מהו סקנדיום ושיטות הבדיקה הנפוצות שלו

21 סקנדיום ושיטות הבדיקה הנפוצות שלו

ברוך הבא לעולם זה של אלמנטים מלאי מסתורין וקסם. היום נחקור אלמנט מיוחד יחד -סקנדיוםו למרות שייתכן כי אלמנט זה אינו נפוץ בחיי היומיום שלנו, הוא ממלא תפקיד חשוב במדע ובתעשייה.

סקנדיום, אלמנט נפלא זה, יש הרבה מאפיינים מדהימים. זה חבר במשפחת אלמנט האדמה הנדיר. כמו אחריסודות אדמה נדירים, המבנה האטומי של הסקנדיום מלא במסתורין. מבנים אטומיים ייחודיים אלה הם שהופכים את הסקנדיום למלא תפקיד בלתי ניתן להחלפה בפיזיקה, כימיה ומדע חומרים.

גילוי הסקנדיום מלא בפיתולים ופניות ותלאות. זה התחיל בשנת 1841, כאשר הכימאי השבדי LFNILSON (1840 ~ 1899) קיווה להפריד אלמנטים אחרים לטיהורארביוםאדמה תוך כדי לימוד מתכות קלות. לאחר 13 פעמים של פירוק חלקי של חנקות, הוא סוף סוף השיג 3.5 גרם טהורytterbiumכַּדוּר הָאָרֶץ. עם זאת, הוא מצא כי המשקל האטומי של האטרביום שהשיג לא תואם את המשקל האטומי של ytterbium שניתן לפני מלינאק לפני כן. נלסון החריף העיניים הבין שיש בו איזה אלמנט קל משקל. אז הוא המשיך לעבד את ytterbium שהוא השיג באותו תהליך. לבסוף, כאשר נותר רק עשירית מהמדגם, המשקל האטומי המדוד ירד ל 167.46. תוצאה זו קרובה למשקל האטומי של yttrium, ולכן נלסון כינה אותה "סקנדיום".

למרות שנלסון גילה סקנדיום, הוא לא משך תשומת לב רבה מהקהילה המדעית בגלל נדירותה וקושי בהפרדה. רק בסוף המאה ה -19, כאשר המחקר על יסודות כדור הארץ נדירים הפך למגמה, הסקנדיום התגלה מחדש ונחקר.

אז בואו נצא למסע זה של חקר הסקנדיום, לחשוף את התעלומה שלו ולהבין את האלמנט הרגיל לכאורה אך למעשה מקסים.

שדות יישום של סקנדיום
סמל הסקנדיום הוא SC, והמספר האטומי שלו הוא 21. האלמנט הוא מתכת מעבר רכה, כסוף-לבן. למרות שסקנדיום אינו מרכיב נפוץ בקרום כדור הארץ, יש לו שדות יישום חשובים רבים, בעיקר בהיבטים הבאים:

