چه اسکاندیم و روشهای آزمایشی متداول آن است

21 اسکاندیم و روشهای آزمایشی متداول آن

به این دنیای عناصر پر از رمز و راز و جذابیت خوش آمدید. امروز ، ما یک عنصر خاص را با هم کشف خواهیم کرد -رسواییبشر اگرچه این عنصر ممکن است در زندگی روزمره ما رایج نباشد ، اما نقش مهمی در علم و صنعت دارد.

رسوایی، این عنصر شگفت انگیز ، ویژگی های شگفت انگیز بسیاری دارد. این عضو خانواده نادر Earth Element است. مانند دیگریعناصر نادر زمینساختار اتمی اسکاندیم پر از رمز و راز است. این ساختارهای اتمی منحصر به فرد است که باعث می شود اسکاندیوم نقش مهمی در فیزیک ، شیمی و علوم مواد داشته باشد.

کشف اسکاندیوم پر از پیچ و تاب و چرخش و سختی است. این کار در سال 1841 آغاز شد ، هنگامی که شیمیدان سوئدی Lfnilson (1899 ~ 1840) امیدوار بود عناصر دیگر را از خالص جدا کندجبههزمین هنگام مطالعه فلزات سبک. پس از 13 بار تجزیه جزئی نیترات ها ، سرانجام 3.5 گرم خالص به دست آوردیرتربیومزمین با این حال ، وی دریافت که وزن اتمی Ytterbium که به دست آورد ، با وزن اتمی Ytterbium که قبلاً توسط Malinac داده شده مطابقت ندارد. نلسون چشم تیز فهمید که ممکن است یک عنصر سبک در آن وجود داشته باشد. بنابراین او به پردازش Ytterbium که با همان فرآیند بدست آورد ، ادامه داد. سرانجام ، هنگامی که تنها یک دهم نمونه باقی مانده بود ، وزن اتمی اندازه گیری شده به 46.46 کاهش یافت. این نتیجه نزدیک به وزن اتمی Yttrium است ، بنابراین نلسون آن را "اسکاندیم" نامید.

اگرچه نلسون اسکاندیوم را کشف کرده بود ، اما به دلیل نادر بودن و دشواری در جدایی ، توجه زیادی از جامعه علمی به خود جلب نکرد. تا اواخر قرن نوزدهم نگذشته بود ، هنگامی که تحقیقات در مورد عناصر نادر زمین به یک روند تبدیل شد ، این اسکاندیوم دوباره کشف و مورد مطالعه قرار گرفت.

بنابراین ، اجازه دهید ما در این سفر به کاوش در اسکاندیوم ، کشف رمز و راز آن و درک این عنصر به ظاهر معمولی اما در واقع جذاب ، شروع کنیم.

زمینه های کاربردی اسکاندیوم
نماد اسکاندیوم SC است و تعداد اتمی آن 21 است. این عنصر یک فلز انتقال نرم و نقره ای سفید است. اگرچه اسکاندیم یک عنصر مشترک در پوسته زمین نیست ، اما دارای بسیاری از زمینه های کاربردی مهم است ، عمدتا در جنبه های زیر:

