สแกนเดียม ธาตุหายากมหัศจรรย์

Sแคนเดียมมีสัญลักษณ์ธาตุ Sc และเลขอะตอม 21 ละลายน้ำได้ง่าย สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนได้ และเปลี่ยนเป็นสีเข้มได้ง่ายในอากาศ เวเลนซ์หลักคือ +3 มักผสมกับแกโดลิเนียม เออร์เบียม และธาตุอื่นๆ โดยมีปริมาณน้อยและมีปริมาณประมาณ 0.0005% ในเปลือกโลก สแกนเดียมมักใช้ทำแก้วพิเศษและโลหะผสมที่มีน้ำหนักเบาที่ทนอุณหภูมิสูง

ปัจจุบัน ปริมาณสำรองสแกนเดียมที่พิสูจน์แล้วในโลกมีเพียง 2 ล้านตัน ซึ่ง 90~95% อยู่ในแร่บ็อกไซต์ ฟอสฟอไรต์ และเหล็กไททาเนียม และส่วนเล็กน้อยอยู่ในแร่ยูเรเนียม ทอเรียม ทังสเตน และแร่ธาตุหายาก ซึ่งกระจายส่วนใหญ่ในรัสเซีย จีน ทาจิกิสถาน มาดากัสการ์ นอร์เวย์ และประเทศอื่นๆ จีนมีทรัพยากรสแกนเดียมอุดมสมบูรณ์มาก โดยมีปริมาณสำรองแร่ธาตุที่เกี่ยวข้องกับสแกนเดียมจำนวนมาก ตามสถิติที่ไม่สมบูรณ์ ปริมาณสำรองสแกนเดียมในจีนอยู่ที่ประมาณ 600,000 ตัน ซึ่งอยู่ในแหล่งบ็อกไซต์และฟอสฟอไรต์ แหล่งทังสเตนในสายแร่พอร์ฟิรีและควอทซ์ในจีนตอนใต้ แหล่งแร่ธาตุหายากในจีนตอนใต้ แหล่งแร่เหล็กหายาก Bayan Obo ในมองโกเลียใน และแหล่งแมกนีไทต์ไททาเนียมวาเนเดียม Panzhihua ในเสฉวน

เนื่องจากสแกนเดียมมีน้อย ราคาของสแกนเดียมจึงสูงมาก และเมื่อถึงจุดสูงสุด ราคาของสแกนเดียมก็พุ่งสูงถึง 10 เท่าของราคาทองคำ แม้ว่าราคาสแกนเดียมจะลดลง แต่ก็ยังสูงกว่าราคาทองคำถึง 4 เท่า!

การค้นพบประวัติศาสตร์

ในปี 1869 เมนเดเลเยฟสังเกตเห็นช่องว่างในมวลอะตอมระหว่างแคลเซียม (40) และไททาเนียม (48) และทำนายว่ายังมีธาตุที่มีมวลอะตอมกลางที่ยังไม่ค้นพบอยู่ด้วย เขาทำนายว่าออกไซด์ของมันคือ X ₂ O Å สแกนเดียมถูกค้นพบในปี 1879 โดยลาร์ส เฟรเดอริก นิลสันแห่งมหาวิทยาลัยอุปซอลาในสวีเดน เขาสกัดจากเหมืองทองคำหายากสีดำ ซึ่งเป็นแร่เชิงซ้อนที่มีออกไซด์ของโลหะ 8 ประเภท เขาได้สกัดเออร์เบียม(III) ออกไซด์จากแร่ทองคำดำหายากและได้มาอิตเทอร์เบียม(III) ออกไซด์จากออกไซด์นี้ และยังมีออกไซด์อีกชนิดหนึ่งของธาตุที่เบากว่า ซึ่งสเปกตรัมของมันแสดงให้เห็นว่าเป็นโลหะที่ไม่รู้จัก นี่คือโลหะที่เมนเดเลเยฟทำนายไว้ ซึ่งออกไซด์ของเขาคือสโครลโอโลหะสแกนเดียมนั้นถูกผลิตมาจากสแกนเดียมคลอไรด์โดยการหลอมด้วยไฟฟ้าในปีพ.ศ.2480

