สีของแสงโดยรวมที่ได้จึงเป็นแสงสีขาว เป็นเพราะโคมไฟโซเดียมสแกนเดียมมีคุณสมบัติในการส่องสว่างสูง สีแสงที่ดี การประหยัดพลังงาน อายุการใช้งานที่ยาวนาน และความสามารถในการทำลายหมอกที่รุนแรง ซึ่งสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับกล้องโทรทัศน์ จัตุรัส สนามกีฬา และไฟถนน และเป็นที่รู้จักในฐานะแหล่งกำเนิดแสงยุคที่สาม ในประเทศจีน หลอดไฟประเภทนี้ได้รับการส่งเสริมให้เป็นเทคโนโลยีใหม่อย่างค่อยเป็นค่อยไป ในขณะที่ในประเทศที่พัฒนาแล้วบางประเทศ หลอดไฟประเภทนี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงต้นทศวรรษ 1980

อาวุธวิเศษตัวที่สองของสแกนเดียมคือเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งสามารถรวบรวมแสงที่กระจัดกระจายบนพื้นดินและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนสังคมมนุษย์ สแกนเดียมเป็นโลหะกั้นที่ดีที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นฉนวนโลหะและเซลล์แสงอาทิตย์

อาวุธเวทย์มนตร์ที่สามเรียกว่า γ แหล่งกำเนิดรังสี อาวุธเวทย์มนตร์นี้สามารถส่องสว่างได้ด้วยตัวเอง แต่แสงประเภทนี้ไม่สามารถรับได้ด้วยตาเปล่า มันเป็นกระแสโฟตอนที่พลังงานสูง โดยปกติเราสกัด 45Sc จากแร่ธาตุ ซึ่งเป็นไอโซโทปธรรมชาติเพียงชนิดเดียวของสแกนเดียม นิวเคลียส 45Sc แต่ละตัวประกอบด้วยโปรตอน 21 ตัว และนิวตรอน 24 ตัว 46Sc ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเทียมสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสี γ หรืออะตอมตามรอยยังสามารถใช้สำหรับการรักษาด้วยรังสีของเนื้องอกเนื้อร้ายได้ นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเช่นเลเซอร์อิตเทรียมแกลเลียมสแกนเดียมโกเมนสแกนเดียมฟลูออไรด์ใยแก้วนำแสงอินฟราเรดแบบแก้ว และหลอดรังสีแคโทดเคลือบสแกนเดียมทางโทรทัศน์ ดูเหมือนว่าสแกนเดียมจะเกิดมาพร้อมกับความสว่าง

อุตสาหกรรมโลหะผสม

สแกนเดียมในรูปแบบธาตุถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเติมโลหะผสมอะลูมิเนียม ตราบใดที่มีการเพิ่มสแกนเดียมเพียงไม่กี่ในพันส่วนลงในอะลูมิเนียม เฟส Al3Sc ใหม่ก็จะเกิดขึ้น ซึ่งจะมีบทบาทในการเปลี่ยนแปลงในอะลูมิเนียมอัลลอยด์ และทำให้โครงสร้างและคุณสมบัติของโลหะผสมเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก การเติม Sc 0.2%~0.4% (ซึ่งใกล้เคียงกับสัดส่วนการเติมเกลือลงในผัดผักที่บ้านจริงๆ เพียงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น) จะสามารถเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมได้ 150-200 ℃ และปรับปรุงค่าสูงได้อย่างมีนัยสำคัญ - ความแข็งแรงของอุณหภูมิ ความเสถียรของโครงสร้าง ประสิทธิภาพการเชื่อม และความต้านทานการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังสามารถหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์การเปราะซึ่งเกิดขึ้นได้ง่ายระหว่างการทำงานระยะยาวที่อุณหภูมิสูง อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูงและความเหนียวสูง, อลูมิเนียมอัลลอยด์เชื่อมที่มีความแข็งแรงสูงการกัดกร่อนใหม่, อลูมิเนียมอัลลอยด์อุณหภูมิสูงใหม่, อลูมิเนียมอัลลอยด์ทนต่อการฉายรังสีนิวตรอนความแข็งแรงสูง ฯลฯ มีแนวโน้มการพัฒนาที่น่าสนใจมากในการบินและอวกาศ, การบิน, เรือ, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยานพาหนะขนาดเล็ก และรถไฟความเร็วสูง

สแกนเดียมยังเป็นตัวดัดแปลงที่ดีเยี่ยมสำหรับเหล็ก และสแกนเดียมจำนวนเล็กน้อยสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กหล่อได้อย่างมาก นอกจากนี้ สแกนเดียมยังสามารถใช้เป็นสารเติมแต่งสำหรับโลหะผสมทังสเตนและโครเมียมที่มีอุณหภูมิสูงได้อีกด้วย แน่นอนว่านอกเหนือจากการทำชุดแต่งงานให้ผู้อื่นแล้ว สแกนเดียมยังมีจุดหลอมเหลวสูงและความหนาแน่นใกล้เคียงกับอลูมิเนียม และยังใช้ในโลหะผสมน้ำหนักเบาที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น โลหะผสมไทเทเนียมสแกนเดียม และโลหะผสมแมกนีเซียมสแกนเดียม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีราคาสูง โดยทั่วไปจึงใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตระดับไฮเอนด์เท่านั้น เช่น กระสวยอวกาศ และจรวด

