ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                            სკანდიუმი

ზომიერად რბილი, მჩატე ლითონი, იშვიათი მიწათა ელემენტი, გარდამავალი ლითონი წარმოადგენს მოვერცხლისფრო-თეთრ ლითონს მოყვითალო ელეფერით

სკანდიუმი

21 Sc

44,95591

[Ar] 3d1 4s2

სკანდიუმი / Scandium (Sc) 

  (ლათ. Scandium; აღინიშნება სიმბოლოთი Sc) — მენდელეევის პერიოდული სისტემის მეოთხე პერიოდის, მესამე ჯგუფის გვერდითი ქვეჯგუფის ქიმიური ელემენტი, რომლის ატომური ნომერია 21. მარტივი ნევთიერება სკანდიუმი (CAS-ნომერი: 7440-20-2) — მჩატე, მოვერცხლისფრო ფერის ლითონია დამახასიათებელი მოყვითალო ელფერით. სკანდიუმი არსებობს ორი კრისტალური მოდიფიკაციის სახით: α-Sc მაგნიუმის ჰექსაგონალური მესრის ტიპის სკანდიუმი, β-Sc კუბური მოცულობაცენტრირებული მესერის ტიპის, რომლის გადასვლის ტემპერატურა არის α↔β 1336 °C.

დ. ი. მენდელეევმა, რომელმაც შექმნა პერიოდული სისტემა, იწინასწარმეტყველა უცნობი ელემენტის არსებობა და მას უწოდა ეკაბორი - ატომური მასით 40-დან 48-მდე (1869). ათი წლის შემდეგ ლ. ნილსონმა აღმოაჩინა ახალი ელემენტი მინერალებში ეუქსინიტში და გადონილიტში. ეს მინერალები იყო სკანდინავიიდან. მაშინ შესაძლებელი გახდა 2 გ ძალიან სუფთა სკანდიუმის ოქსიდის მიღება. ლ. ნილსონმა ამ ელემენტს უწოდა სკანდიუმი, ლათინური სიტყვიდან ”Scandia”, რაც სკანდინავიას ნიშნავს. ნილსონმა არ იცოდა მენდელეევის წინასწარმეტყველების შესახებ, მაგრამ ა. თ. ქლივიმ შეიცნო, რომ ეს ელემენტი (სკანდიუმი) იყო მენდელეევის მიერ  ნაწინასწარმეტყველები ელემენტი.

სკანდიუმი დედამიწაზე უძველესი ელემენტია. იგი გვხვდება ურანის დეპოზიტებში, მაგრამ მისი ექსტრაქცია ამ მადნებიდან ძალიან მცირე რაოდენობითაა შესაძლებელი.

იხ. ვიდეო

სკანდიუმი — მჩატე მოვერცხლისფრო ფერის ლითონია, დამახასიათებელი მოყვითალო ელფერით. როგორც ზევით არის აღნიშნული არის ორი კრისტალური მოდიფიკაციის: 1) α-Sc მაგნიუმის ჰექსოგონალური მესრის ტიპის (a=3,3085 Å; с=5,2680 Å; z=2; სივრცული ჯგუფია - P6₃/mmc) და 2) β-Sc კუბური მოცულობა ცენტრირებული მესრით. გადასვლის ტემპერატურაა α↔β 1336 °C, გადასვლის ΔH = 4,01 კჯ/მოლი. დნობის ტემპერატურაა 1541 °C, დუღილის ტემპერატურაა 2837 °C. სკანდიუმი რბილი ლითონია, მაღალი სიწმინდის 99,5 % და უფრო მეტის (ჟანგბადის არარსებობის დროს) ძალიან ადვილია მექანიკური დამუშავება.

მეტალური სკანდიუმი მძიმეა და ჰგავს ვერცხლს. იგი ჰაერზე იღებს მკრთალ, მოყვითალო ფერს, რადგანაც იფარება დამცველი Sc₂O₃-ის თხელი ფენით. იგი ნელა იხსნება გაზავებულ მჟავებში: ქლორწყალბადში, გოგირდმჟავაში, აზოტმჟავაში. არ შედის რეაქციაში 1:1 თანაფარდობით აზოტმჟავასთან (HNO₃) და ქლორწყალბადთან (HCl), ასევე არ შედის რეაქციაში HF-თან, რადგანაც სავარაუდოდ ამ შემთხვევაში ლითონის ზედაპირზე წარმოიქმნება გაუმტარი პასიური ფენა. ნაერთებში ScB და ScC - ბორო და ნახსირბადი სკანდიუმის მესერში ერევიან არასტექიომეტრულად.

