21 Scandium na mbinu zake za kupima zinazotumika sana
Karibu katika ulimwengu huu wa vipengele vilivyojaa siri na haiba. Leo, tutachunguza kipengele maalum pamoja -scandium. Ingawa kipengele hiki hakiwezi kuwa cha kawaida katika maisha yetu ya kila siku, kina jukumu muhimu katika sayansi na tasnia.
Scandium, kipengele hiki cha ajabu, kina mali nyingi za kushangaza. Ni mwanachama wa familia ya elementi adimu ya dunia. Kama nyinginevipengele adimu vya ardhi, muundo wa atomiki wa scandium umejaa siri. Ni miundo hii ya kipekee ya atomiki ambayo hufanya scandium kuchukua jukumu lisiloweza kutengezwa upya katika fizikia, kemia na sayansi ya nyenzo.
Ugunduzi wa scandium umejaa misukosuko na ugumu. Ilianza mnamo 1841, wakati duka la dawa la Uswidi LFNilson (1840-1899) alitarajia kutenganisha vitu vingine kutoka kwa vitu vilivyotakaswa.erbiumardhi wakati wa kusoma madini nyepesi. Baada ya mara 13 ya mtengano wa sehemu ya nitrati, hatimaye alipata 3.5g ya safiytterbiumardhi. Hata hivyo, aligundua kuwa uzito wa atomiki wa ytterbium aliopata haukulingana na uzito wa atomiki wa ytterbium uliotolewa na Malinac hapo awali. Nelson mwenye macho makali aligundua kuwa kunaweza kuwa na kitu chepesi ndani yake. Kwa hivyo aliendelea kuchakata ytterbium aliyoipata kwa utaratibu huo huo. Hatimaye, wakati sehemu moja tu ya kumi ya sampuli ilisalia, uzito wa atomiki uliopimwa ulishuka hadi 167.46. Matokeo haya yanakaribia uzani wa atomiki wa yttrium, kwa hivyo Nelson aliiita "Scandium".
Ingawa Nelson alikuwa amegundua kashfa, haikuvutia umakini mkubwa kutoka kwa jamii ya wanasayansi kutokana na uhaba wake na ugumu wa kujitenga. Haikuwa hadi mwishoni mwa karne ya 19, wakati utafiti kuhusu vipengele vya dunia adimu ulipoenea, ndipo kashfa hiyo iligunduliwa upya na kuchunguzwa.
Kwa hivyo, wacha tuanze safari hii ya kuchunguza kashfa, ili kufichua siri yake na kuelewa kipengele hiki kinachoonekana kuwa cha kawaida lakini cha kupendeza.
Maeneo ya maombi ya scandium
Ishara ya scandium ni Sc, na nambari yake ya atomiki ni 21. Kipengele ni chuma cha mpito cha laini, cha fedha-nyeupe. Ingawa scandium sio kitu cha kawaida katika ukoko wa dunia, ina sehemu nyingi muhimu za matumizi, haswa katika nyanja zifuatazo:
1. Sekta ya Anga: Alumini ya Scandium ni aloi nyepesi, yenye nguvu ya juu inayotumika katika miundo ya ndege, sehemu za injini, na utengenezaji wa makombora katika tasnia ya anga. Kuongezewa kwa scandium kunaweza kuboresha nguvu na upinzani wa kutu wa alloy wakati kupunguza wiani wa alloy, na kufanya vifaa vya anga kuwa nyepesi na kudumu zaidi.
2. Baiskeli na Vifaa vya Michezo:Alumini ya Scandiumpia hutumika kutengeneza baiskeli, vilabu vya gofu, na vifaa vingine vya michezo. Kwa sababu ya nguvu zake bora na wepesi,aloi ya scandiuminaweza kuboresha utendaji wa vifaa vya michezo, kupunguza uzito, na kuongeza uimara wa nyenzo.
