حقائق حول السكانديوم

يعتبر السكانديوم Scandium)) معدنًا فضيًا طريًا وناقلًا، وتفوق كثافته كثافة الماء بحوالي ثلاثة أضعاف، كما يُعد عنصرًا نادرًا على الأرض بسبب بعض خواصه الكيميائية التي تصعّب استخراجه وفصله عن العناصر الأخرى في الخامات، وذلك وفق موقع (Chemicool).

ويحتل السكانديوم المرتبة الواحدة والثلاثين في تصنيف العناصر الوافرة على الأرض حسب موقع (Periodic Table)، ويتواجد بمقدار 22 جزءًا وزنيًا بالمليون في قشرة الأرض، حسب الموقع ذاته.

يتبعثر السكانديوم بكمياتٍ زهيدةٍ، وعُثِر عليه فيما يزيد عن 800 معدنٍ على شكل أكسيد السكانديوم (Sc2O3)، والمعروف أيضًا بـ (السكانديا – Scandia)، حسب الشركة العالمية للتنقيب عن السكانديوم (Scandium Mining).

وتوجد العديد من الاستخدامات التجارية لهذا العنصر على الرغم من ثمنه الباهض، إذ يُقدّر بعدة آلاف الدولارات مقابل كيلوغرام واحد من أكسيد السكانديوم وحتى بضعة مئات آلاف الدولارات مقابل كيلوغرام واحد من السكانديوم النقي.

خواص السكانديوم

• العدد الذري (أي عدد البروتونات في النواة): 21
• الرمز الذري (على الجدول الدوري للعناصر): Sc
• الوزن الذري الوسطي: 44.9559 غ / مول
• الكثافة: 1.734 أونصة / إنش۳ (أي 3.0 غ / سم۳)
• الطور عند درجة حرارة الغرفة: صلب
• درجة الانصهار: 2,804 فهرنهايت (1,540 °م)
• درجة الغليان: 5,126 فهرنهايت (2,830 °م)
• عدد النظائر (وهي عناصر تتشابه بالذرات وتختلف بعدد النيترونات): 1، كما يوجد 13 نظيرًا صنعيًا مكوَّنًا في المخابر.
• النظائر الأكثر شيوعًا: Sc-45 (تبلغ نسبة توفره الطبيعي 100%)

تاريخ اكتشاف وعزل السكانديوم

توقع الكيميائي الروسي ديميتري مندلييف وهو مخترع الجدول الدوري وجود عنصر السكانديوم وخواصه عام 1869، وأطلق عليه اسم «إيكابورون» أي مشابه البورون، حسب موسوعة (New World).

ومن ثم اكتشف الكيميائي السويدي لارس فريدريك نيلسون هذا العنصر عام 1879 أثناء تفحصه طيفَي معدنَي (اليوكزينيت – euxenite) و(الغادولينيت – gadolinite).
وقد سُمّيّ السكانديوم تبعًا للكلمة اللاتينية (سكانديا)، والتي تعني شبه الجزيرة الإسكندنافية؛ حيث وُجدت المعادن التي احتوت السكانديوم في ذلك الوقت، وذلك حسب المؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروغت.

بعد ذلك توصّل الكيميائي السويدي بير تيودور كليفه إلى أنّ العنصر الذي اكتشفه نيلسون هو ذات العنصر المقترَح الذي وصفه مندلييف.

وفي المحاولة الأولى لعزل السكانديوم، عالج نيلسون وفريقه 10 غراماتٍ من اليوكزينيت ليتمكنوا من إنتاج ما يقارب غرامين من أكسيد السكانديوم، وحسب موسوعة (New World) أُنتِج السكانديوم المعدني لأول مرةٍ عام 1937، من قِبل الكيميائيين الألمان فيرنر فيشر وكارل برونغر وهانس غرينسآيزن وفي عام 1960 أُنتِج السكانديوم النقيّ بنسبة 99%.