1. ענף התעופה והחלל: אלומיניום סקנדיום הוא סגסוגת קל משקל, המשמשת במבני מטוסים, חלקי מנוע וייצור טילים בתעשיית התעופה האווירית. תוספת של סקנדיום יכולה לשפר את חוזק ועמידות הקורוזיה של הסגסוגת תוך הפחתת צפיפות הסגסוגת, מה שהופך את ציוד האווירי והחלל לקל יותר ועמיד יותר.
2. אופניים וציוד ספורט:אלומיניום סקנדיוםמשמש גם לייצור אופניים, מועדוני גולף וציוד ספורט אחר. בגלל כוחו וקלילותו המצוינים,סגסוגת סקנדיוםיכול לשפר את הביצועים של ציוד הספורט, להפחית משקל ולהגדיל את עמידות החומר.
3. ענף תאורה:סקנדיום יודמשמש כמילוי במנורות קסנון בעוצמה גבוהה. נורות כאלה משמשות בצילום, עשיית קולנוע, תאורת במה וציוד רפואי מכיוון שמאפייני הספקטרום שלהם קרובים מאוד לאור שמש טבעי.
4 תאי דלק:אלומיניום סקנדיוםכמו כן מוצא יישום בתאי דלק תחמוצת מוצקים (SOFCs). בסוללות אלה,סגסוגת סקנדיום-אלומיניוםמשמש כחומר אנודה, בעל מוליכות ויציבות גבוהים, ומסייע בשיפור היעילות והביצועים של תאי דלק.
5. מחקר מדעי: סקנדיום משמש כחומר גלאי במחקר מדעי. בניסויים בפיזיקה גרעינית ומאיץ חלקיקים, גבישי צמצום סקנדיום משמשים לגילוי קרינה וחלקיקים.
6. יישומים אחרים: סקנדיום משמש גם כמוליך-על בטמפרטורה גבוהה ובכמה סגסוגות מיוחדות לשיפור תכונות הסגסוגת. בשל הביצועים המעולים של סקנדיום בתהליך האנודיזציה, הוא משמש גם לייצור חומרי אלקטרודה לסוללות ליתיום ומכשירים אלקטרוניים אחרים.

חשוב לציין שלמרות היישומים הרבים שלה, הייצור והשימוש של סקנדיום מוגבלים ויקרים יחסית בגלל המחסור היחסי שלו, ולכן יש לקחת בחשבון בזהירות את עלותו וחלופותיו בעת השימוש בו.

תכונות פיזיקליות של אלמנט הסקנדיום

1. מבנה אטומי: גרעין הסקנדיום מורכב מ 21 פרוטונים ומכיל בדרך כלל 20 נויטרונים. לפיכך, משקלו האטומי הסטנדרטי (מסה אטומית יחסית) הוא בערך 44.955908. מבחינת המבנה האטומי, תצורת האלקטרונים של הסקנדיום היא 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P⁶ 3D¹ 4S².
2. מצב פיזי: הסקנדיום מוצק בטמפרטורת החדר ובעל מראה לבן כסוף. מצבו הפיזי יכול להשתנות בהתאם לשינויים בטמפרטורה ולחץ.
3. צפיפות: צפיפות הסקנדיום היא בערך 2.989 גרם/ס"מ 3. צפיפות נמוכה יחסית זו הופכת אותו למתכת קלה.
4 נקודת התכה: נקודת ההיתוך של הסקנדיום היא בערך 1541 מעלות צלזיוס (2806 מעלות פרנהייט), מה שמצביע על כך שיש לה נקודת התכה גבוהה יחסית. 5. נקודת רתיחה: לסקנדיום נקודת רתיחה של כ 2836 מעלות צלזיוס (5137 מעלות פרנהייט), מה שאומר שהוא דורש טמפרטורות גבוהות להתאדות.
6. מוליכות חשמלית: סקנדיום הוא מוליך טוב של חשמל, עם מוליכות חשמלית סבירה. אמנם לא טוב כמו חומרים מוליכים נפוצים כמו נחושת או אלומיניום, אך הוא עדיין שימושי ביישומים מיוחדים מסוימים, כמו תאים אלקטרוליטיים ויישומים אוויריים.
7. מוליכות תרמית: לסקנדיום מוליכות תרמית גבוהה יחסית, מה שהופך אותו למוליך תרמי טוב בטמפרטורות גבוהות. זה שימושי בכמה יישומים בטמפרטורה גבוהה.
8. מבנה גביש: לסקנדיום יש מבנה קריסטל ארוז משושה, מה שאומר שהאטומים שלו ארוזים למשושים ארוזים קרובים בקריסטל.
9. מגנטיות: הסקנדיום הוא דיאגני בטמפרטורת החדר, כלומר הוא אינו נמשך או נדחה על ידי שדות מגנטיים. התנהגותו המגנטית קשורה למבנה האלקטרוני שלה.
10. רדיואקטיביות: כל האיזוטופים היציבים של הסקנדיום אינם רדיואקטיביים, ולכן זהו אלמנט שאינו רדיואקטיבי.