1. صنعت هوافضا: اسکاندیم آلومینیوم یک آلیاژ سبک و با استحکام بالا است که در سازه های هواپیما ، قطعات موتور و ساخت موشک در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این از اسکاندیم می تواند مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ را در حالی که چگالی آلیاژ را کاهش می دهد ، بهبود بخشد و تجهیزات هوافضا را سبک تر و با دوام تر کند.
2. دوچرخه و تجهیزات ورزشی:آلومینیوم اسکاندیمهمچنین برای ساخت دوچرخه ، کلوپ های گلف و سایر تجهیزات ورزشی استفاده می شود. به دلیل قدرت و سبکی عالی ،آلیاژ رسواییمی تواند عملکرد تجهیزات ورزشی را بهبود بخشد ، وزن را کاهش دهد و دوام مواد را افزایش دهد.
3 صنعت روشنایی:اسکاندیم یدیدبه عنوان پرکننده در لامپ های زنون با شدت بالا استفاده می شود. چنین لامپ هایی در عکاسی ، فیلم سازی ، روشنایی مرحله و تجهیزات پزشکی استفاده می شود زیرا خصوصیات طیفی آنها بسیار نزدیک به نور طبیعی خورشید است.
4. سلولهای سوخت:آلومینیوم اسکاندیمهمچنین کاربردی در سلولهای سوخت اکسید جامد (SOFC) پیدا می کند. در این باتری ها ،آلیاژ اسکاندیمبه عنوان ماده آند استفاده می شود ، که دارای هدایت و ثبات بالایی است و به بهبود کارآیی و عملکرد سلولهای سوختی کمک می کند.
5. تحقیقات علمی: از اسکاندیوم به عنوان یک ماده آشکارساز در تحقیقات علمی استفاده می شود. در آزمایشات فیزیک هسته ای و شتاب دهنده های ذرات ، از کریستال های اسکندیوم برای تشخیص تابش و ذرات استفاده می شود.
6. برنامه های دیگر: از اسکاندیوم به عنوان یک ابررسانا با درجه حرارت بالا و در برخی از آلیاژهای خاص برای بهبود خواص آلیاژ استفاده می شود. با توجه به عملکرد برتر اسکاندیم در فرآیند آنودایزاسیون ، از آن در تولید مواد الکترود برای باتری های لیتیوم و سایر دستگاه های الکترونیکی نیز استفاده می شود.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که علی رغم کاربردهای فراوان ، تولید و استفاده از اسکاندیم به دلیل کمبود نسبی آن محدود و نسبتاً گران است ، بنابراین باید هنگام استفاده از آن هزینه و گزینه های آن با دقت در نظر گرفته شود.

خصوصیات فیزیکی عنصر اسکاندیم

1. ساختار اتمی: هسته اسکاندیم از 21 پروتون تشکیل شده و معمولاً حاوی 20 نوترون است. بنابراین ، وزن اتمی استاندارد آن (توده اتمی نسبی) حدود 44.955908 است. از نظر ساختار اتمی ، پیکربندی الکترونی اسکاندیم 1S² 2S² 2p⁶ 3S² 3P⁶ 3D¹ 4S² است.
2. وضعیت فیزیکی: اسکاندیم در دمای اتاق جامد است و ظاهری نقره ای سفید دارد. حالت فیزیکی آن بسته به تغییر دما و فشار می تواند تغییر کند.
چگالی: چگالی اسکاندیم حدود 2.989 گرم در سانتی متر مربع است. این چگالی نسبتاً کم آن را به یک فلز سبک تبدیل می کند.
4. نقطه ذوب: نقطه ذوب اسکاندیم حدود 1541 درجه سانتیگراد (2806 درجه فارنهایت) است که نشان می دهد نقطه ذوب نسبتاً بالایی دارد. 5. نقطه جوش: اسکاندیم دارای نقطه جوش در حدود 2836 درجه سانتیگراد (5137 درجه فارنهایت) است ، به این معنی که برای تبخیر به درجه حرارت بالایی نیاز دارد.
6. هدایت الکتریکی: اسکاندیم یک هادی خوب از برق است و دارای هدایت الکتریکی معقول است. اگرچه به اندازه مواد رسانا متداول مانند مس یا آلومینیوم خوب نیست ، اما هنوز هم در برخی از کاربردهای خاص مانند سلولهای الکترولیتی و کاربردهای هوافضا مفید است.
7. هدایت حرارتی: اسکاندیم دارای هدایت حرارتی نسبتاً بالایی است و آن را به یک هادی حرارتی خوب در دماهای بالا تبدیل می کند. این در برخی از برنامه های درجه حرارت بالا مفید است.
8. ساختار کریستال: اسکاندیم دارای یک ساختار کریستالی بسته بندی شده شش ضلعی است ، به این معنی که اتمهای آن در شش ضلعی بسته بندی شده در کریستال بسته بندی می شوند.
9. مغناطیس: اسکاندیوم در دمای اتاق دیاماغناطیسی است ، به این معنی که توسط میدان های مغناطیسی جذب یا دفع نمی شود. رفتار مغناطیسی آن مربوط به ساختار الکترونیکی آن است.
10. رادیواکتیویته: تمام ایزوتوپهای پایدار اسکاندیم رادیواکتیو نیستند ، بنابراین یک عنصر غیر رادیواکتیو است.

