સ્કૅન્ડિયમ (scandium) : આવર્તક કોષ્ટકના 3જા (અગાઉના IIIA) સમૂહનું રાસાયણિક ધાતુતત્વ. સંજ્ઞા Sc. સ્વીડનના કૃષિરસાયણવિદ લાર્સ નિલ્સને યુક્ઝેનાઇટ (euxenite) અયસ્કમાંથી એક નવા ઑક્સાઇડને અલગ પાડ્યો અને તેને પોતાની માતૃભૂમિ (homeland) પરથી સ્કૅન્ડિયા અને તત્વને સ્કૅન્ડિયમ નામ આપ્યું. આ અગાઉ મેન્દેલિયેવે પોતાનું આવર્તક કોષ્ટક બનાવતી વખતે કોષ્ટકમાં આ તત્વની જગા ખાલી રાખેલી અને તેને એકાબોરોન (ekaboron) નામ આપેલું. 1937માં પોટૅશિયમ, લિથિયમ અને સ્કૅન્ડિયમના પીગળેલા ક્લોરાઇડના વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા ધાતુને અલગ પાડવામાં આવી હતી. 1960માં ધાતુનો એક રતલ જેટલો જથ્થો મેળવવામાં આવ્યો હતો.
ઉપસ્થિતિ : પૃથ્વીના પોપડામાં સ્કૅન્ડિયમની વિપુલતા 25 ppm જેટલી છે. પૃથ્વી ઉપર મળતાં તત્વોમાં વિપુલતાની દૃષ્ટિએ તેનું સ્થાન 50મું, જ્યારે સૂર્યમાં મળી આવતા તત્ત્વમાં 23મું છે. તે વિસ્તૃતપણે પણ ઓછી માત્રામાં વુલ્ફ્રેમાઇટ (wolframite), વિલ્કિટાઇટ (wilkitite), કૅસિટેરાઇટ (cassiterite) જેવી ખનિજોમાં વિતરિત થયેલું જોવા મળે છે. 1911માં નૉર્વેમાં શેટેલિગે થૉર્ટવીટાઇટ (thortveitite) નામના યુરેનિયમના ખનિજની શોધ કરી, જે સ્કૅન્ડિયમના ઑક્સાઇડ(Sc2O3)નો 35 %થી 40 % જેટલો જથ્થો ધરાવતું હતું. આમ આ ખનિજ (Sc2Si2O7) સ્કૅન્ડિયમ માટેની સમૃદ્ધ ખનિજ છે. યુરેનિયમ અને ટંગસ્ટન જેવી અન્ય ધાતુઓ મેળવતી વખતે ઉપપેદાશ (byproduct) તરીકે પણ તે મળે છે. (યુરેનિયમની ખનિજો 0.02 % Sc2O3 ધરાવે છે.) ઘણી વાર લેન્થેનૉઇડ અયસ્કોમાં પણ સ્કૅન્ડિયમ મળી આવે છે. નાભિકીય ખંડન(nuclear fission)ની નીપજોમાંથી પણ અલ્પ પ્રમાણમાં આ તત્વ મળી આવે છે.
નિષ્કર્ષણ : યુરેનિયમની ખનિજ થૉર્ટવીટાઇટ 46 % SiO2, 35 % જેટલો Sc2O3, ઉપરાંત ભારે વિરલ મૃદાઓ (rare earths), Al2O3, Fe2O3, હલકી વિરલ મૃદાઓ, MnO અને થોડાક પ્રમાણમાં CaO, MgO, ThO2 તેમજ થોડુંક Hf અને Zr ધરાવે છે.
1937માં ફિશર અને સહકાર્યકરોએ સ્કૅન્ડિયમ ક્લોરાઇડના વિદ્યુતવિભાજનથી સ્કૅન્ડિયમ ધાતુ સૌપ્રથમ મેળવી હતી. તેમાં 5 % જેટલી આયર્ન અને સિલિકનની અશુદ્ધિઓ હતી. તે પછી આયોવા સ્ટેટ યુનિવર્સિટીના સ્પેડિંગ અને દાનેએ સ્કૅન્ડિયમ મેળવવાની એક અન્ય રીત શોધી હતી, જેમાં સ્કૅન્ડિયમ ફ્લોરાઇડ મુખ્ય પ્રક્રિયક હોય છે.