სკანდიუმი ქიმიური ბუნებით უფრო ახლოსაა იტრიუმთან, ვიდრე ალუმინთან. იგი წარმოადგენს ლანტანის მსგავს ელემენტს. ოქსიდი -Sc₂O₃ სუსტი მჟავა თვისებისაა, ხოლო ჰიდროქსიდი Sc(OH)₃ - ამფოტერულია:

Sc(OH)₃ + 3 OH− → Sc(OH)³−₆

Sc(OH)₃ + 3 H+ + 3 H₂O → [Sc(H₂O)₆]³+

სკანდიუმის ოქსიდჰიდროქსიდის (ScO(OH)) a- და g-ფორმები იზოსტრუქტურულია მათი მსგავსი ალუმინ ოქსიდ ჰიდროქსიდისა. Sc³+ წყალხსნარს აქვს მჟავა თვისება, რადგანაც იგი განიცდის ჰიდროლიზს.

სკანდიუმის ჰალოგენიდები ScX₃ (X = Cl, Br, I) კარგად იხსნებიან წყალში, ხოლო ScF3 წყალში არ იხსნება. ოთხივე ჰალოგენიდში სკანდიუმის კოორდინაციული რიცხვი უდრის 6. ჰალოგენიდები წარმოადგენენ ლუისის მჟავებს. მაგალითად, ScF3 იხსნება ჭარბი ფთორის შემცველ ხსნარში, [ScF₆]³−-ის წარმოქმნით. იგი Sc(III) კომპლექსის ტიპური მაგალითია, რომელშიც კოორდინაციული რიცხვი უდრის ექვსს. იტრიუმის და ლანთანის უფრო დიდ იონებში ხშირად კოორდინაციული რიცხვი უდრის 8 ან 9-ს.

მეტალური სკანდიუმის წარმოება შეადგენს 10 კგ წელიწადში. ოქსიდი გადაჰყავთ სკანდიუმის ფტორიდში და აღადგენენ მეტალური კალციუმით. სკანდიუმის დამატება ალუმინზე, ალუმინშემცველ ცხელ ზონებში ზღუდავს მარცვლეულის ზედმეტ ზრდას.

სკანდიუმ-ალუმინის შენადნობი, რომელიც 0.1-0.5 % სკანდიუმს შეიცავს, რუსეთში გამოიყენება Mig 21 და Mig 29 ტიპის საჰაერო შეიარაღებაში.

მაღალტექნოლოგიური მასალებისაგან მიღებული ზოგიერთი სპორტული ინვენტარი შეიძლება დამზადდეს სკანდიუმ-ალუმინის შენადნობისაგან, მაგალითად ბეისბოლის საცემელა, ველოსიპედის ნაწილები. ეს უკანასკნელი შეიძლება დამზადდეს Sc-Ti შენადნობისაგან. ამერიკული იარაღის დამამზადებელი კომპანია სმიტი და ვისსონი (Smith & Wesson) რევოლვერის კარკასს და ცილინდრს. სკანდიუმი წარმოადგენს ელექტრონული გამოთვლითი მანქანების მახსოვრობის ელემენტს.

სკანდიუმის როგორც მიკროლეგირების მინარევად გამოყენებას აქვს მნიშვნელოვანი გავლენა მთელ რიგ პრაქტიკულად მნიშვნელოვან შენადნობებზე, ასე მაგალითად 0,4 % სკანდიუმის დამატებით ალუმინ-მაგნიუმის შენადნობებში იწვევს დროებითი წინაღობის ზრდას 35 %-ით, ხოლო დენადობის ზღვარი იზრდება 65—84 %-ით, და ამასთან შეფარდებითი დაგრძელება რჩება 20—27 %-ის დონეზე. მისი 0,3—0,67 % დამატება ქრომზე, ამაღლებს მის მდგრადობას დაჟანგვის მიმართ 1290 °C-მდეც კი, ანალოგიურ და უფრო მკვეთრ მოქმედებას ავლენს სითბომდგრად შენადნობებზე როგორიცაა «ნიქრომი» და ამ მიმართულებით სკანდიუმის გამოყენება გაცილებით ეფექტურია ვიდრე იტრიუმისა. სკანდიუმის ოქსიდი ფლობს მთელ რიგ უპირატესობებს მაღალტემპერატურული კერამიკის წარმოებაში ვიდრე სხვა ოქსიდები, სკანდიუმის ოქსიდის სიმტკიცე გახურებისას იზრდება და აღწევს მაქსიმუმს 1030 °C-ის დროს, ამავე დროს სკანდიუმის ოქსიდს ააქვს მინიმალური თბოგამტარობა და თერმოდარტყმების მიმართ უდიდესი მდგრადობა. იტრიუმის სკანდატი ეს არის ერთ-ერთი საუკეთესო მასალა კონსტრუქციისთვის რომელიც მუშაობს მაღალი ტემპერატურის პირობებში. სკანდუმის ოქსიდის გარკვეული რაოდენობა ყოველთვის მოიხმარება გერმანატური მინის წარმოებისათვის ეპტოელექტრონიკაში.