Scandium یک فلز نسبتاً سبک و با ذوب بالا با چندین کاربرد ویژه ، به ویژه در صنعت هوافضا و علم مواد است. اگرچه معمولاً در طبیعت یافت نمی شود ، اما خصوصیات فیزیکی آن باعث می شود که در چندین زمینه به طور منحصر به فرد مفید باشد.

خصوصیات شیمیایی اسکاندیم

اسکاندیم یک عنصر فلزی انتقال است.
1. ساختار اتمی: ساختار اتمی اسکاندیم شامل 21 پروتون و معمولاً حدود 20 نوترون است. پیکربندی الکترونی آن 1S² 2S² 2p⁶ 3S² 3P⁶ 3D¹ 4S² است ، نشان می دهد که یک مداری D نشده است.
2. نماد شیمیایی و تعداد اتمی: نماد شیمیایی Scandium SC است و تعداد اتمی آن 21 است.
3. الکترونگاتیوت: اسکاندیم دارای الکترونگاتیوت نسبتاً کم در حدود 1.36 (مطابق با الکترونگاتیت Paul) است. این بدان معنی است که تمایل دارد الکترون ها را از دست بدهد تا یونهای مثبت ایجاد کند.
4. حالت اکسیداسیون: اسکاندیوم معمولاً در حالت اکسیداسیون +3 وجود دارد ، به این معنی که سه الکترون را برای تشکیل یون SC³⁺ از دست داده است. این رایج ترین حالت اکسیداسیون آن است. اگرچه SC²⁺ و SC⁴⁺ نیز امکان پذیر هستند ، اما کمتر پایدار و کمتر متداول هستند.
5. ترکیبات: اسکاندیوم به طور عمده ترکیباتی با عناصری مانند اکسیژن ، گوگرد ، نیتروژن و هیدروژن تشکیل می دهد. برخی از ترکیبات مشترک اسکاندیم شاملاکسید اسکاندیم (SC2O3) و هالیدهای اسکاندیوم (مانندکلرید اسکاندیم ، SCCL3).
6. واکنش پذیری: اسکاندیم یک فلز نسبتاً واکنش پذیر است ، اما به سرعت در هوا اکسید می شود و یک فیلم اکسید اکسید اسکاندیوم تشکیل می دهد ، که از واکنش های اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. این همچنین باعث ایجاد اسکاندیوم نسبتاً پایدار شده و مقاومت در برابر خوردگی دارد.
7. حلالیت: اسکاندیم در اکثر اسیدها به آرامی حل می شود ، اما در شرایط قلیایی راحت تر حل می شود. در آب نامحلول است زیرا فیلم اکسید آن از واکنش های بیشتر با مولکول های آب جلوگیری می کند.

8. خصوصیات شیمیایی مانند لانتانید: خواص شیمیایی Scandium مشابه سریال های Lanthanide است (لانتان, گودولین, نیودیمیم، و غیره) ، بنابراین گاهی اوقات به عنوان یک عنصر شبیه به لانتانید طبقه بندی می شود. این شباهت عمدتاً در شعاع یونی ، خواص مرکب و برخی واکنش پذیری ها منعکس می شود.
9. ایزوتوپ ها: اسکاندیم دارای ایزوتوپ های متعدد است که فقط برخی از آنها پایدار هستند. پایدارترین ایزوتوپ SC-45 است که نیمه عمر طولانی دارد و رادیواکتیو نیست.

اسکاندیم یک عنصر نسبتاً نادر است ، اما به دلیل برخی از خصوصیات شیمیایی و فیزیکی منحصر به فرد آن ، در چندین زمینه کاربردی به ویژه در صنعت هوافضا ، علوم مواد و برخی از کاربردهای پیشرفته نقش مهمی دارد.