เมนเดเลเยฟ

โครงสร้างอิเล็กตรอน

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

สแกนเดียมโลหะ

สแกนเดียมเป็นโลหะทรานสิชั่นสีขาวเงินอ่อน มีจุดหลอมเหลว 1,541 องศาเซลเซียส และจุดเดือด 2,831 องศาเซลเซียส

เป็นเวลานานพอสมควรหลังจากการค้นพบ การใช้สแกนเดียมไม่ได้รับการพิสูจน์เนื่องจากการผลิตยาก ด้วยวิธีการแยกธาตุหายากที่เพิ่มมากขึ้น ปัจจุบันมีกระบวนการที่สมบูรณ์สำหรับการแยกสารประกอบสแกนเดียม เนื่องจากสแกนเดียมเป็นด่างน้อยกว่าอิตเทรียมและแลนทาไนด์ ไฮดรอกไซด์จึงเป็นไฮดรอกไซด์ที่อ่อนแอที่สุด ดังนั้น ธาตุหายากที่ผสมแร่ธาตุสแกนเดียมจะถูกแยกออกจากธาตุหายากด้วยวิธี "การตกตะกอนแบบเป็นขั้นตอน" เมื่อสแกนเดียม(III) ไฮดรอกไซด์ได้รับการบำบัดด้วยแอมโมเนียหลังจากถ่ายโอนลงในสารละลาย วิธีอื่นคือแยกสแกนเดียมไนเตรตด้วยการสลายตัวแบบโพลาของไนเตรต เนื่องจากสแกนเดียมไนเตรตสลายตัวได้ง่ายที่สุด จึงสามารถแยกสแกนเดียมได้ นอกจากนี้ การกู้คืนสแกนเดียมที่มากับแร่จากยูเรเนียม ทอเรียม ทังสเตน ดีบุก และแหล่งแร่อื่นๆ อย่างครอบคลุมยังเป็นแหล่งสำคัญของสแกนเดียมอีกด้วย

หลังจากได้สารประกอบสแกนเดียมบริสุทธิ์แล้ว จะถูกแปลงเป็น ScCl Å และหลอมรวมกับ KCl และ LiCl สังกะสีที่หลอมเหลวจะถูกใช้เป็นแคโทดสำหรับอิเล็กโทรไลซิส ทำให้สแกนเดียมตกตะกอนบนอิเล็กโทรดสังกะสี จากนั้นสังกะสีจะถูกระเหยเพื่อให้ได้สแกนเดียมโลหะ ซึ่งเป็นโลหะสีขาวเงินน้ำหนักเบาที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่มีฤทธิ์สูง โดยสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้นสแกนเดียมโลหะที่คุณเห็นในภาพจึงถูกปิดผนึกในขวดและปกป้องด้วยก๊าซอาร์กอน มิฉะนั้น สแกนเดียมจะก่อตัวเป็นชั้นออกไซด์สีเหลืองเข้มหรือสีเทาอย่างรวดเร็ว ทำให้สูญเสียความแวววาวของโลหะไป