סקנדיום הוא מתכת קלה יחסית ונקודה גבוהה להפיכה עם מספר יישומים מיוחדים, במיוחד בתעשיית התעופה והחלל ומדע החומרים. למרות שהוא לא נמצא בדרך כלל בטבע, תכונותיו הפיזיות הופכות אותו לשימושי באופן ייחודי במספר תחומים.

תכונות כימיות של סקנדיום

סקנדיום הוא אלמנט מתכת מעבר.
1. מבנה אטומי: המבנה האטומי של סקנדיום מורכב מ 21 פרוטונים ובדרך כלל כ 20 נויטרונים. תצורת האלקטרונים שלה היא 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P⁶ 3D¹ 4S², מה שמצביע על כך שיש לו מסלול אחד שלא היה ממולא.
2. סמל כימי ומספר אטומי: הסמל הכימי של סקנדיום הוא SC, והמספר האטומי שלו הוא 21.
3. אלקטרונגיטיביות: לסקנדיום יש אלקטרוני -גיביות נמוכה יחסית של כ- 1.36 (על פי האלקטרונגטיביות של פול). המשמעות היא שהיא נוטה לאבד אלקטרונים ליצירת יונים חיוביים.
4. מצב חמצון: סקנדיום קיים בדרך כלל במצב החמצון +3, מה שאומר שהוא איבד שלושה אלקטרונים ליצירת יון SC -⁺. זהו מצב החמצון הנפוץ ביותר שלו. למרות ש- SC²⁺ ו- SC⁴⁺ אפשריים גם הם, הם פחות יציבים ופחות נפוצים.
5. תרכובות: סקנדיום יוצר בעיקר תרכובות עם אלמנטים כמו חמצן, גופרית, חנקן ומימן. כמה תרכובות סקנדיום נפוצות כוללותתחמוצת סקנדיום (SC2O3) והלידות סקנדיום (כגוןסקנדיום כלוריד, SCCL3).
6. תגובתיות: סקנדיום הוא מתכת תגובית יחסית, אך היא מתחמצנת במהירות באוויר ויוצרת סרט תחמוצת של תחמוצת הסקנדיום, המונעת תגובות חמצון נוספות. זה גם הופך את הסקנדיום ליציב יחסית ובעל עמידות בפני קורוזיה.
7. מסיסות: הסקנדיום מתמוסס לאט ברוב החומצות, אך מתמוסס ביתר קלות בתנאים אלקליין. הוא אינו מסיס במים מכיוון שסרט תחמוצתו מונע תגובות נוספות עם מולקולות מים.

8. תכונות כימיות דמויי lanthanide: התכונות הכימיות של סקנדיום דומות לאלה של סדרת Lanthanide (Lanthanum, גאדוליניום, Neodymiumוכו '), כך שלעתים הוא מסווג כאלמנט דמוי לנטניד. דמיון זה בא לידי ביטוי בעיקר ברדיוס היוני, בתכונות מורכבות ובתגובה מסוימת.
9. איזוטופים: לסקנדיום יש איזוטופים מרובים שרק חלקם יציבים. האיזוטופ היציב ביותר הוא SC-45, שיש לו מחצית חיים ארוכה ואינו רדיואקטיבי.

סקנדיום הוא מרכיב נדיר יחסית, אך בשל חלק מהתכונות הכימיות והפיזיות הייחודיות שלו, הוא ממלא תפקיד חשוב במספר תחומי יישום, במיוחד בתעשיית התעופה והחלל, מדעי החומרים וכמה יישומי היי-טק.