გამოყენების მოცულობით სკანდიუმს ყველაზე მატად იყენებენ ალუმინ-მაგნიუმიან შენადნობებში, რომლებიც გამოიყენება სპორტულ ეკიპირებებში (მოტოციკლები, ბეისბოლის ხელკეტები და ა.შ.) — ყველგან სადაც საჭიროა მღალი სიმტკიცის მასალა. ალუმინთან სკანდიუმის შენადნობი უზრუნველყოფს დამატებით სიმტკიცეს და ჭედადობას. სუფთა სკანდიუმის გამძლეობის ზღვარი წყვეტაზე მიახლოებით 400 მპა (40 კგ/მმ), მაგალითად ტიტანის არის 250—350 მპა, ხოლო არალეგირებული იტრიუმისა 300 მპა. სკანდიუმის შენადნობების გამოყენება ავიაციაში და სარაკეტო მშენებლობაში მკვეთრად შეამცირებს გადაყვანის ღირებულებას და მკვეთრად აამაღლებს ექსპლუატირებული სისტემების საიმედობას, ამავე დროს სკანდიუმზე ფასის კლების შემთხვევაში მისი გამოყენება საავტომობილო ძრავების წარმოებაში საგრძნობლად გაახანგრძლივებს მათ რესურსს და ნაწილობრივ მ.ქ.კ. ძალიან მნიშვნელოვანია ის გარემოება, რომ სკანდიუმი უფრო ამტკიცებს ალუმინის შენადნობებს რომლებიც ლეგირებულია ჰაფნიუმით.

მნიშვნელოვანი და ამასთან შეუსწავლელია სკანდიუმის გამოყენება იმ მიმართულებით, როგორც ალუმინის იტრიუმით ლეგირებული შენადნობისა. სკანდიუმით ლეგირებული სუფთა ალუმინი ისევე ამაღლებს ელექტროგამტარობას და სიმტკიცეს. ამ სიმტკიცის მკვეთრი ზრდის ეფექტს აქვს გამოყენების ძალიან დიდი პერსპექტივა. ასეთი შენადნობების გამოყენება შეიძლება მოხდეს ელექტრო ენერგიის ტრანსპორტირებისათვის. სკანდიუმის შენადნობების გამოყენება ასევე პერსპექტიულია მართვადი ჭურვების წარმოებაში. ბოლო წლებში მნიშვნელოვანია სკანდიუმის (მასთან ერთად იტრიუმი და ლუტეციუმი) როლი შემადგენლობით სუპერმტკიცე ფოლადების წრმოებაში, რომელთა ზოგიერთმა ნიმუშმა უჩვენა სიმტკიცე 700 კგ/მმ² (7000 მპა-ზე მეტი).

ზემაგარი მასალები

სკანდიუმი გამოიყენება ზემაგარი მასალების მისაღებად. ასე მაგალითად, ტიტანის კარბიდის ლეგირება სკანდიუმის კარბიდით საკმაოდ მკვეთრად ამაღლებს მიკროსიმაგრეს (2-ჯერ), რის გამოც ეს მასალა მეოთხეა სიმაგრით ალმასის (მიახლოებით 98,7 — 120 გპა), ბორის ნიტრიდის (ბორაზონის), (მიახლოებით 77—87 გპა), ბორ-ნახშირბად-სილიციუმის შენადნობის (მიახლოებით 68—77 გპა) შემდეგ, და მნიშვნელოვნად მეტია ვიდრე ბორის კარბიდის (43,2 — 52 გპა) და სილიციუმის კარბიდის (37 გპა) სიმაგრე, სკანდიუმის კარბიდისა და ტიტანის კარბიდის შენადნობის მიკროსიმაგრე მიახლოებით არის - 53,4 გპა (ტიტანის კარბიდისაა 29,5 გპა). განსაკუთრებულად საინტერესოა სკანდიუმის შენადნობები ბერილიუმთან, რომელსაც აქვს სიმტკიცის და თბომდგრადობის უნიკალური მაჩვენებლები.