แอปพลิเคชั่น

อุตสาหกรรมแสงสว่าง

การใช้งานของสแกนเดียมนั้นกระจุกตัวอยู่ในทิศทางที่สว่างมาก และจะเรียกว่าบุตรแห่งแสงก็ไม่ใช่เรื่องเกินจริง อาวุธวิเศษชิ้นแรกของสแกนเดียมเรียกว่าหลอดโซเดียมสแกนเดียม ซึ่งสามารถใช้ให้แสงสว่างแก่บ้านเรือนได้หลายพันหลัง นี่คือหลอดไฟฟ้าเมทัลฮาไลด์ หลอดไฟนี้บรรจุโซเดียมไอโอไดด์และสแกนเดียมไตรไอโอไดด์ จากนั้นจึงเติมสแกนเดียมและโซเดียมฟอยล์ลงไปพร้อมกัน ในระหว่างการคายประจุไฟฟ้าแรงสูง ไอออนสแกนเดียมและไอออนโซเดียมจะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นการแผ่รังสีลักษณะเฉพาะตามลำดับ เส้นสเปกตรัมของโซเดียมคือ 589.0 และ 589.6 นาโนเมตร ซึ่งเป็นแสงสีเหลืองที่มีชื่อเสียงสองดวง ในขณะที่เส้นสเปกตรัมของสแกนเดียมคือ 361.3~424.7 นาโนเมตร ซึ่งเป็นการแผ่รังสีแสงใกล้อัลตราไวโอเลตและแสงสีน้ำเงิน เนื่องจากทั้งสองเสริมซึ่งกันและกัน แสงสีโดยรวมที่ผลิตได้จึงเป็นแสงสีขาว เนื่องจากหลอดไฟสแกนเดียมโซเดียมมีคุณสมบัติเด่นคือมีประสิทธิภาพการส่องสว่างสูง ให้แสงสีสวยงาม ประหยัดพลังงาน อายุการใช้งานยาวนาน และมีคุณสมบัติในการทำลายหมอกได้ดี จึงทำให้หลอดไฟชนิดนี้สามารถนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในกล้องโทรทัศน์ จัตุรัส สนามกีฬา และไฟถนน และเป็นที่รู้จักในชื่อแหล่งกำเนิดแสงรุ่นที่ 3 ในประเทศจีน หลอดไฟประเภทนี้ได้รับการส่งเสริมให้เป็นเทคโนโลยีใหม่ทีละน้อย ในขณะที่ในประเทศพัฒนาแล้วบางประเทศ หลอดไฟประเภทนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980

อาวุธวิเศษประการที่สองของสแกนเดียมคือเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งสามารถรวบรวมแสงที่กระจัดกระจายบนพื้นดินและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนสังคมมนุษย์ สแกนเดียมเป็นโลหะกั้นที่ดีที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนเซมิคอนดักเตอร์ฉนวนโลหะและเซลล์แสงอาทิตย์

อาวุธวิเศษที่สามเรียกว่าแหล่งกำเนิดรังสีแกมมา อาวุธวิเศษนี้สามารถส่องแสงเจิดจ้าได้ด้วยตัวเอง แต่แสงประเภทนี้ไม่สามารถรับได้ด้วยตาเปล่า เป็นโฟตอนพลังงานสูง โดยทั่วไปเราจะสกัด 45Sc จากแร่ธาตุ ซึ่งเป็นไอโซโทปธรรมชาติเพียงชนิดเดียวของสแกนเดียม นิวเคลียส 45Sc แต่ละอันประกอบด้วยโปรตอน 21 ตัวและนิวตรอน 24 ตัว 46Sc ซึ่งเป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเทียมสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาหรืออะตอมติดตามยังสามารถใช้เพื่อการฉายรังสีรักษาเนื้องอกมะเร็งได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังมีการใช้งานอื่นๆ เช่น เลเซอร์แกลเลียมสแกนเดียมการ์เนตอิตเทรียมแกลเลียมสแกนเดียมฟลูออไรด์ใยแก้วนำแสงอินฟราเรดและหลอดรังสีแคโทดเคลือบสแกนเดียมบนโทรทัศน์ ดูเหมือนว่าสแกนเดียมจะเกิดมาพร้อมกับความสว่าง