תכונות ביולוגיות של סקנדיום

סקנדיום אינו מרכיב נפוץ בטבע. לכן אין לה תכונות ביולוגיות באורגניזמים. תכונות ביולוגיות כוללות בדרך כלל את הפעילות הביולוגית, ספיגה ביולוגית, מטבוליזם והשפעות של יסודות על אורגניזמים חיים. מכיוון שסקנדיום אינו אלמנט חיוני לכל החיים, לא לאורגניזמים ידועים אין צורך או שימוש ביולוגי לסקנדיום.
השפעת הסקנדיום על אורגניזמים קשורה בעיקר לרדיואקטיביות שלה. יש איזוטופים של סקנדיום הם רדיואקטיביים, כך שאם גוף האדם או אורגניזמים אחרים נחשפים לסקנדיום רדיואקטיבי, זה עלול לגרום לחשיפה לקרינה מסוכנת. מצב זה מתרחש בדרך כלל במצבים ספציפיים כמו מחקר מדעי גרעיני, רדיותרפיה או תאונות גרעיניות.
סקנדיום אינו מתקשר באופן מועיל עם אורגניזמים ויש סכנת קרינה. לכן זה לא מרכיב חשוב באורגניזמים.

סקנדיום הוא מרכיב כימי נדיר יחסית, והתפלגותו באופיו מוגבלת יחסית. להלן מבוא מפורט לחלוקת הסקנדיום בטבע:

1. תוכן בטבע: סקנדיום קיים בכמויות קטנות יחסית בקרום כדור הארץ. התוכן הממוצע בקרום כדור הארץ הוא בערך 0.0026 מ"ג/ק"ג (או 2.6 חלקים למיליון). זה הופך את הסקנדיום לאחד היסודות הנדירים יותר בקרום כדור הארץ.

2. גילוי במינרלים: למרות תוכנו המוגבל, ניתן למצוא סקנדיום במינרלים מסוימים, בעיקר בצורה של תחמוצות או סיליקטים. כמה מינרלים המכילים סקנדיום כוללים את הסקנדיאניט והדולומיט.

3. מיצוי סקנדיום: בשל התפלגותו המוגבלת באופיו, קשה יחסית לחלץ סקנדיום טהור. בדרך כלל, סקנדיום מתקבל כתוצר לוואי של תהליך התכת האלומיניום, כפי שהוא מתרחש עם אלומיניום בבוקסיט.

פצה גיאוגרפית 4: הסקנדיום מופץ ברחבי העולם, אך לא באופן שווה. במדינות מסוימות כמו סין, רוסיה, נורבגיה, שוודיה וברזיל יש מרבצי סקריום עשירים, ואילו אזורים אחרים לעיתים רחוקות יש אותם.

למרות שלסקנדיום יש תפוצה מוגבלת בטבע, היא ממלאת תפקיד חשוב בכמה יישומים היי-טק ותעשייה, כך שלה

מיצוי והתכה של אלמנט הסקנדיום

סקנדיום הוא אלמנט מתכת נדיר, ותהליכי הכרייה והמיצוי שלו מורכבים למדי. להלן מבוא מפורט לתהליך הכרייה והמיצוי של אלמנט הסקנדיום:

1. מיצוי סקנדיום: סקנדיום אינו קיים בצורתו היסודית, אלא בדרך כלל קיים בכמויות עקבות בעפרות. עפרות הסקנדיום העיקריות כוללות עפרות סקנדיום ונדיום, עפרות זירקון ועפרות yttrium. תכולת הסקנדיום בעפרות אלה נמוכה יחסית.

תהליך חילוץ הסקנדיום כרוך בדרך כלל בשלבים הבאים:

א. כרייה: חפירת עפרות המכילות סקנדיום.

ב. ריסוק ועיבוד עפרות: ריסוק ועיבוד עפרות כדי להפריד בין עפרות שימושיות לסלעי פסולת.

ג. הנפקה: בתהליך ההנפקה, עפרות המכילות סקנדיום מופרדים מזיהומים אחרים.

ד. פירוק והפחתה: הסקנדיום הידרוקסיד מומס בדרך כלל ואז מופחת לסקנדיום מתכתי על ידי חומר מפחית (בדרך כלל אלומיניום).