خواص بیولوژیکی اسکاندیم

اسکاندیم یک عنصر مشترک در طبیعت نیست. بنابراین ، هیچ خاصیت بیولوژیکی در ارگانیسم ها ندارد. خصوصیات بیولوژیکی معمولاً شامل فعالیت بیولوژیکی ، جذب بیولوژیکی ، متابولیسم و ​​اثرات عناصر بر موجودات زنده است. از آنجا که اسکاندیوم عنصری برای زندگی ضروری نیست ، هیچ موجودی شناخته شده نیاز بیولوژیکی یا استفاده برای اسکاندیوم ندارد.
تأثیر اسکاندیوم بر موجودات عمدتاً مربوط به رادیواکتیویته آن است. برخی از ایزوتوپ های اسکاندیوم رادیواکتیو هستند ، بنابراین اگر بدن انسان یا ارگانیسم های دیگر در معرض اسکاندیوم رادیواکتیو قرار بگیرند ، ممکن است باعث قرار گرفتن در معرض پرتوهای خطرناک شود. این وضعیت معمولاً در شرایط خاص مانند تحقیقات علوم هسته ای ، رادیوتراپی یا تصادفات هسته ای رخ می دهد.
اسکاندیم با ارگانیسم ها سودمند نیست و خطر تابش وجود دارد. بنابراین ، این یک عنصر مهم در ارگانیسم ها نیست.

اسکاندیم یک عنصر شیمیایی نسبتاً نادر است و توزیع آن در طبیعت نسبتاً محدود است. در اینجا مقدمه مفصلی برای توزیع اسکاندیم در طبیعت آورده شده است:

1. محتوای طبیعت: اسکاندیم در مقادیر نسبتاً کمی در پوسته زمین وجود دارد. میانگین محتوای پوسته زمین در حدود 0.0026 میلی گرم در کیلوگرم (یا 2.6 قسمت در میلیون) است. این باعث می شود اسکاندیوم یکی از عناصر نادر در پوسته زمین باشد.

2. کشف در مواد معدنی: علیرغم محتوای محدود آن ، اسکاندیوم را می توان در مواد معدنی خاص ، به طور عمده به شکل اکسیدها یا سیلیکات ها یافت. برخی از مواد معدنی حاوی اسکاندیم شامل اسکاندیانیت و دولومیت است.

استخراج اسکاندیم: به دلیل توزیع محدود در طبیعت ، استخراج اسکاندیوم خالص نسبتاً دشوار است. معمولاً اسکاندیم به عنوان محصول جانبی فرآیند ذوب آلومینیوم بدست می آید ، زیرا با آلومینیوم در بوکسیت رخ می دهد.

4. توزیع جغرافیایی: اسکاندیم در سطح جهان توزیع می شود ، اما به طور مساوی نیست. برخی از کشورها مانند چین ، روسیه ، نروژ ، سوئد و برزیل دارای سپرده های غنی از اسکاندیوم هستند ، در حالی که مناطق دیگر به ندرت آنها را دارند.

اگرچه اسکاندیم از نظر ماهیت توزیع محدودی دارد ، اما در برخی از کاربردهای پیشرفته و صنعتی نقش مهمی ایفا می کند ، بنابراین آن

استخراج و ذوب عنصر اسکاندیم

اسکاندیم یک عنصر فلزی نادر است و فرآیندهای استخراج و استخراج آن کاملاً پیچیده است. موارد زیر مقدمه مفصلی برای معدن و فرآیند استخراج عنصر اسکاندیم است:

1. استخراج اسکاندیوم: اسکاندیوم به شکل ابتدایی آن از نظر طبیعت وجود ندارد ، اما معمولاً در مقادیر کمیاب در سنگ معدن وجود دارد. سنگ معدن اصلی اسکاندیوم شامل سنگ معدن اسکاندیوم ، سنگ معدن زیرکون و سنگ معدن Yttrium است. محتوای رسوایی در این سنگ معدن نسبتاً کم است.

فرآیند استخراج اسکاندیم معمولاً مراحل زیر را شامل می شود:

الف معدن: سنگ معدن حفاری حاوی اسکاندیوم.

ب. خرد کردن و پردازش سنگ معدن: خرد کردن و پردازش سنگ معدن برای جدا کردن سنگ معدن مفید از سنگهای زباله.

ج. شناور: از طریق فرآیند شناور ، سنگ معدن حاوی اسکاندیم از سایر ناخالصی ها جدا می شوند.

د. انحلال و کاهش: هیدروکسید اسکاندیوم معمولاً حل می شود و سپس با یک ماده کاهش دهنده (معمولاً آلومینیوم) به اسکاندیوم فلزی کاهش می یابد.