อุตสาหกรรมโลหะผสม

สแกนเดียมในรูปแบบธาตุถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเจือปนโลหะผสมอะลูมิเนียม ตราบใดที่มีการเติมสแกนเดียมลงในอลูมิเนียมเพียงไม่กี่พันส่วน ก็จะเกิดเฟส Al3Sc ใหม่ขึ้น ซึ่งจะทำหน้าที่แปรสภาพในโลหะผสมอะลูมิเนียมและทำให้โครงสร้างและคุณสมบัติของโลหะผสมเปลี่ยนแปลงไปอย่างมีนัยสำคัญ การเติม Sc ลงไป 0.2%~0.4% (ซึ่งใกล้เคียงกับการเติมเกลือในการผัดผักที่บ้าน เพียงเติมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น) สามารถเพิ่มอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะผสมได้ 150-200 ℃ และปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความเสถียรของโครงสร้าง ประสิทธิภาพการเชื่อม และความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ยังสามารถหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์การเปราะบางที่เกิดขึ้นได้ง่ายในระหว่างการทำงานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน โลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแกร่งและความเหนียวสูง โลหะผสมอลูมิเนียมเชื่อมได้ที่มีความแข็งแรงสูงทนต่อการกัดกร่อนแบบใหม่ โลหะผสมอลูมิเนียมอุณหภูมิสูงแบบใหม่ โลหะผสมอลูมิเนียมที่ทนต่อการฉายรังสีนิวตรอนความแข็งแรงสูง ฯลฯ มีแนวโน้มการพัฒนาที่น่าดึงดูดมากในอุตสาหกรรมอวกาศ การบิน เรือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยานยนต์ขนาดเบา และรถไฟความเร็วสูง

สแกนเดียมยังเป็นตัวปรับเปลี่ยนที่ยอดเยี่ยมสำหรับเหล็ก และสแกนเดียมในปริมาณเล็กน้อยสามารถปรับปรุงความแข็งแรงและความแข็งของเหล็กหล่อได้อย่างมาก นอกจากนี้ สแกนเดียมยังสามารถใช้เป็นสารเติมแต่งสำหรับโลหะผสมทังสเตนและโครเมียมที่อุณหภูมิสูงได้อีกด้วย แน่นอนว่า นอกเหนือจากการใช้ทำชุดแต่งงานให้ผู้อื่นแล้ว สแกนเดียมยังมีจุดหลอมเหลวสูงและมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับอะลูมิเนียม และยังใช้ในโลหะผสมน้ำหนักเบาที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น โลหะผสมไททาเนียมสแกนเดียมและโลหะผสมแมกนีเซียมสแกนเดียม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีราคาสูง จึงมักใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตขั้นสูง เช่น กระสวยอวกาศและจรวดเท่านั้น

วัสดุเซรามิก

สแกนเดียมซึ่งเป็นสารเดี่ยว มักใช้ในโลหะผสม และออกไซด์ของสแกนเดียมมีบทบาทสำคัญในวัสดุเซรามิกในลักษณะเดียวกัน วัสดุเซรามิกเซอร์โคเนียเตตระโกนัล ซึ่งสามารถใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง มีคุณสมบัติเฉพาะตัวคือ ความนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์นี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและความเข้มข้นของออกซิเจนในสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม โครงสร้างผลึกของวัสดุเซรามิกนี้เองไม่สามารถคงอยู่ได้อย่างเสถียรและไม่มีคุณค่าทางอุตสาหกรรม จึงจำเป็นต้องเติมสารเจือปนบางชนิดที่สามารถตรึงโครงสร้างนี้ไว้เพื่อรักษาคุณสมบัติเดิมไว้ การเติมสแกนเดียมออกไซด์ 6~10% ก็เหมือนกับโครงสร้างคอนกรีต ดังนั้นจึงสามารถทำให้เซอร์โคเนียเสถียรบนโครงตาข่ายสี่เหลี่ยมได้

ยังมีวัสดุเซรามิกวิศวกรรม เช่น ซิลิกอนไนไตรด์ที่มีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูงเพื่อใช้เป็นสารทำให้หนาแน่นและสารทำให้คงตัว