هل تعلم؟

• يتأكسد السكانديوم بتعرضه للهواء ويميل لونه للأصفر أو الزهري؛ بسبب تشكل أكسيد السكانديوم على السطح، حسب موسوعة (Encyclopedia Britannica).
• يتوفر هذا العنصر على القمر والشمس أكثر من الأرض، ويميل على الأرض إلى التبعثر بكمياتٍ زهيدةٍ على امتداد السطح عوضًا عن التجمع في مواقعٍ محددةٍ.
• يجري التنقيب عن السكانديوم بشكلٍ أساسيٍّ في الصين وكازاخستان ومدغشقر والنرويج وروسيا حسب (Minerals Education Coalition)، ويعود قسم كبير منه لمخازن الاحتياط في الإتحاد السوفييتي سابقًا خلال فترة الحرب الباردة، حسب موسوعة (New World).
• ووفق موقع (Encyclopedia.com)، لا تُفصح الولايات المتحدة الأمريكية عن الكمية الكليّة للسكانديوم المنتج فيها، وتعتبره من أسرار المهنة في الصناعة.
• ويشير موقع (Lenntech) إلى افتقار السكانديوم لأيّ دورٍ بيولوجيٍ، وأن الفرد المتوسط يستهلك أقل من 0.1 ميكروغرام يوميًا دون أيّ آثارٍ صحيةٍ معروفةٍ.
• وحسب موقع (Scandium.org)، تتميز سبائك السكانديوم مع الألمنيوم بقوةٍ أكبر ومقاومةٍ أفضل لإعادة التبلور وانخفاضٍ بحجم الحبيبات ومقاومةٍ أكبر للتصدع بالحرارة مقارنةً مع السبائك التقليدية، حتى عندما يشكل السكانديوم مقدارًا زهيدًا لا يتجاوز 0.5% فقط من السبيكة.
• يُستخدم السكانديوم بشكلٍ رئيسيٍّ لصنع إضاءةٍ عالية الشدة ومصابيحٍ من بخار الزئبق، تستخدم بشكلٍ أساسيّْ في التصوير والتلفاز أو الأفلام، إذ يصدر السكانديوم ضوءًا يشبه ضوء الشمس الطبيعي كثيرًا، حسب موقع (Chemicool).
• وأشار عالم الفلك والكاتب البريطاني ديفيد دارلينغ إلى أنّ السكانديوم يستخدم أيضًا في البطاريات القلوّية كمحفزٍ للتفاعل (على هيئة أكسيد السكانديوم)، وكذلك يستعمل على شكل كبريتات السكانديوم في إنبات بذور النباتات.
• أشارت وكالة المسح الجيولوجي في الولايات المتحدة الأمريكية إلى أنّ أكثر استعمالات السكانديوم عام 2015 كانت في خلايا الوقود المصنوعة من أكاسيدٍ صلبةٍ وفي السبائك مع الألمنيوم كما استُخدم بكمياتٍ أصغر في الكريمات والإلكترونيات وأضواء الليزر والنظائر النشيطة إشعاعيًا.
• ويُستخدم السكانديوم أيضًا في السبائك لصناعة بعض المعدات الرياضية، كإطارات الدراجات الهوائية ومضارب البيسبول، وفقاً لموقع (Chemistry Explained)، وتتميز هذه السبائك بالعديد من الخواص عن السبائك التقليدية، فهي أقوى وأخف وزنًا ومقاومة للتآكل.
• وتصف دراسة منشورة عام 2003 في دورية (Journal of the Minerals, Metals, and Materials Society) أجراها المهندس السعودي زكي أحمد بعض تطبيقات الألمنيوم المعزز بالسكانديوم، وتشمل إضافةً لما ذُكِر سابقًا تطبيقات فضائية جوية، مثل الحواجز الإنشائية والدروع الواقية من الحرارة والعجلات والوقود وأنظمة العوادم، وأخرى في صناعة المَركبات والطائرات كالعجلات وممتص الصدمات والإطارات والمكابس وعلب أكياس الهواء، علاوةً على استخدامه في بيئات المياه المالحة كما في مصانع تحلية المياة ومحركات القوارب.
• كما أشار أحمد إلى أنّ الجيش السوفييتي كان الداعم الأساسي لأوائل استخدامات سبائك السكانديوم والألمنيوم، كما في مقاتلات الميغ 29 والقذائف نظراً لميزاتها مقارنةً بمعظم السبائك الشائعة آنذاك وخصوصًا سبائك الألمنيوم مع المغنيزيوم أو الليثيوم.
• ويُستخدم النظير المشع سكانديوم-46 – وفقًا للجمعية الملكية للكيمياء – ككاشف في تكرير النفط لمراقبة تحركه، ولتحري تسربه كذلك في تمديدات الأنابيب تحت الأرض.
• ووفقًا لـ (Minerals Education Coalition)، يؤدي تدفق الماء على السكانديوم إلى تفاعل الأكسجين فيه مع الأخير، فينطلق غاز الهيدروجين.
• تضفي شوائب السكانديوم لونًا أزرقًا على العديد من أحجار البريل الكريمة (beryl) المعروفة بـ (الزبرجد – aquamarine)، حسب موسوعة (New World).