(i) સ્કૅન્ડિયમ ફ્લોરાઇડ(ScF3)ની બનાવટ : એમોનિયમ બાઇફ્લોરાઇડ અને સ્કૅન્ડિયમ ઑક્સાઇડ(Sc2O3)ને વજનથી 2.5 : 1ના પ્રમાણમાં મિશ્ર કરી પ્લૅટિનમ કે મોનેલ(એક મિશ્રધાતુ)ની નૌકા (boat) આકારની ક્રુસિબલમાં 300° સે. તાપમાને 8થી 12 કલાક માટે હવાના પ્રવાહમાં ગરમ કરવામાં આવે છે. આથી 95 % જેટલા Sc2O3નું ScF3માં રૂપાંતર થાય છે. બાકી રહી ગયેલા 5 % જેટલા Sc2O3ને દળી ફરીથી ઉપરની માવજત આપતાં વધુ ScF3 મળે છે.
Sc2O3 + 6NH4HF2 → 2ScF3 + 6NH4F + 3H2O
એક અન્ય રીતમાં હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ (HF) વાયુના પ્રવાહમાં Sc2O3ને 700° સે. તાપમાને મોનેલની ટ્રે કે નળીમાં ગરમ કરવામાં આવે છે.
Sc2O3 + 6HF → 2ScF3 + 3H2O
જોકે આ માટે HFનો 200 % જેટલો વધુ જથ્થો જોઈતો હોવાથી NH4HF2 પ્રવિધિ વધુ પસંદ કરવામાં આવે છે.
(ii) Sc ધાતુની બનાવટ : (અ) સીધી અપચયન પ્રવિધિ : ScF3ના ચૂર્ણને નીચેની પ્રક્રિયા માટે જરૂરી કરતાં
10 % વધુ એવા દાણાદાર કૅલ્શિયમ સાથે મિશ્ર કરી તેને ટૅન્ટલમ કે ટંગસ્ટનની ક્રુસિબલમાં સિલિકા ટ્યૂબ-પ્રેરણ (induction) ભઠ્ઠીમાં એક વાતાવરણના દબાણે ગરમ કરવામાં આવે છે. ધાતુ અને ધાતુમળ (slag) પીગળેલો રહે તે માટે તાપમાન 1600° સે. જેટલું રાખવામાં આવે છે. આથી બે અલગ સ્તર મળે છે, જેમાં સ્કૅન્ડિયમ ધાતુ નીચેના ભાગમાં હોય છે.
2ScF3 + 3Ca → 2Sc + 3CaF2
વધારાનું કૅલ્શિયમ પણ ધાતુમળમાં સંકેન્દ્રિત થતું હોઈ તે ધાતુમળની ઘનતા ઓછી કરી અલગન સરળ બનાવે છે. સ્કૅન્ડિયમ ધાતુને અલગ પાડી તેના ગઠ્ઠા(ingots)ને ટૅન્ટલમની ક્રુસિબલમાં ફરીથી તપાવવામાં આવે છે, જેથી બાકી રહી ગયેલ 0.5 %થી 2 % જેટલું કૅલ્શિયમ પણ દૂર થાય. આ રીતે મળતા સ્કૅન્ડિયમમાં મુખ્યત્વે 3 %થી 5 % જેટલી ટૅન્ટલમની અશુદ્ધિ આવે છે, પણ કેટલાક કિસ્સાઓમાં તે ચલાવી લેવાય છે.