ה. מיצוי אלקטרוליטי: הסקנדיום המופחת מופק באמצעות תהליך אלקטרוליטי להשגת טווח גבוהמתכת סקנדיום.

3. זיקוק הסקנדיום: באמצעות תהליכי פירוק והתגבשות מרובים, ניתן לשפר עוד יותר את טוהר הסקנדיום. שיטה נפוצה היא להפריד ולהתגבש תרכובות סקאנדיום באמצעות תהליכי כלור או פחמימות כדי להשיגסקאנדיום בעל טוהר גבוהו

יש לציין כי בשל מחסור הסקנדיום, תהליכי המיצוי והעידון דורשים הנדסה כימית מדויקת ביותר, ובדרך כלל מייצרים כמות משמעותית של פסולת ותוצרי לוואי. לפיכך, כרייה ומיצוי של אלמנט הסקנדיום הוא פרויקט מורכב ויקר, בדרך כלל בשילוב תהליך הכרייה והמיצוי של אלמנטים אחרים כדי לשפר את היעילות הכלכלית.

שיטות גילוי של סקנדיום
1. ספקטרומטריית ספיגה אטומית (AAS): ספקטרומטריית ספיגה אטומית היא שיטת ניתוח כמותית נפוצה המשתמשת בספקטרום ספיגה באורכי גל ספציפיים כדי לקבוע את ריכוז הסקנדיום במדגם. זה מרסן את הדגימה שיש לבחון בלהבה ואז מודד את עוצמת הספיגה של הסקנדיום במדגם דרך ספקטרומטר. שיטה זו מתאימה לגילוי ריכוזי עקבות של סקנדיום.
2. ספקטרומטריית פליטה אופטית של פלזמה משולבת באופן אינדוקטיבי (ICP-OES): ספקטרומטריה של פליטה אופטית משולבת באופן אינדוקטיבי היא שיטה אנליטית רגישה וסלקטיבית ביותר הנמצאת בשימוש נרחב בניתוח רב-אלדונים. זה מרסן את הדגימה ויוצר פלזמה, וקובע את אורך הגל הספציפי ועוצמת פליטת הסקנדיום בספקטרומטר.
3. ספקטרומטריית מסת פלזמה משולבת באופן אינדוקטיבי (ICP-MS): ספקטרומטריה של מסה פלזמה משולבת באופן אינדוקטיבי היא שיטה אנליטית רגישה ורזולוציה גבוהה שניתן להשתמש בהן לקביעת יחס איזוטופ וניתוח אלמנטים עקבים. זה מרסן את הדגימה ויוצר פלזמה, וקובע את יחס המסה-לטעינה של הסקנדיום בספקטרומטר המוני. 4. ספקטרומטריית פלואורסצנט רנטגן (XRF): ספקטרומטריית הקרינה של רנטגן משתמשת בספקטרום הקרינה שנוצר לאחר שהדגימה מתרגשת מצילומי רנטגן כדי לנתח את תוכן האלמנטים. זה יכול לקבוע במהירות ולא בהרס את תוכן הסקנדיום במדגם.
5. ספקטרומטריית קריאה ישירה: הידועה גם בשם ספקטרומטריית קריאה ישירה פוטו -אלקטרונית, זוהי טכניקה אנליטית המשמשת לניתוח תוכן האלמנטים במדגם. ספקטרומטריית קריאה יוונית מבוססת על העיקרון של ספקטרומטריית הפליטה האטומית. הוא משתמש בניצוצות או קשתות חשמליות בטמפרטורה גבוהה כדי לאדות ישירות את האלמנטים במדגם מהמצב המוצק ולפלט קווים ספקטרליים מאפיינים במצב הנרגש. לכל אלמנט יש קו פליטה ייחודי, ועוצמתו פרופורציונלית לתוכן האלמנט במדגם. על ידי מדידת עוצמת הקווים הספקטרליים האופייניים הללו, ניתן לקבוע את התוכן של כל אלמנט במדגם. שיטה זו משמשת בעיקר לניתוח הקומפוזיציה של מתכות וסגסוגות, במיוחד במתכות, עיבוד מתכות, מדעי חומרים ותחומים אחרים.