ه. استخراج الکترولیتیک: اسکاندیم کاهش یافته از طریق یک فرآیند الکترولیتی برای به دست آوردن خلوص بالا استخراج می شودفلز اسکاندیم.

3. پالایش اسکاندیوم: از طریق فرآیندهای انحلال و تبلور متعدد ، می توان خلوص اسکاندیم را بیشتر بهبود بخشید. یک روش متداول جدا کردن و تبلور ترکیبات اسکاندیم از طریق کلر یا فرآیندهای کربناسیون برای به دست آوردناسکاندیوم با خسارات زیادبشر

لازم به ذکر است که به دلیل کمبود اسکاندیوم ، فرآیندهای استخراج و پالایش نیاز به مهندسی شیمی بسیار دقیق دارند و به طور معمول مقدار قابل توجهی از زباله و فرآورده های جانبی تولید می کنند. بنابراین ، استخراج و استخراج عنصر اسکاندیم یک پروژه پیچیده و گران است که معمولاً با فرایند استخراج و استخراج عناصر دیگر برای بهبود کارایی اقتصادی همراه است.

روشهای تشخیص اسکاندیم
1. طیف سنجی جذب اتمی (AAS): طیف سنجی جذب اتمی یک روش تجزیه و تحلیل کمی است که از طیف های جذب در طول موج های خاص برای تعیین غلظت Scandium در یک نمونه استفاده می کند. این نمونه را برای آزمایش در یک شعله اتم می کند و سپس شدت جذب اسکاندیوم در نمونه را از طریق طیف سنج اندازه گیری می کند. این روش برای تشخیص غلظت ردیابی اسکاندیوم مناسب است.
2. طیف سنجی انتشار نوری پلاسما به صورت استقرایی (ICP-OES): طیف سنجی انتشار نوری پلاسما به صورت استقرایی یک روش تحلیلی بسیار حساس و انتخابی است که به طور گسترده در تجزیه و تحلیل چند عنصر مورد استفاده قرار می گیرد. این نمونه را اتم می کند و یک پلاسما را تشکیل می دهد و طول موج خاص و شدت انتشار اسکاندیوم را در یک طیف سنج تعیین می کند.
3. طیف سنجی جرمی پلاسما به صورت القایی (ICP-MS): طیف سنجی جرمی پلاسما به صورت القایی همراه یک روش تحلیلی بسیار حساس و با وضوح بالا است که می تواند برای تعیین نسبت ایزوتوپ و تجزیه و تحلیل عنصر ردیابی استفاده شود. این نمونه را اتم می کند و یک پلاسما را تشکیل می دهد و نسبت جرم به بار اسکاندیم را در یک طیف سنج جرمی تعیین می کند. 4. طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس (XRF): طیف سنجی فلورسانس اشعه ایکس از طیف فلورسانس تولید شده پس از نمونه توسط پرتوهای X برای تجزیه و تحلیل محتوای عناصر استفاده می کند. این می تواند به سرعت و غیر مخرب محتوای اسکاندیوم موجود در نمونه را تعیین کند.
5. طیف سنجی خواندن مستقیم: همچنین به عنوان طیف سنجی خواندن مستقیم فوتوالکتریک شناخته می شود ، این یک روش تحلیلی است که برای تجزیه و تحلیل محتوای عناصر در یک نمونه استفاده می شود. طیف سنجی خواندن مستقیم بر اساس اصل طیف سنجی انتشار اتمی است. از جرقه های برقی با درجه حرارت بالا یا قوس استفاده می کند تا مستقیماً عناصر موجود در نمونه را از حالت جامد تبخیر کند و خطوط طیفی مشخصه را در حالت هیجان زده ساطع کند. هر عنصر دارای یک خط انتشار منحصر به فرد است و شدت آن متناسب با محتوای عنصر در نمونه است. با اندازه گیری شدت این خطوط طیفی مشخصه ، محتوای هر عنصر در نمونه قابل تعیین است. این روش عمدتاً برای تجزیه و تحلیل ترکیب فلزات و آلیاژها ، به ویژه در متالورژی ، پردازش فلز ، علوم مواد و سایر زمینه ها استفاده می شود.