(આ) ઝિંક–મિશ્રધાતુ પ્રવિધિ : ScF3નું ઉપર્યુક્ત વિધિ કરતાં નીચા તાપમાને અપચયન કરવા માટે આ પ્રવિધિ વપરાય છે. આ માટે ચૂર્ણિત ScF3, પુન:નિસ્યંદિત કૅલ્શિયમ, ઝિંક અને લિથિયમ ફ્લોરાઇડને હિલિયમના વાતાવરણ (150 મિમી Hg) હેઠળ બંધ પાત્રમાં લઈ 1100° સે. તાપમાને નિષ્ક્રિય વાતાવરણમાં ગરમ કરવામાં આવે છે.
2ScF3 + 3Ca (10 % આધિક્ય) + 8Zn + 12LiF → 3(CaF2 . 4LiF) + 2(Sc + 4Zn) મિશ્રધાતુ. આ તાપમાને Sc-Zn ગલનક્રાંતિક (eutectic) મિશ્રધાતુ અને CaF2–LiF ગલનક્રાંતિક બન્ને પ્રવાહી રૂપે હોઈ બંને પ્રાવસ્થાનું અલગન સહેલાઈથી થઈ શકે છે. આ પ્રવિધિમાં સ્કૅન્ડિયમની મિશ્રધાતુ ટૅન્ટલમ સાથે નીચા તાપમાને સંપર્કમાં હોવાથી તેમાં ટૅન્ટલમ ભળવાનું પ્રમાણ ઓછું રહે છે.
બરડ મિશ્રધાતુને ઠંડી પાડ્યા પછી તેના વટાણા જેટલા નાના ટુકડા કરી શૂન્યાવકાશમાં 1200° સે.એ ગરમ કરવાથી ઝિંક નિસ્યંદિત થઈ જાય છે અને છિદ્રિષ્ઠ (spongy) પણ શુદ્ધ સ્કૅન્ડિયમ ધાતુ મળે છે. આને નિષ્ક્રિય વાતાવરણમાં પિગાળીને નક્કર ધાતુ મેળવવામાં આવે છે.
ગુણધર્મો : સ્કૅન્ડિયમ ચાંદી જેવી સફેદ, ચળકતી ધાતુ છે. શુદ્ધ ધાતુ પોચી (soft) હોય છે. ત્રીજા સમૂહનાં તત્વો પૈકી તે સૌથી હલકામાં હલકું તત્વ છે. તેના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણીમાં આપ્યા છે.
સારણી : સ્કૅન્ડિયમના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો
| ગુણધર્મ | મૂલ્ય |
| પરમાણુક્રમાંક | 21 |
| પરમાણુભાર | 44.9559 |
| ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ | [Ar] 3d14s2 |
| કુદરતી સમસ્થાનિકોની સંખ્યા | 1 |
| વિદ્યુતઋણતા | 1.3 |
| ગલનબિંદુ (° સે.) | 1539 |
| ઉત્કલનબિંદુ (° સે.) | 2748 |
| ઘનતા (20° સે.) (ગ્રા/ઘ.સેમી) | 3.0 |
| વિદ્યુતવાહકતા (20° સે.) (m ઓહ્મ સેમી) | 50–61 |
| E°M3+/M (વોલ્ટ) | –2.03 |
| DHfus (કિ.જૂ/મોલ) | 15.77 |
રાસાયણિક દૃષ્ટિએ સ્કૅન્ડિયમ વિરલ મૃદા ધાતુઓને મળતું આવે છે. હવામાં તે ધાતુ ખાસ ઝાંખી પડતી નથી પણ તેના પર આછા પીળા રંગની ઝાંય ઉત્પન્ન થાય છે. પાણી સાથે પણ તે ઝડપથી પ્રક્રિયા કરતું નથી. ઊંચાં તાપમાનોએ (500° સે.