3. Tasnia ya Taa:Iodidi ya Scandiumhutumika kama kichungi katika taa za xenon zenye nguvu nyingi. Balbu kama hizo hutumiwa katika upigaji picha, utengenezaji wa filamu, taa za jukwaa, na vifaa vya matibabu kwa sababu sifa zao za spectral ziko karibu sana na jua asilia.
4. Seli za mafuta:Alumini ya Scandiumpia hupata matumizi katika seli za mafuta ya oksidi dhabiti (SOFCs). Katika betri hizi,aloi ya alumini ya scandiumhutumika kama nyenzo ya anode, ambayo ina conductivity ya juu na utulivu, kusaidia kuboresha ufanisi na utendaji wa seli za mafuta.
5. Utafiti wa kisayansi: Scandium hutumiwa kama nyenzo ya kugundua katika utafiti wa kisayansi. Katika majaribio ya fizikia ya nyuklia na viongeza kasi vya chembe, fuwele za scintillation za scandium hutumiwa kugundua mionzi na chembe.
6. Maombi mengine: Scandium pia hutumiwa kama kiboreshaji cha halijoto ya juu na katika aloi zingine maalum ili kuboresha sifa za aloi. Kutokana na utendaji bora wa scandium katika mchakato wa anodizing, pia hutumiwa katika uzalishaji wa vifaa vya electrode kwa betri za lithiamu na vifaa vingine vya elektroniki.
Ni muhimu kutambua kwamba licha ya matumizi yake mengi, uzalishaji na matumizi ya scandium ni mdogo na ni ghali kutokana na uhaba wake, hivyo gharama zake na njia mbadala zinapaswa kuzingatiwa kwa makini wakati wa kutumia.
Sifa za Kimwili za Kipengele cha Scandium
1. Muundo wa Atomiki: Kiini cha scandium kina protoni 21 na kwa kawaida huwa na nyutroni 20. Kwa hivyo, uzani wake wa kawaida wa atomiki (misa ya atomiki ya jamaa) ni karibu 44.955908. Kwa mujibu wa muundo wa atomiki, usanidi wa elektroni wa scandium ni 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Hali ya Kimwili: Scandium ni imara kwenye joto la kawaida na ina mwonekano wa silvery-nyeupe. Hali yake ya kimwili inaweza kubadilika kulingana na mabadiliko ya joto na shinikizo.
3. Uzito: Msongamano wa scandium ni takriban 2.989 g/cm3. Uzito huu wa chini huifanya kuwa chuma chepesi.
4. Kiwango Myeyuko: Kiwango myeyuko cha scandium ni takriban nyuzi joto 1541 (digrii 2806 Fahrenheit), ambayo inaonyesha kwamba ina kiwango cha juu cha myeyuko. 5. Kiwango cha Kuchemka: Scandium ina kiwango cha kuchemka cha takriban nyuzi 2836 (nyuzi nyuzi 5137 Selsiasi), ambayo ina maana kwamba inahitaji halijoto ya juu ili kuyeyuka.
6. Uendeshaji wa Umeme: Scandium ni kondakta mzuri wa umeme, na conductivity nzuri ya umeme. Ingawa si nzuri kama nyenzo za kawaida za upitishaji kama vile shaba au alumini, bado ni muhimu katika baadhi ya programu maalum, kama vile seli za kielektroniki na programu za angani.
7. Uendeshaji wa joto: Scandium ina conductivity ya juu ya mafuta, na kuifanya kuwa kondakta mzuri wa joto kwenye joto la juu. Hii ni muhimu katika programu zingine za halijoto ya juu.
8. Muundo wa Kioo: Scandium ina muundo wa fuwele ulio karibu wa hexagonal, ambayo ina maana kwamba atomi zake zimepakiwa kwenye hexagoni zilizojaa karibu kwenye fuwele.
9. Sumaku: Scandium ni ya diamagnetic kwenye joto la kawaida, kumaanisha kuwa haivutiwi au kuzuiwa na uga wa sumaku. Tabia yake ya sumaku inahusiana na muundo wake wa elektroniki.
