Սկանդիում

Սկանդիում, քիմիական տարր է, որի նշանն է Sc և ատոմային թիվը՝ 21։
Երրորդ խմբի երկրորդական ենթախմբի տարր է, չորրորդ պարբերության, ատոմային համարը 21 է, իսկ ատոմական զանգվածը՝ 44,9559, նշվում է Sc ()։ Սկանդիումը բազմաիզոտապային տարր է, իսկ բնության մեջ հանդիպում է միայն մեկ ստաբիլ իզոտոպը՝ 45Sc:

Ռադիոակտիվ իզոտոպ 46Sc-ը նուրբ արդյունաբերությունում օգտագործվում է կտրվածքների համար, մետալուրգիական պրոցեսների վերահսկման համար, ինչպես նաև քաղցկեղի բուժման համար։

Սկանդիումի 47Sc իզոտոպը համարվում է պոզիտրոնի ստացման լավագույն աղբյուրը։ Սկանդիումը մոնոիզոտոպային տարր է, և 100 %-ով կազմված է 45Sc իզոտոպից։ d տարր է, առաջին անցումային տարրը, ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքն է 3s23p63d44s2։ К և L թաղանթները լրացված են։

Պատմություն 
Սկանդիումի գոյությունն առաջին անգամ առաջարկվել է Մենդելեևի կողմից 1870 թվականին, իսկ 1879 թվականին Լ. Ֆ. Նիլսոնովը գադոլինիտ և էվկսենիտ հանքանյութերից, որոնք հայտնաբերվել էին Սկանդինավիայում, առանձնացրել է սկանդիում տարրը (այստեղից էլ առաջացել է տարրի անվանումը)։

Բնության մեջ 
Երկրի ընդերքում սկանդիումի պարունակությունը կազմում է 10 գ/տ։ Ծովային ջրում նրա պարունակությունը կազմում է 4∙10−5 գ/լ։ Հայտնի են սկանդիումի 2 հանքանյութեր, տորտվեյտիտ՝ (Sc,Y)2 Si2O7, որը տարածված է Մադագասկարում և Նորվեգիայում, և ստերրետտիտը՝ Sc[PO4]∙2H2O, սակայն նրանք հանդիպում են շատ հազվադեպ։ Սկանդիումը համարվում է տիպիկ տարածված էլեմենտ, և մտնում է շատ աղերի բաղադրության մեջ։ Սկանդիումի հիմնական հանքային կրողներ են հանդիսանում ֆլյուորիտը (Sc2O3-ի պարունակությունը հասնում է մինչև 1%), կասսիտերիտը (0,005-0,2%), վոլֆրամիտը 0-04 %), իլմենորուտիլը (0,0015-0,3%), տորիանիտը (0,46% Sc2O3), սամարսկիտը (0,45% Sc2O3), վիիկիտ (1,17% Sc2O3), քսենոտիմ (0,0015-1,5%), բերիլլ (0,2%)։ Ընդհանուր առմամբ հայտնի են հարյուրավոր սկանդիում պարունակող աղեր։

Հայրենիք 
Սկանդիումի հսկայական պաշարներ կենտոնացված են Ռուսաստանի, և նախկին Խորհրդային Միության տարածքներում։ Ներկայումս, անկախ փորձագետների հաշվարկների, սկանդիումի (սկանդիումի օքսիդ) հիմնական արտադրողները համարվում են Ռուսաստանը, Ճապոնիան, Ուկրաինան և Ղազախստանը, Նորվեգիա։

Ֆիզիկական հատկություններ 
Սկանդիումն օժտված է թույլ պարամագնիսական հատկություններով։ Նրա մագնիսական զգայունությունը 236∙10−6 (20 °C)։ Սկանդիումը փափուկ մետաղ է, մաքուր վիճակում այն հեշտությամբ է ենթարկվում մշակման, հեշտությամբ օգտագործվում է դարբնագործության մեջ, գլանվածքների արտադրությունում, դրոշմագործության մեջ։ Սկանդիումի պարզագույն միացությունը արծաթագույն թեթև մետաղ է, որին բնորոշ է թեթևակի դեղին երանգը։

Նրան հատուկ են երկու բյուրեղային մոդիֆիկացիաներ՝ α-Sc և β-Sc: α↔β անցման ջերմաստիճանը կազմում է 1336 °C: Հալման ջերմաստիճանը կազմում է 1541 °C, եռման ջերմաստիճանը՝ 2837 °C:

Քիմիական հատկություններ 
Սկանդիումը առաջին 3d-էլեկտրոններ պարունակող էլեմենտն է, արտաքին էլեկտրոնային մակարդակում ունի 3d14s2 վիճակ։ Քիմիական հատկություննեով այս տարրին նման են +3 օքսիդացման աստիճան ունեցող էլեմենտները (օրինակ, Ti3+, Fe3+, Mn3+)։

Քիմիական և ֆիզիկական հատկություններով սկանդիումին նաև նման են իտրիումը, լանթանը և լանթանոիդները։ Սկանդիումը իր բոլոր բնական միացություններում ցուցաբերում է դրական վալենտական աստիճան, որը հավասար է 3-ի, այդ պատճառով օքսիդավերականգնման պրոցեսներում նա մասնակցություն չի ցուցաբերում։ Սկանդիումը քիմիական հատկություններով նման է ալյումինին։

Սկանդիումը օդի հետ շփվելիս պատվում է օքսիդային թաղանթով, սակայն ակնառու օքսիդացումը սկսվում է 250 °С ջերմաստիճանից։ Ջրածնի հետ փոխազդելիս (450 °C) առաջանում է հիդրիդ ScH2, ազոտի հետ (600-800 °C)՝ նիտրիդ, հալոգենների հետ (400-600 °C) փոխազդելիս՝ ScCl3 տիպի միացություններ։ Շիկացնելու դեպքում փոխազդեցության մեջ է մտնում ֆտորի, թթվածնի, ածխածնի, ազոտի, ֆոսֆորի հետ։ Սենյակային ջերմաստիճանում փոխազդում է քլորի, բրոմի և յոդի հետ։

Փոխազդում է ուժեղ թթուների հետ, ուժեղ թթուների օքսիդների հետ, և ալկալու կոնցենտրացիոն լուծույթների հետ։ Ջրում սկանդիումի միացությունները հիդրոլիզվում են, առաջացնելով համապատասխան աղեր։ Sc+3 իոնը անգույն իոն է, որի կորդինացիոն թիվը ջրային լուծույթներում հավասար է 6-ի։ Ինչպես ալյումինի դեպքում, այնպես էլ սկանդիումի հիդրօքսիդը ամֆոտեր է, և լուծվում է որպես ամֆոտերային թթու։ Սկանդիումի քլորիդը, բրոմիդը, յոդիտը և սուլֆատը լավ լուծվում են ջրում։

Սկանդիումի ֆտորիդը և ֆոսֆատը ջրում չեն լուծվում, սակայն ֆտորիդը լուծվում է ֆտորիդ-իոնի ավելցուկային առկայության պայմաններում, առաջացնելով ScF3-ը։ Սկանդիումի նիտրիդը, սուլֆիդը և կարբոնատը ջրային պայմաններում հիդրոլիզվում են։ Հարկ է նշել, որ քարածխի շերտերից սկանդիումի հսկայական ռեսուրսներ են ստացվում, իսկ սկանդիումի հեռացման տեխնալոգիան մեծ խնդիր է սինթետիկ հեղուկ վառելիքի ստացման համար։

Սկանդիումը օգտագործվում է առավել պինդ նյութերի ստացման համար։ Օրինակ՝ տիտանի կարբիտը սկանդիումի կարբիտի հետ խառնելիս երկու անգամ բարձրացնում է նրա ամրությունը, ինչն էլ նոր նյութը դարձնում է ալմազից հետո ամուր չորրորդ նյութը։ Սկանդիումը հետաքրքիր խառնուրդ է ստեղծում բերիլիումի հետ, որն ունի եզակի ջերմադիմացկունություն և ամրություն։

Ատացում և արտադրություն 
Սկանդիումը համարվում է ցրված լիտոֆիլային տարր, (ժայռերի, ապարների տարր) այդ պատճառով այս էլեմենտի արտադրության տեխնոլոգիայում եթե լրիվ առանձնացվի սկանդիումը վերամշակված հանքանյութերից, նրա տարեկան արտադրանքը կավելանա։

Սկանդիումը օքսիդների տեսքով մեծ մասամբ վերականգնվում է.
 վոլֆրամային,
 օլովյանային,
 տիտանային,
 ուրանային հանքանյութերի
 բոքսիտների հիդրո- և պիրոմետալուրգիական մշակմամբ։