วัสดุเซรามิก

สแกนเดียมซึ่งเป็นสารเดี่ยวมักใช้ในโลหะผสม และออกไซด์ของสแกนเดียมมีบทบาทสำคัญในวัสดุเซรามิกในลักษณะเดียวกัน วัสดุเซรามิกเซอร์โคเนียแบบเตตระโกนัล ซึ่งสามารถใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงโซลิดออกไซด์ มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์นี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและความเข้มข้นของออกซิเจนในสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม โครงสร้างผลึกของวัสดุเซรามิกนี้เองไม่สามารถคงอยู่ได้อย่างเสถียรและไม่มีคุณค่าทางอุตสาหกรรม จำเป็นต้องเติมสารบางชนิดที่สามารถแก้ไขโครงสร้างนี้ได้เพื่อรักษาคุณสมบัติดั้งเดิมไว้ การเติมสแกนเดียมออกไซด์ 6~10% ก็เหมือนกับโครงสร้างคอนกรีต ดังนั้นเซอร์โคเนียจึงสามารถคงตัวบนตะแกรงสี่เหลี่ยมได้

นอกจากนี้ยังมีวัสดุเซรามิกเชิงวิศวกรรม เช่น ซิลิคอนไนไตรด์ที่มีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูงเป็นสารเพิ่มความหนาแน่นและความคงตัว

ในฐานะที่เป็นเครื่องเพิ่มความหนาแน่นสแกนเดียมออกไซด์สามารถสร้างเฟสวัสดุทนไฟ Sc2Si2O7 ที่ขอบของอนุภาคละเอียด ซึ่งช่วยลดการเสียรูปในอุณหภูมิสูงของเซรามิกวิศวกรรม เมื่อเปรียบเทียบกับออกไซด์อื่น ๆ จะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูงของซิลิคอนไนไตรด์ได้ดีขึ้น

เคมีตัวเร่งปฏิกิริยา

ในงานวิศวกรรมเคมี สแกนเดียมมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ Sc2O3 สามารถใช้สำหรับการคายน้ำและการเกิดออกซิเดชันของเอธานอลหรือไอโซโพรพานอล การสลายตัวของกรดอะซิติก และการผลิตเอทิลีนจาก CO และ H2 ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt Al ที่มี Sc2O3 ยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญสำหรับกระบวนการทำให้บริสุทธิ์และการกลั่นน้ำมันหนักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ในปฏิกิริยาการแตกตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น คิวมีน กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ Sc-Y จะสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมซิลิเกตถึง 1,000 เท่า เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิม โอกาสในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสแกนเดียมจะสดใสมาก

อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์

การเติม Sc2O3 จำนวนเล็กน้อยลงใน UO2 ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงสามารถหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงของโครงตาข่าย การเพิ่มปริมาตร และการแตกร้าวที่เกิดจากการแปลง UO2 เป็น U3O8

เซลล์เชื้อเพลิง

ในทำนองเดียวกัน การเพิ่มสแกนเดียม 2.5% ถึง 25% ลงในแบตเตอรี่นิกเกิลอัลคาไลจะช่วยเพิ่มอายุการใช้งาน

การปรับปรุงพันธุ์ทางการเกษตร

ในการเกษตร เมล็ดพืช เช่น ข้าวโพด หัวบีท ถั่ว ข้าวสาลี และดอกทานตะวัน สามารถบำบัดได้ด้วยสแกนเดียมซัลเฟต (โดยทั่วไปความเข้มข้นจะอยู่ที่ 10-3~10-8mol/L พืชที่แตกต่างกันจะมีความแตกต่างกัน) และผลที่แท้จริงของการส่งเสริมการงอก ได้รับความสำเร็จ หลังจากผ่านไป 8 ชั่วโมง น้ำหนักแห้งของรากและตาเพิ่มขึ้น 37% และ 78% ตามลำดับ เมื่อเทียบกับต้นกล้า แต่กลไกยังอยู่ระหว่างการศึกษา

จากความสนใจของ Nielsen ที่มีต่อหนี้ของข้อมูลมวลอะตอมจนถึงทุกวันนี้ สแกนเดียมได้เข้าสู่วิสัยทัศน์ของผู้คนมาเพียงร้อยหรือยี่สิบปีเท่านั้น แต่เกือบจะนั่งอยู่บนม้านั่งสำรองมาเป็นเวลาร้อยปีแล้ว จนกระทั่งการพัฒนาด้านวัสดุศาสตร์อย่างแข็งแกร่งในช่วงปลายศตวรรษที่ผ่านมาจึงนำความมีชีวิตชีวามาสู่เขา ในปัจจุบัน ธาตุหายาก รวมถึงสแกนเดียม ได้กลายเป็นดาวเด่นในด้านวัสดุศาสตร์ โดยมีบทบาทที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาในระบบหลายพันระบบ ทำให้ชีวิตของเราสะดวกสบายมากขึ้นทุกวัน และสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจที่วัดได้ยากยิ่งขึ้น