مشخصات فلز آنتیموان

آنتیموان یک عنصر شیمیایی با علامت Sb و عدد اتمی ۵۱ است. آنتیموان یک فلز متخلخل خاکستری است و به طور عمده به عنوان سولفید معدن در طبیعت یافت می‌شود. ترکیبات آنتیموان از زمان‌های قدیم شناخته شده هستند و برای کاربست آن ها در صنایعی مانند دارو و لوازم آرایشی به حالت پودری در آمده‌اند.

آنتیموان یک عنصر شیمیایی نیمه فلزی ( Semimetalic ) است. نوع فلزی انتیموان ظاهری روشن و نقره ای رنگ داشته و سخت و شکننده است. فرم غیر فلزی آن عمدتا به شکل یک پودر خاکستری است. این ماده گاهی در طبیعت به صورت آزاد یافت می شود. اما معمولاً از سنگ معدن “ استبنیت ” (Sb₂S₃) و “ والنتینیت ” (Sb₂O₃) به دست می آید.

آنتیموان رسانای ضعیف گرما و برق است. در هوای خشک پایدار است و توسط اسیدهای رقیق یا قلیایی مورد حمله قرار نمی گیرد. نکته جالب در مورد آنتیموان و برخی از آلیاژهای آن این است که در اثر خنک شدن منبسط می شوند.

از آنتیموان بسیار خالص برای ساخت انواع خاصی از دستگاه های نیمه رسانا مانند دیودها و ردیاب های مادون قرمز استفاده می شود. با آلیاژسازی این فلز به همراه سرب، می توان دوام سرب را چندین برابر کرد.

از آلیاژهای آنتیموان در باتری ها، فلزات با اصطکاک کم ( Low Friction Metals )، کابل و بسیاری محصولات دیگر استفاده می شود. ترکیبات این عنصر نیز برای ساخت مواد ضد شعله، رنگ، مینای دندان سرامیک، شیشه و سفال به کار می رود. مصریان باستان از ماده “ استبنایت ” که حاوی آنتیموان است، به عنوان خط چشم استفاده می کردند.

روش‌های صنعتی برای پالایش آنتیموان عبارتند از :

• حرارت دادن
• کاهش‌کربن و یا کاهش مستقیم اتیبنیت با آهن

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی آنتیموان
عدد اتمی	۵۱
جرم اتمی	۱۲۱٫۷۵
نقطه ذوب	۶۳۱ ºC
نقطه جوش	۱۳۸۰ ºC
شعاع اتمی	۱۴۰ pm
رنگ	خاکستری نقره ای درخشان
حالت استاندارد	جامد
گروه	۵A
انرژی یونیزاسیون	۸۳۴  Kj/mol
شعاع یونی	۰٫۲۴۵ nm (-3); 0.062 nm (+5); 0.076 nm (+3)
شکل الکترونی	[ Kr ] 4d10 5s25p3
الکترونگاتیوی	۱٫۹
حالت اکسیداسیون	۵, ۳, -۳
چگالی	۶٫۶۸۴ g/cm3
دوره تناوبی	۵
شماره سطح انرژی یونیزاسیون	۵
شعاع کووالانسی	۱۳۹±۵ pm
شعاع واندروالس	۲۰۶ pm
گرمای تبخیر	۱۶۳٫۴۳ Kj/mol

بزرگ ترین کشورهای تولیدکننده آنتیموان

• چین : بیشترین تولید آن از معدن Xikuangshan در هونان می باشد
• روسیه
• بولیوی
• استرالیا
• آفریقای جنوبی
• تاجیكستان
• مكزیک
• آمریكا
• ایران

کشف آنتیموان به چه زمانی بازمی گردد؟

برخلاف بسیاری از فلزات، آنتیموان هزاران سال است که توسط انسان استفاده می شود. مصریان باستان حدود ۵۰۰۰ سال پیش، از این فلز در محصولات آرایشی و دارویی استفاده می کردند. پزشکان یونان باستان پودرهای آن را برای درمان اختلالات پوستی تجویز می کردند.

در قرون وسطی نیز آنتیموان فلز مورد علاقه کیمیاگران بود. براساس برخی از اولین کتاب های متالورژی در اروپا، روش های اولیه برای جداسازی فلز آنتیموان ( Isolating Antimony Metal ) احتمالاً توسط شیمی دانان ایتالیایی و بیش از ۶۰۰ سال پیش شناخته شده بود.

آنتیموان و ترکیبات آن در گذشته بسیار شناخته شده بود و یک گلدان از جنس فلز آنتیموان ۵۰۰۰ ساله در موزه لوور پاریس وجود دارد. سولفور آنتیموان (Sb_۲S_۳) در پاپیروس های مصری قرن شانزدهم قبل از میلاد ذکر شده است. شکل سیاه این رنگدانه که به طور طبیعی به عنوان ماده معدنی استبنیت وجود دارد.

یکی دیگر از رنگدانه های شناخته شده از این فلز ،آنتیمون سرب زرد بود که در تمدن کلدانی شناخته شده بود، که در مناطق جنوبی عراق در قرن های ۶ و ۷ قبل از میلاد استفاده می شد. این ترکیب در لعاب آجرهای تزئینی در بابل پیدا شده بود. آنتیموان به طور گسترده ای در دوران قرون وسطی مورد استفاده قرار می گرفت.