થી 800° સે.) હવામાં તેનું ઉપચયન થાય છે. ઍસિડ સાથે તે ઝડપથી પ્રક્રિયા કરે છે, પણ નાઇટ્રિક અને હાઇડ્રૉક્લોરિક ઍસિડના 1 : 1 મિશ્રણની તથા 48 % હાઇડ્રૉફ્લોરિક ઍસિડની તેના પર અસર થતી નથી. તેના આ ગુણનો ઉપયોગ તેમાંથી ટૅન્ટલમ દૂર કરવા થાય છે. તેની આયનિક ત્રિજ્યા નાની હોવાથી તે પ્રબળ સંકીર્ણકારક તરીકે વર્તે છે. જલીય દ્રાવણોમાં તેના ક્ષારો જળવિભાજન પામે છે. તેના ઑક્સાઇડ થોડા ઍસિડિક ગુણધર્મો પણ ધરાવે છે. તેના ક્ષારનાં જલીય દ્રાવણોમાં આલ્કલી હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરવાથી હાઇડ્રૉક્સાઇડના સરેશ જેવા અવક્ષેપ આપે છે. આ અવક્ષેપમાં વધુ સોડિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ ઉમેરવાથી તે દ્રાવ્ય થાય છે અને [Sc(OH)6]3– જેવા એનાયનિક સ્પીસિઝ ઉત્પન્ન કરે છે. ફ્લોરાઇડ સિવાયના તેનાં હેલાઇડ સંયોજનો જલદ્રાવ્ય અને ભેજદ્રવી (deliquescent) હોય છે. ScF3ના અવક્ષેપ ફ્લોરાઇડ આયનોના આધિક્યમાં ઓગળી જઈ [ScF6]3– સંકીર્ણ આયનો આપે છે.
સ્કૅન્ડિયમનાં સંકીર્ણ હેલાઇડ સંયોજનો બનાવવા માટે શુષ્ક પદ્ધતિઓ ઉપયોગમાં લેવાય છે, જેથી જળવિભાજન નિવારી શકાય. આ ઉપરાંત [Sc(dmso)6]3+ (dmso = ડાઇમિથાઇલ-સલ્ફોક્સાઇડ, Me2SO), [Sc(bipy)3]3+, [Sc(bipy)2(NCS)2]+ અને [Sc(bipy)2Cl]+ જેવાં સંકીર્ણો પણ બનાવી શકાયાં છે, જેમાં ધાતુનો સવર્ગાંક (coordination number) 6 હોય છે. 1, 3, 5-ડાઇ-tert-બ્યુટાઇલ બેન્ઝિન (tert = tertiary) જેવા મોટા લિગેન્ડ સાથે 77 K તાપમાને તે અસ્થાયી સેન્ડવિચ-સંયોજન [Sc(h6But3 C6H3)2] આપે છે, જેમાં ધાતુની સંયોજકતા શૂન્ય જોવા મળે છે. કદમાં સ્થૂળ (bulky) અને β હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ ન ધરાવતા હોય તેવા Me3SiCH2 અને Me3CCH2 આલ્કીલ (alkyl) સમૂહો સાથે ScR3 જેવાં સંયોજનો પણ મેળવી શકાયાં છે.
ઉપયોગ : સ્કૅન્ડિયમની વધુ સક્રિયતા અને ઊંચી કિંમતને લીધે ધાતુનાં કે તેનાં સંયોજનો ઔદ્યોગિક રીતે બહુ ઉપયોગિતા ધરાવતાં નથી. થોડા પ્રમાણમાં તેનો ઉપયોગ લેસર-સ્ફટિકો અને આચ્છાદનો (coatings) માટે થાય છે. નીચી ઘનતા અને ઊંચું ગલનબિંદુ ધરાવતી હોવાથી વજન-ધાતુ (weight metal) તરીકે તેનો ઉપયોગ થાય છે. અણુભઠ્ઠીમાં વિકિરણન (irradiation) બાદ ϒ-વિકિરણ ઉત્પન્ન કરે છે અને તત્વનો અર્ધઆયુ 8.5 દિવસનો હોવાથી તે રેડિયોથેરાપીમાં વપરાય છે. વિકિરણધર્મી સ્કૅન્ડિયમનો ઉપયોગ અનુજ્ઞાપક (tracer) અભ્યાસમાં અને ક્ષર(leak)-પરખમાં થાય છે.
ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