ასე მაგალითად, სკანდიუმის ბერილიდს (1 ატომი სკანდიუმი და 13 ატომი ბერილიუმი) გააჩნია უმაღლესი ხელსაყრელი შეხამება სიმკვრივისა, სიმტკიცისა და დნობის მაღალი ტემპერატურისა, ასევე შეიძლება იყოს საუკეთესო მასალა აეროკოსმოსური ტექნიკის მშენებლობისათვის, რომელიც ამ მხვრივ უსწრებს ტიტანის საუკეთესო შენადნობებს და მთელ რიგ კომპოზიტურ მასალებსაც (მათ შორის ნახშირბად ბორის ძაფებს).

მიკროელექტრონიკა

სკანდიუმის ოქსიდს (დნობის ტემპერატურა 2450 °C) ჰქონდა მნიშვნელოვანი როლი სუპერ-ელექტრო გამომთვლელი მანქანების (ეგმ) წარმოებაში: მცირე ინდიქციანი ფერიტების გამოყენება ინფორმაციის შენახვის მოწყობილობებში მონაცემთა ცვლის სიჩქარის რამდენიმეჯერ ზრდის შესაძლებელს იძლევა.

სინათლის წყაროები

მიახლოებით 80 კგ სკანდიუმი (Sc₂O₃-ის შემადგენლობაში) გამოიყენება წელიწადში მაღალი ინტენსივობის გასანათებელი მოწყობილობების წარმოებაში. სკანდიუმის იოდიდს ამატებენ ვერცხლისწყალ-აირის ნათურებში, მზის შუქთან ახლო ნამდვილის მაგვარი შუქის წყაროების წარმოებაში, რომლებიც უზრუნველყოფენ ფერების კარგ გადაცემას ტელეკამერაზე.

სკანდიუმის იზოტოპები

რადიოაქტიური იზოტოპი ⁴⁶Sc (ნახევარდაშლის პერიოდი 83,83 დღე-ღამე) გამოიყენება როგორც «ნიშნული» ნავთობგადამუშავების მრეწველობაში, მეტალურგიული პროცესების საკონტროლოდ და კიბოს სიმსივნეების სამკურნალოდ.

იზოტოპი სკანდიუმ-47 (ნახევარდაშლის პერიოდი 3,35 დღეღამე) წარმოადგენს პოზიტრონების ერთ-ერთ საუკეთესო წყაროს.

ბირთვული ენერგეტიკა

ატომურ ენერგეტიკაში წარმატებით გამოიყენება სკანდიუმის ჰიდრიდი და დეიტერიდი — ნეიტრონების საუკეთესო შემანელებელი, და მიზანი (ბუსტერი) ძლიერ და კომპაქტურ ნეიტრონების გენერატორებში.

სკანდიუმის დიბორიდი (დნობის ტემპერატურა 2250 °C) გამოიყენება როგორც თბოგამძლე შენადნობების კომპონენტი, ასევე როგორც ელექტრო ხელსაწყოების კათოდების მასალა.

ატომურ მრეწველობაში გამოიყენება სკანდიუმის ბერილიდი როგორც ნეიტრონების ამრეკლავი, და კერძოდ ეს მასალა, როგორც იტრიუმის ბერილიდი შემოთავაზებულია როგორც ნეიტრონების ამრეკლავს ატომური ბომბის კონსტრუქციაში.

მედიცინა

სკანდიუმის ოქსიდს შეუძლია ითამაშოს მნიშვნელოვანი როლი მედიცინაში (მაღალხარისხობრივი კბილის პროთეზები).

ლაზერული მასალები

მაღალტემპერატურულ ზეგამტარობაში, ლაზერული მასალების წარმოებაში. გალიუმ-სკანდიუმ-გადოლინის ძოწის ქრომისა და ნეოდიმის იონებით ლეგირება საშუალებას იძლევა მივიღოთ მ.ქ.კ. 4,5 % და ზემოკლე იმპულსების გენერაციის სიხშირის რეჟიმის სარეკორდო პარამეტრები, რაც იძლევა საკმაოდ ოპტიმისტურ წინაპირობას ზეძლიერი ლაზერული სისტემების შექმნისათვის თერმობირთვული მიკროაფეთქებების მისაღებად უკვე სუფთა დეიტერიის საფუძველზე (ინერციული სინთეზი) უახლოეს მომავალში. ასე მაგალითად მოსალოდნელია რომ უახლოეს 10—13 წელში ლაზერული მასალები სკანდიუმის ბორატები დაიკავებენ წამყვან როლს თვითმფრინავებისა და შვეულმფრენების დამცავი ლაზერული სისტემების დამუშავება წარმოებაში, ამასთან პარალელურად თერმობირთვული ენერგეტიკაში.