الأبحاث الحالية

تتناول غالبية الأبحاث التي تخص السكانديوم استخدامته ضمن السبائك – وخصوصًا مع الألمنيوم – إذ تناقش معظم هذه الدراسات فوائد دمج السكانديوم مع معادنٍ أخرى، أو الاستعمالات المحتملة لسبائكه.

وتوجد طرق حديثة للتعامل مع السبائك، فقد وصفت براءة اختراع للمخترع الأمريكي ويليام تاك أرسلها للنشر عام 1997 طريقةً لتوظيف سبائك السكانديوم مع الألمنيوم في دمجها كإطارات الدراجات الهوائية باللحام، وقد احتوت السبائك المستخدمة على كمياتٍ متفاوتةٍ من السكانديوم، بالإضافة إلى موادٍ أخرى، مثل السيليكون والمنغنيز والمغنيزيوم والزيركونيوم والتيتانيوم والنحاس لتحديد التركيبة الأفضل من المواد للبنى المختلفة، وفق تقنية اللحام التي أشار لها تاك.

كما تستمر الدراسات حول استخلاص السكانديوم من مصادرٍ مختلفةٍ، ومنها دراسة أجراها مجموعة من الباحثين الأستراليين من بينهم ويوي وانغ، ونُشِرَت عام 2010 في (Elsevier) في (قسم معالجة الخامات بالمحاليل المائية – Hydrometallurgy)، ويُستخلص السكانديوم بشكلٍ رئيسيٍّ كمنتجٍ ثانويٍّ عند التنقيب عن خاماتٍ أخرى كاليورانيوم والألمنيوم والتيتانيوم والزيركونيوم بالإضافة إلى خاماتٍ أخرى نادرة في الأرض، وتستخدم تقنيات مختلفة لاستحصال السكانديوم بعد ذلك كالترشيح والاستخلاص بمحل والترسيب والتكليس.

وتناقش أطروحة نشرتها كلير باركر عام 2016، وهي طالبة في علوم المحيطات في كاليفورنيا أهمية السكانديوم في المحيط، إذ تعد المعادن الزهيدة مغذيات دقيقة ضرورية لصحة البيئة المحيطية وقد استحوذ الحديد على اهتمام معظم الدراسات، على حساب السكانديوم الذي قلما توجد دراسات حوله، وتشير باركر إلى أنّ هذا العنصر قد يكون مرتبطًا بالجانب غير التغذوي لدورة الحديد المحيطية، بما أنّه لا يمتلك أيّ تأثيراتٍ بيولوجيةٍ معروفةٍ.

وبالاعتماد على ما ناقشته هذه الأطروحة وعدة دراساتٍ أخرى، يتشابه السكانديوم والحديد المنحلّين في مياه المحيط بالتوزع والتراكيز والتفاعل، وتختتم باركر أنّ دراسة هذين العنصرين وخواصهما ضمن المحيط قد يقدم تبصراتٍ جديدةً للعمليات الفيزيائية والكيميائية والحيوية التي تحصل فيه.

تدقيق رند عصام
المصدر