10. Mionzi: Isotopu zote thabiti za scandium hazina mionzi, kwa hivyo ni kipengele kisicho na mionzi.
Scandium ni metali nyepesi kiasi, yenye kiwango cha juu myeyuko na matumizi kadhaa maalum, hasa katika tasnia ya anga na sayansi ya nyenzo. Ingawa haipatikani kwa kawaida katika asili, sifa zake za kimwili hufanya iwe muhimu kipekee katika maeneo kadhaa.
Kemikali mali ya scandium
Scandium ni kipengele cha mpito cha chuma.
1. Muundo wa atomiki: Muundo wa atomiki wa Scandium una protoni 21 na kwa kawaida kuhusu nyutroni 20. Usanidi wake wa elektroni ni 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², ikionyesha kuwa ina obiti moja ya d isiyojazwa.
2. Alama ya kemikali na nambari ya atomiki: Alama ya kemikali ya Scandium ni Sc, na nambari yake ya atomiki ni 21.
3. Electronegativity: Scandium ina elektronegativity ya chini kiasi ya 1.36 (kulingana na Paul electronegativity). Hii ina maana kwamba inaelekea kupoteza elektroni kuunda ioni chanya.
4. Hali ya oksidi: Scandium kawaida huwa katika hali ya +3 ya oksidi, kumaanisha kuwa imepoteza elektroni tatu kuunda ioni ya Sc³⁺. Hii ndiyo hali yake ya kawaida ya oxidation. Ingawa Sc²⁺ na Sc⁴⁺ pia zinawezekana, hazina uthabiti na hazitumiki sana.
5. Michanganyiko: Scandium huunda misombo yenye vipengele kama vile oksijeni, salfa, naitrojeni, na hidrojeni. Baadhi ya misombo ya kawaida ya scandium ni pamoja naoksidi ya scandium (Sc2O3) na halidi za scandium (kama vilekloridi ya scandium, ScCl3).
6. Utendaji tena: Scandium ni metali tendaji kiasi, lakini huoksidishwa kwa haraka hewani, na kutengeneza filamu ya oksidi ya oksidi ya skandiamu, ambayo huzuia athari zaidi za oksidi. Hii pia hufanya scandium kuwa thabiti na ina upinzani wa kutu.
7. Umumunyifu: Scandium huyeyuka polepole katika asidi nyingi, lakini huyeyuka kwa urahisi chini ya hali ya alkali. Haiwezekani katika maji kwa sababu filamu yake ya oksidi inazuia athari zaidi na molekuli za maji.
8. Sifa za kemikali zinazofanana na Lanthanide: Sifa za kemikali za Scandium ni sawa na zile za mfululizo wa lanthanide (lanthanum, gadolinium, neodymium, nk), kwa hivyo wakati mwingine huainishwa kama kipengele kinachofanana na lanthanide. Kufanana huku kunaonyeshwa hasa katika radius ya ioni, sifa za kiwanja na utendakazi fulani.
9. Isotopu: Scandium ina isotopu nyingi, ambazo ni baadhi tu ambazo ni imara. Isotopu imara zaidi ni Sc-45, ambayo ina nusu ya maisha ya muda mrefu na haina mionzi.
Scandium ni kipengele cha nadra, lakini kutokana na baadhi ya mali yake ya kipekee ya kemikali na kimwili, ina jukumu muhimu katika maeneo kadhaa ya maombi, hasa katika sekta ya anga, sayansi ya vifaa na baadhi ya matumizi ya teknolojia ya juu.
Mali ya kibaolojia ya scandium
Scandium sio kipengele cha kawaida katika asili. Kwa hiyo, haina mali ya kibiolojia katika viumbe. Sifa za kibayolojia kawaida huhusisha shughuli za kibayolojia, unyonyaji wa kibayolojia, kimetaboliki na athari za vipengele kwenye viumbe hai. Kwa kuwa scandium si kipengele muhimu kwa maisha, hakuna viumbe vinavyojulikana vina hitaji la kibiolojia au matumizi kwa scandium.