მზის ბატარეის წარმოება

სკანდიუმის ოქსიდისა და ჰოლმიუმის ოქსიდის შენადნობი სილიციუმის საფუძველზე გამოიყენება ფოტომასალებში როგორც საფარი. ამ საფარს აქვს გამჭვირვალობის ფართო მიმართულება (400—930 ნმ), და ამცირებს სილიციუმისაგან სინათლის არეკლვის სპექტრალურ კოეფიციენტს 1—4 %-მდე, და მისი გამოყენებისას ასეთ მოდიფიცირებული ფოტოელემენტს მატულობს მოკლე ჩართვის დენი 35—70 %-მდე, რაც თავის მხრივ ზრდის გამოსასვლელ სიმძლავრეს 1.4 ჯერ.

რენტგენის სარკე

სკანდიუმი ფართოდ გამოიყენება მრავალშრეიანი რენტგენული სარკეების წარმოებაში (კომპოზიცია: სკანდიუმი-ვოლფრამი, სკანდიუმი-ქრომი, სკანდიუმი-მოლიბდენი).

სკანდიუმის ტელურიდი ძალიან პერსპექტიული მასალაა თერმოელემენტების წარმოებისათვის (მაღალი თერმო-ე.დ.ს, 255 მკვტ/К, მცირე სიმკვრივე და მაღალი სიმტკიცე).

ბოლო წლებში მნიშვნელოვანი ინტერესი გამოიწვია ავიაკოსმოსური და ატომური ტექნიკისათვის ძნელად დნობადმა შენადნობებმა (ინტერლითონური ნაერთები) - სკანდიუმი რენიუმთან (დნობის ტემპერატურა 2575 °C-მდე), რუთენიუმთან (დნობის ტემპერატ. 1840 °C), რკინასთან (დნობის ტემპერატ. 1600 °C-მდე), (თბომდგრადობა, ზომიერი სიმკვრივე და სხვა).

ცეცხლგამძლე მასალები

სპეციალური დანიშნულების ცეცხლგამძლე მასალებისათვის მნიშვნელოვან როლს თამაშობს სკანდიუმის ოქსიდი (დნობის ტემპერატურა 2450 °C) რომელსაც გამოიყენებენ მაღალლეგირებული ფოლადის ჩამოსასხმელი ჭურჭელის დასამზადებლად, თხევადი ლითონის ნაკადისადმი მდგრადობაში სკანდიუმის ოქსიდს ბადალი არ ჰყავს ყველა ცნობილ და გამოყენებულ მასალებს შორის (ასე მაგალითად იტრიუმის საკმაოდ მდგრადი ჟანგი, 8,5-ჯერ ჩამორჩება სკანდიუმის ოქსიდს) და ამ განხრით შეიძლება ითქვას რომ ის შეუცვლელია. მის ფართოდ გამოყენებას ხელს მხოლოდ მისი მაღალი ღირებულება უშლის, და მიმართულებით ალტერნატიულ გადაწყვეტას წარმოადგენს ალუმინის ოქსიდის ძაფისმაგვარი კრისტალებით არმირებული იტრიუმის სკანდატების გამოყენება, ასევე ტანტალის სკანდიუმის გამოყენება.

ფიანიტების წარმოება

ფიანიტების წარმოებაში სკანდიუმის ოქსიდს მნიშვნელოვანი როლი აკისრია, სადაც ის საუკეთესო სტაბილიზატორს წარმოადგენს.

სკანდიუმის გარკვეული რაოდენობა გამოიყენება ნიკელის ქრომისა და რკინის თბოგამძლე შენადნობების (ნიქრომი და ფექრალი) ლეგირებისათვის, ექსპლუატაციის ვადების მკვეთრი ზრდიათვის, წინაღობის ღუმელებში როგორც გამათბობელის სახვევი.

ლუმინოფორები

სკანდიუმის ბორატი, როგორც იტრიუმის ბორატი გამოიყენება რადიოელექტრონულ მრეწველობაში როგორც ლუმინოფორის მატრიცა.

ბიოლოგიური როლი

სკანდიუმი არ თამაშობს არავითარ ბიოლოგიურ როლს

იხ.ვიდეო