Օքսիդները քլորացնում կամ ֆտորացնում են բարձր ջերմաստիճանում, որից հետո մետաղական սկանդիումը (≈99,5%) ստանում են նրա քլորիդների կամ ֆտորիդների մետաղական կալցիումով թերմիկ վերականգնմամբ, բարձր վակուումում 133,3•10−6 ն/մ2 (10−6), 1600-1700 °C:

Սկանդիումը կարող ենք համարել 21-րդ դարի մետաղ, և կարող ենք կանխատեսել նրա արտադրության ծավալների բարձրացում, գնի աճ, և հսկայական քանակությամբ քարային ածխի վերամշակում հեղուկ վառելիքի։

Արտադրություն 
1988 թվականին սկանդիումի օքսիդի արտադրությունը աշխարհում կազմում է.

Կիրառություն 
Սկանդիումի գլխավորապես կիրառվում է ալյումինասկանդիումային համաձուլվածների ստացման համար, որոնք լայն կիրառություն ունեն սպորտային տեխնիկաների և սարքավորումների արտադության համար (մոտոցիկլետներ, բեյսբոլի մականներ և այլն), ամեն բնագավառում, որտեղ անհրաժեշտ են շատ ամուր սարքավորումներ։ Ալյումինի և սկանդիումի համաձուլվածքը աչքի է ընկնում առավել ամրությամբ և ճկունությամբ։

Մաքուր սկանդիումի ուժը մոտ 400 ՄՊա է, իսկ տիտանի մոտ այն մոտավորապես հավասար է 250-350 ՄՊա-ի։

Ինքնաթիռաշինությունում 

Սկանդիումի խառնուրդների լայն կիրառումը ավիացիայում և հրթիռների արտադրության մեջ թույլ է տալիս բավականին իջեցնել փոխադրումների արժեքը և կտրուկ բարձրացնել շահագործվող համակարգերի հուսալիությունը, օգտագործվում է նաև պարկուճների արտադությունում։ Շատ կարևոր է նաև այն հանգամանքը, որ սկանդիումը հաֆնյումով լեգիրացված խառնուրդները ամացնում է։ Շատ կարևոր է իմանալ նաև այն մասին, որ մաքուր ալյումինի և սկանդիումի լեգիրացված վիճակը բարձրացնում է մետաղալարերի ջերմահաղորդականությունը։

Սկանդիումն օգտագործվում է չափազանց ամուր մատերիալների ստացման համար։ Օրինակ, կարբիդի տիտանի լեգիրացված վիճակը սկանդիումի կարբիդով, մոտ երկու անգամ բարձրացնում է նրա միկրոամրությունը, իսկ ստացված նոր մատերիալը համարվում է ալմաստից հետո չորրորդ կարծր նյութը։

Բժշկության մեջ 
Սկանդիումի օքսիդը մեծ կիառություն ունի նաև բժշկության մեջ, մասնավորապես ատամնաբուժական պրակտիկայում, քանի որ ապահովում է ատամնաշարային կծվածքների բարձր որակը։ Սկանդիումը լայն օգտագործում ունի նաև բազմաշերտանոց ռենտգենային հայելիների արտադրության մեջ։ Ամեն տարի 80 կգ սկանդիում (Sc2O3 միացության տեսքով) օգտագործվում է բարձր ինտեսիվությամբ լուսատու էլեմենտների արտադրության համար։

Սկանդիումի յոդիտը ավելացվում է սնդիկա-գազային լամպերի, ըստ արտադրողների, դա շատ լավ լույսի աղբյուր է, նման է արևի լույսին, որն ապահովում է տեսախցիկի լավ լուսարձակումը։

Տես նաև 
 Պարբերական աղյուսակ
 Sc - Science Channel

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 
 Коган. Б. И., Названова. В. А. Скандий. — М.: Изд-во АН УССР, 1963. — 304 с. с илл.

Արտաքին հղումներ 

 Webelements-ում
 Սկանդիումը քիմիական տարրերի հայտնի գրադարանում
 Scandium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
 WebElements.com – Scandium

Անցումային մետաղներ
Հազվագյուտ հողային տարրեր
Դմիտրի Մենդելեև
Սկանդիում