Athari ya scandium juu ya viumbe ni hasa kuhusiana na radioactivity yake. Baadhi ya isotopu za scandium ni zenye mionzi, kwa hivyo ikiwa mwili wa binadamu au viumbe vingine vinaonekana kwenye scandium ya mionzi, inaweza kusababisha mfiduo hatari wa mionzi. Hali hii kwa kawaida hutokea katika hali maalum kama vile utafiti wa sayansi ya nyuklia, tiba ya radiotherapy au ajali za nyuklia.
Scandium haiingiliani kwa manufaa na viumbe na kuna hatari ya mionzi. Kwa hiyo, sio kipengele muhimu katika viumbe.
Scandium ni kipengele cha kemikali cha nadra, na usambazaji wake katika asili ni mdogo. Hapa kuna utangulizi wa kina wa usambazaji wa scandium katika asili:
1. Yaliyomo katika asili: Scandium inapatikana kwa kiasi kidogo katika ukoko wa Dunia. Kiwango cha wastani cha ukoko wa Dunia ni takriban 0.0026 mg/kg (au sehemu 2.6 kwa milioni). Hii inafanya scandium kuwa moja ya vipengele adimu katika ukoko wa Dunia.
2. Ugunduzi katika madini: Licha ya maudhui yake machache, scandium inaweza kupatikana katika madini fulani, hasa katika mfumo wa oksidi au silicates. Baadhi ya madini yenye scandium ni pamoja na scandianite na dolomite.
3. Uchimbaji wa scandium: Kwa sababu ya usambazaji wake mdogo katika asili, ni vigumu kutoa scandium safi. Kawaida, scandium hupatikana kama bidhaa ya mchakato wa kuyeyusha alumini, kwani hutokea kwa alumini katika bauxite.
4. Usambazaji wa kijiografia: Scandium inasambazwa duniani kote, lakini si sawasawa. Baadhi ya nchi kama vile Uchina, Urusi, Norway, Uswidi na Brazili zina amana nyingi za kashfa, wakati mikoa mingine huwa nazo mara chache.
Ingawa scandium ina usambazaji mdogo katika maumbile, ina jukumu muhimu katika matumizi ya teknolojia ya juu na ya viwandani, kwa hivyo
Uchimbaji na Uyeyushaji wa Kipengele cha Scandium
Scandium ni kipengele cha nadra cha chuma, na michakato yake ya uchimbaji na uchimbaji ni ngumu sana. Ufuatao ni utangulizi wa kina wa mchakato wa uchimbaji na uchimbaji wa kipengele cha scandium:
1. Uchimbaji wa scandium: Scandium haipo katika umbo lake la kimsingi katika asili, lakini kwa kawaida inapatikana kwa kiasi kidogo katika ores. Ore kuu za scandium ni pamoja na ore vanadium scandium, zircon ore, na ore yttrium. Maudhui ya scandium katika ore hizi ni duni.
Mchakato wa kuchimba scandium kawaida hujumuisha hatua zifuatazo:
a. Uchimbaji madini: kuchimba madini yenye scandium.
b. Kusagwa na kusindika ore: Kusagwa na kusindika ore ili kutenganisha madini muhimu na miamba taka.
c. Flotation: Kupitia mchakato wa kuelea, ores zenye scandium hutenganishwa na uchafu mwingine.
d. Kuyeyuka na Kupunguza: Hidroksidi ya Scandium kwa kawaida huyeyushwa na kisha kupunguzwa kuwa skandimu ya metali na wakala wa kupunguza (kwa kawaida alumini).
e. Uchimbaji wa kielektroniki: Scandium iliyopunguzwa hutolewa kupitia mchakato wa kielektroniki ili kupata usafi wa hali ya juuchuma cha scandium.