این روشها به طور گسترده در آزمایشگاه و صنعت برای تجزیه و تحلیل کمی و کنترل کیفیت اسکاندیوم مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب روش مناسب به عواملی مانند نوع نمونه ، حد مورد نیاز تشخیص و دقت تشخیص بستگی دارد.

کاربرد خاص روش جذب اتمی اسکاندیم

در اندازه گیری عنصر ، طیف سنجی جذب اتمی از دقت و حساسیت بالایی برخوردار است و وسیله ای مؤثر برای مطالعه خواص شیمیایی ، ترکیب ترکیب و محتوای عناصر فراهم می کند.

در مرحله بعد ، ما برای اندازه گیری محتوای عنصر آهن از طیف سنجی جذب اتمی استفاده خواهیم کرد.

مراحل خاص به شرح زیر است:

نمونه را برای آزمایش آماده کنید. برای تهیه محلول نمونه ای که باید اندازه گیری شود ، به طور کلی استفاده از اسید مخلوط برای هضم به منظور تسهیل اندازه گیری های بعدی لازم است.

یک طیف سنج جذب اتمی مناسب را انتخاب کنید. یک طیف سنج جذب اتمی مناسب را بر اساس خواص نمونه مورد آزمایش و دامنه محتوای اسکاندیوم برای اندازه گیری انتخاب کنید. پارامترهای طیف سنج جذب اتمی را تنظیم کنید. پارامترهای طیف سنج جذب اتمی ، از جمله منبع نور ، اتمیزر ، ردیاب و غیره را بر اساس عنصر آزمایش شده و مدل ابزار تنظیم کنید.

میزان جذب عنصر اسکاندیوم را اندازه گیری کنید. نمونه را قرار دهید تا در یک اتمیزر آزمایش شود و تابش نور از طول موج خاص را از طریق یک منبع نور ساطع کنید. عنصر اسکاندیوم مورد آزمایش ، این تابش نور را جذب می کند و تحت انتقال سطح انرژی قرار می گیرد. میزان جذب عنصر اسکاندیوم را از طریق یک ردیاب اندازه گیری کنید.

محتوای عنصر اسکاندیوم را محاسبه کنید. محتوای عنصر اسکاندیوم را بر اساس جذب و منحنی استاندارد محاسبه کنید.

در کار واقعی ، لازم است روش های اندازه گیری مناسب را با توجه به نیازهای خاص سایت انتخاب کنید. این روشها به طور گسترده ای در تجزیه و تحلیل و تشخیص آهن در آزمایشگاه ها و صنایع مورد استفاده قرار می گیرد.
در پایان مقدمه جامع ما در مورد اسکاندیوم ، امیدواریم که خوانندگان بتوانند درک و دانش عمیق تری از این عنصر شگفت انگیز داشته باشند. اسکاندیم ، به عنوان یک عنصر مهم در جدول تناوبی ، نه تنها نقش اساسی در حوزه علم دارد ، بلکه طیف گسترده ای از برنامه ها را در زندگی روزمره و سایر زمینه ها نیز دارد.
با مطالعه خواص ، کاربردها ، فرآیند کشف و کاربرد اسکاندیم در علم و فناوری مدرن ، می توان جذابیت و پتانسیل منحصر به فرد این عنصر را مشاهده کرد. از مواد هوافضا گرفته تا فناوری باتری ، از پتروشیمی گرفته تا تجهیزات پزشکی ، اسکاندیم نقش اساسی دارد.
البته ، ما همچنین باید بدانیم که در حالی که اسکاندیوم به زندگی ما راحتی می بخشد ، خطرات بالقوه ای نیز دارد. بنابراین ، در حالی که ما باید از مزایای اسکاندیم لذت ببریم ، برای جلوگیری از مشکلات احتمالی نیز باید به استفاده معقول و کاربردهای استاندارد توجه کنیم. Scandium عنصری است که شایسته مطالعه و درک عمیق ما است. در توسعه آینده علم و فناوری ، ما انتظار داریم که اسکاندیم مزایای منحصر به فرد خود را در زمینه های بیشتر بازی کند و راحتی و شگفتی های بیشتری را برای زندگی ما به ارمغان آورد.