เป็นสารเพิ่มความหนาแน่นสแกนเดียมออกไซด์สามารถสร้างเฟสทนไฟ Sc2Si2O7 ที่ขอบของอนุภาคละเอียด จึงช่วยลดการเสียรูปของเซรามิกวิศวกรรมที่อุณหภูมิสูงได้ เมื่อเปรียบเทียบกับออกไซด์อื่นๆ จะสามารถปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูงของซิลิกอนไนไตรด์ได้ดีกว่า

เคมีเร่งปฏิกิริยา

ในงานวิศวกรรมเคมี สแกนเดียมมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในขณะที่ Sc2O3 ใช้สำหรับการกำจัดน้ำและการกำจัดออกซิเดชันของเอธานอลหรือไอโซโพรพานอล การสลายตัวของกรดอะซิติก และการผลิตเอทิลีนจาก CO และ H2 ตัวเร่งปฏิกิริยา Pt Al ที่มี Sc2O3 ยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สำคัญสำหรับกระบวนการทำให้บริสุทธิ์และการกลั่นไฮโดรจิเนชันของน้ำมันหนักในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ในปฏิกิริยาการแตกร้าวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น คิวมีน กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์ Sc-Y จะสูงกว่ากิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมซิลิเกตถึง 1,000 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิมบางตัว แนวโน้มการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสแกนเดียมจะสดใสมาก

อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์

การเติม Sc2O3 ปริมาณเล็กน้อยลงใน UO2 ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของเครื่องปฏิกรณ์อุณหภูมิสูงสามารถหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงโครงตาข่าย การเพิ่มปริมาตร และการแตกร้าวที่เกิดจากการแปลง UO2 เป็น U3O8

เซลล์เชื้อเพลิง

ในทำนองเดียวกัน การเติมสแกนเดียม 2.5% ถึง 25% ลงในแบตเตอรี่นิกเกิลอัลคาไลจะช่วยยืดอายุการใช้งาน

การเพาะพันธุ์พืช

ในภาคเกษตรกรรม เมล็ดพันธุ์ เช่น ข้าวโพด หัวบีท ถั่วลันเตา ข้าวสาลี และทานตะวัน สามารถบำบัดด้วยสแกนเดียมซัลเฟตได้ (โดยทั่วไปความเข้มข้นจะอยู่ที่ 10-3~10-8mol/L ซึ่งพืชแต่ละชนิดจะมีความเข้มข้นที่แตกต่างกัน) และได้ผลจริงในการส่งเสริมการงอก หลังจากผ่านไป 8 ชั่วโมง น้ำหนักแห้งของรากและตาดอกจะเพิ่มขึ้น 37% และ 78% ตามลำดับเมื่อเทียบกับต้นกล้า แต่กลไกดังกล่าวยังอยู่ระหว่างการศึกษา

ตั้งแต่ที่นีลเส็นให้ความสนใจกับข้อมูลมวลอะตอมจนถึงปัจจุบัน สแกนเดียมได้เข้ามาอยู่ในสายตาของผู้คนเพียงแค่ร้อยหรือยี่สิบปีเท่านั้น แต่แทบจะไม่มีใครสนใจมานานถึงหนึ่งร้อยปีแล้ว จนกระทั่งเมื่อวิทยาศาสตร์วัสดุได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขันในช่วงปลายศตวรรษที่แล้ว สแกนเดียมจึงทำให้นีลเส็นมีชีวิตชีวาขึ้นมาได้ ปัจจุบัน ธาตุหายาก รวมถึงสแกนเดียม ได้กลายเป็นดาวเด่นในวิทยาศาสตร์วัสดุ มีบทบาทที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาในระบบหลายพันระบบ ทำให้ชีวิตของเราสะดวกสบายมากขึ้นทุกวัน และสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจที่วัดได้ยากยิ่งขึ้น