3. Usafishaji wa scandium: Kupitia michakato mingi ya kufutwa na fuwele, usafi wa scandium unaweza kuboreshwa zaidi. Njia ya kawaida ni kutenganisha na kuangaza misombo ya scandium kwa njia ya klorini au michakato ya kaboni ili kupatascandium ya usafi wa juu.
Ikumbukwe kwamba kutokana na uhaba wa scandium, taratibu za uchimbaji na kusafisha zinahitaji uhandisi wa kemikali sahihi sana, na kwa kawaida hutoa kiasi kikubwa cha taka na bidhaa. Kwa hiyo, uchimbaji wa madini na uchimbaji wa kipengele cha scandium ni mradi mgumu na wa gharama kubwa, kwa kawaida pamoja na mchakato wa madini na uchimbaji wa vipengele vingine ili kuboresha ufanisi wa kiuchumi.
Njia za kugundua scandium
1. Kipimo cha ufyonzaji wa atomiki (AAS): Maonyesho ya ufyonzaji wa atomiki ni mbinu ya uchanganuzi wa upimaji inayotumiwa sana ambayo hutumia mwonekano wa ufyonzaji katika urefu mahususi wa mawimbi ili kubaini mkusanyiko wa skadiamu katika sampuli. Huweka chembechembe za sampuli ili kujaribiwa katika mwali wa moto, na kisha hupima kasi ya ufyonzaji wa skadiamu kwenye sampuli kupitia spectrometa. Njia hii inafaa kwa ajili ya kugundua viwango vya ufuatiliaji wa scandium.
2. Vipimo vya uchanganuzi vilivyounganishwa kwa njia ya kufata (ICP-OES): Vipimo vya kuchambua vilivyounganishwa kwa njia ya kufata ni njia nyeti sana na ya uchanganuzi inayotumika sana katika uchanganuzi wa vipengele vingi. Hubadilisha sampuli atomize na kuunda plazima, na huamua urefu mahususi wa wimbi na ukubwa wa utoaji wa skendo katika spectrometa.
3. Vipimo vya plasma vilivyounganishwa kwa kufata (ICP-MS): Vipimo vya plasma vilivyounganishwa kwa kufata ni njia ya uchanganuzi ambayo ni nyeti sana na yenye azimio la juu ambayo inaweza kutumika kubainisha uwiano wa isotopu na ufuatiliaji wa vipengele. Huatomiza sampuli na kuunda plasma, na huamua uwiano wa wingi-kwa-chaji wa scandium katika spectrometer ya wingi. 4. Kipimo cha mwanga wa umeme wa X-ray (XRF): Kipimo cha umeme cha X-ray hutumia wigo wa fluorescence unaozalishwa baada ya sampuli kusisimka na mionzi ya X ili kuchambua maudhui ya vipengele. Inaweza kuamua kwa haraka na bila uharibifu maudhui ya scandium kwenye sampuli.
5. Maonyesho ya usomaji wa moja kwa moja: Pia inajulikana kama spectrometry ya usomaji wa moja kwa moja wa picha, ni mbinu ya uchanganuzi inayotumiwa kuchanganua maudhui ya vipengele katika sampuli.Mtazamo wa usomaji wa moja kwa moja unategemea kanuni ya spectrometry ya utoaji wa atomiki. Inatumia cheche za umeme za halijoto ya juu au safu ili kuyeyusha vipengee kwenye sampuli moja kwa moja kutoka kwa hali dhabiti na kutoa mistari bainifu ya taswira katika hali ya msisimko. Kila kipengele kina mstari wa kipekee wa utoaji, na ukubwa wake ni sawia na maudhui ya kipengele katika sampuli. Kwa kupima ukubwa wa mistari hii ya spectral ya tabia, maudhui ya kila kipengele kwenye sampuli yanaweza kuamua. Njia hii hutumiwa hasa kwa uchambuzi wa utungaji wa metali na aloi, hasa katika madini, usindikaji wa chuma, sayansi ya vifaa na nyanja nyingine.