שיטות אלה נמצאות בשימוש נרחב במעבדה ובתעשייה לצורך ניתוח כמותי ובקרת איכות של סקנדיום. בחירת השיטה המתאימה תלויה בגורמים כמו סוג מדגם, מגבלת גילוי נדרשת ודיוק גילוי.

יישום ספציפי של שיטת ספיגת אטום סקנדיום

במדידת אלמנטים, בספקטרוסקופיה של ספיגת אטומית יש דיוק ורגישות גבוהה, ומספקת אמצעי יעיל ללימוד התכונות הכימיות, ההרכב המורכב ותוכן האלמנטים.

בשלב הבא נשתמש בספקטרוסקופיית ספיגה אטומית כדי למדוד את תוכן אלמנט הברזל.

הצעדים הספציפיים הם כדלקמן:

הכן את הדגימה לבדיקה. כדי להכין פיתרון של הדגימה שיש למדוד, בדרך כלל יש צורך להשתמש בחומצה מעורבת לעיכול על מנת להקל על המדידות הבאות.

בחר ספקטרומטר ספיגה אטומי מתאים. בחר ספקטרומטר ספיגה אטומי מתאים על בסיס המאפיינים של הדגימה שיש לבחון וטווח תוכן הסקנדיום שיש למדוד. התאם את הפרמטרים של ספקטרומטר הקליטה האטומי. התאם את הפרמטרים של ספקטרומטר הקליטה האטומי, כולל מקור האור, מרסס, גלאי וכו ', המבוסס על האלמנט שנבדק ומודל המכשירים.

מדוד את הקליטה של ​​אלמנט הסקנדיום. הניחו את הדגימה לבדיקה למרסס ופלוט קרינת אור באורך גל ספציפי דרך מקור אור. אלמנט הסקנדיום שייבדק יספוג קרינת אור זו ויעבור מעברים ברמת האנרגיה. מדוד את הספיגה של אלמנט הסקנדיום דרך גלאי.

חשב את התוכן של אלמנט הסקנדיום. חשב את התוכן של אלמנט הסקנדיום על בסיס ספיגה ועקומה סטנדרטית.

בעבודה בפועל יש צורך לבחור בשיטות מדידה מתאימות בהתאם לצרכים הספציפיים של האתר. שיטות אלה נמצאות בשימוש נרחב בניתוח וגילוי של ברזל במעבדות ותעשיות.
בסוף ההיכרות המקיפה שלנו עם סקנדיום, אנו מקווים כי לקוראים יוכלו להיות הבנה וידע עמוק יותר של האלמנט הנפלא הזה. סקנדיום, כמרכיב חשוב בטבלה המחזורית, לא רק ממלא תפקיד מפתח בתחום המדע, אלא יש גם מגוון רחב של יישומים בחיי היומיום ותחומים אחרים.
על ידי לימוד המאפיינים, השימושים, תהליך הגילוי ויישום הסקנדיום במדע וטכנולוגיה מודרניים, אנו יכולים לראות את הקסם והפוטנציאל הייחודי של אלמנט זה. מחומרי תעופה וחלל ועד טכנולוגיית סוללות, מפטרוכימיה ועד ציוד רפואי, סקנדיום ממלא תפקיד מפתח.
כמובן שעלינו להבין כי בעוד שסקנדיום מביא נוחות לחיינו, יש לזה גם כמה סיכונים פוטנציאליים. לכן, למרות שאנחנו צריכים ליהנות מהיתרונות של הסקנדיום, עלינו לשים לב גם לשימוש סביר ויישום סטנדרטי כדי להימנע מבעיות אפשריות. בפיתוח עתידי של מדע וטכנולוגיה אנו מצפים שסקנדיום ישחק את היתרונות הייחודיים שלו בתחומים רבים יותר ויביא יותר נוחות והפתעות לחיינו.