Njia hizi hutumiwa sana katika maabara na tasnia kwa uchambuzi wa kiasi na udhibiti wa ubora wa scandium. Uteuzi wa mbinu inayofaa inategemea vipengele kama vile aina ya sampuli, kikomo cha ugunduzi kinachohitajika na usahihi wa kutambua.
Utumiaji mahususi wa njia ya kunyonya atomiki ya scandium
Katika kipimo cha vipengele, spectroscopy ya kunyonya atomiki ina usahihi wa juu na unyeti, ikitoa njia bora ya kusoma sifa za kemikali, utungaji wa mchanganyiko, na maudhui ya vipengele.
Kisha, tutatumia spectroscopy ya kunyonya atomiki ili kupima maudhui ya kipengele cha chuma.
Hatua maalum ni kama ifuatavyo:
Tayarisha sampuli ili kujaribiwa. Ili kuandaa suluhisho la sampuli ya kupimwa, kwa ujumla ni muhimu kutumia asidi iliyochanganywa kwa digestion ili kuwezesha vipimo vinavyofuata.
Chagua spectrometer inayofaa ya kunyonya atomiki. Chagua spectrometa inayofaa ya kunyonya atomiki kulingana na sifa za sampuli ya kujaribiwa na anuwai ya maudhui ya skendo ya kupimwa. Rekebisha vigezo vya spectrometa ya kunyonya atomiki. Rekebisha vigezo vya spectrometa ya kunyonya atomiki, ikijumuisha chanzo cha mwanga, atomiza, kigunduzi, n.k., kulingana na kipengele kilichojaribiwa na muundo wa chombo.
Pima ufyonzaji wa kipengele cha scandium. Weka sampuli ili kujaribiwa kwenye atomiza na utoe mionzi ya mwanga ya urefu mahususi wa wimbi kupitia chanzo cha mwanga. Kipengele cha scandium kitakachojaribiwa kitachukua mionzi hii ya mwanga na kupitia mabadiliko ya kiwango cha nishati. Pima ufyonzaji wa kipengee cha scandium kupitia detector.
Kuhesabu maudhui ya kipengele cha scandium. Kukokotoa maudhui ya kipengee cha skendo kulingana na ufyonzaji na mkunjo wa kawaida.
Katika kazi halisi, ni muhimu kuchagua mbinu sahihi za kipimo kulingana na mahitaji maalum ya tovuti. Njia hizi hutumiwa sana katika uchambuzi na kugundua chuma katika maabara na viwanda.
Mwishoni mwa utangulizi wetu wa kina wa kashfa, tunatumai kwamba wasomaji wanaweza kuwa na ufahamu wa kina na ujuzi wa kipengele hiki cha ajabu. Scandium, kama kipengele muhimu katika jedwali la mara kwa mara, sio tu ina jukumu muhimu katika uwanja wa sayansi, lakini pia ina anuwai ya matumizi katika maisha ya kila siku na nyanja zingine.
Kwa kusoma mali, matumizi, mchakato wa ugunduzi na matumizi ya scandium katika sayansi na teknolojia ya kisasa, tunaweza kuona haiba ya kipekee na uwezo wa kipengele hiki. Kutoka kwa nyenzo za anga hadi teknolojia ya betri, kutoka kwa kemikali za petroli hadi vifaa vya matibabu, scandium ina jukumu muhimu.
Bila shaka, tunahitaji pia kutambua kwamba ingawa scandium huleta urahisi kwa maisha yetu, pia ina hatari zinazowezekana. Kwa hiyo, ingawa tunahitaji kufurahia manufaa ya kashfa, lazima pia tuzingatie matumizi yanayofaa na matumizi sanifu ili kuepuka matatizo yanayoweza kutokea.Scandium ni kipengele kinachostahili kujifunza na kuelewa kwa kina. Katika maendeleo ya baadaye ya sayansi na teknolojia, tunatarajia kashfa kucheza manufaa yake ya kipekee katika nyanja zaidi na kuleta urahisi zaidi na mshangao kwa maisha yetu.
Muda wa kutuma: Nov-14-2024