مروری بر خواص فلز آنتیموان

پایدارترین شکل آنتیموان عنصری، ماده ای شکننده و نقره ای با درخشش فلزی بالا است. رسوب الکترولیتی آنتیموان در شرایط خاص نوعی شکل ناپایدار و آمورف را ایجاد می کند که “ آنتیموان انفجاری ” نامیده می شود. زیرا در صورت خم شدن یا خراشیدن، به صورت انفجاری ملایم به شکل فلزی با ثبات تر تغییر می یابد.

یک نوع آنتیموان سیاه آمورف نیز وجود دارد که در اثر کوئنچ ناگهانی از فاز بخار تولید می شود. یک فرم زرد رنگ از این فلز نیز مشاهده شده که به دلیل اکسیداسیون دمای پایین ماده “ استیبین ” با فرمول شیمیایی SbH₃ در هوا یا کلر ایجاد می شود.

آنتیموان فلزی در شرایط عادی تحت تأثیر هوا و رطوبت قرار نمی گیرد. اما اگر هوا مرطوب باشد به تدریج اکسید می شود. آنتیموان هنگام گرمایش به راحتی توسط گوگرد و هالوژن ها اکسید می شود. هنگامی که در هوا گرم می شود، با شعله آبی درخشان می سوزد و بخارهای سفید تری اکسید با فرمول شیمایی Sb₂O₃ را تشکیل می دهد. تری اکسید آنتیموان هم در اسیدها و هم در مواد قلیایی محلول است.

ساختار الکترونیکی آنتیموان تقریباً شبیه آرسنیک است و دارای سه اوربیتال نیمه پر در خارجی ترین پوسته خود است. بنابراین می تواند سه پیوند کووالانسی ایجاد کند و حالت های اکسیداسیون +۳ و -۳ را تشکیل دهد. الکترونگاتیویتی آنتیموان، مانند آرسنیک، تا حدودی بحث برانگیز است. به طور کلی توافق شده است که این پارامتر در این عنصر کمتر از آرسنیک است. اما اینکه از فسفر نیز کمتر باشد، قطعی نیست.

این عنصر می تواند به عنوان یک ماده اکسید کننده عمل کند و با بسیاری از فلزات واکنش دهد. در نتیجه آنتی‌مونیدهایی ( Antimonides ) را تشکیل می دهد که به طور کلی شبیه نیتریدها، فسفیدها و آرسنیدها هستند. اما تا حدودی فلزی نیز هستند. ارتقای یکی از الکترون های جفت نشده به یک اوربیتال d خارجی ظاهراً در آنتیموان راحت تر از آرسنیک اتفاق می افتد. زیرا آنتیموان حالت اکسیداسیون ۵+  را در تشکیل ترکیبات “ پنتافلوراید ” و “ پنتاکلراید ” از خود نشان می دهد.

توزیع و فراوانی آنتیموان

فراوانی آنتیموان در زمین تقریباً یک پنجم عنصر آرسنیک است. یعنی به طور متوسط حدود یک گرم در هر تن پوسته زمین یافت می شود. از نظر کیهانی، تخمین زده می شود به ازای هر ۵،۰۰۰،۰۰۰ اتم سیلیکون، یک اتم آنتیموان وجود داشته باشد.

آنتیموان دو ایزوتوپ پایدار دارد که از نظر فراوانی تقریباً برابر هستند و در طبیعت یافت می شوند. جرم یکی ۱۲۱ و دیگری ۱۲۳ است. ایزوتوپ های رادیواکتیو این عنصر دارای جرم های ۱۲۰ ، ۱۲۲ ، ۱۲۴ ، ۱۲۵ ، ۱۲۶ ، ۱۲۷ ، ۱۲۹ و ۱۳۲ هستند که عمدتا به صورت مصنوعی تولید می شوند.

امروزه رسوبات بسیار کمی از فلز خالص آنتیموان یافت می شود. در واقع بیشتر فراوانی و توزیع آنتیموان، در قالب بیش از ۱۰۰ ماده معدنی است. اگر یادتان باشد گفتیم که مهم ترین آن ها سنگ معدن “استبنیت” (Sb₂S₃) و “والنتینیت” (Sb₂O₃) است. ذخایر کوچک استبنیت در الجزایر ، بولیوی ، چین ، مکزیک، پرو، آفریقای جنوبی و در مناطقی از شبه جزیره بالکان یافت می شود.

سنگ های دیگری که تولید آنتیموان از آن ها ارزش اقتصادی داشته باشد عبارتند از :

• کرمزیت (۲Sb₂S₃ · Sb₂O₃)
• تتراهدریت ارگانیفرس ((Cu,Fe)₁₂ Sb₄S₁₃)
• لیوینگستونیت (HgSb₄S₇)
• جامسونیت (Pb₄FeSb₆S₁₄)

مقادیر کمی آنتیموان نیز از فرایند تولید مس و سرب قابل بازیابی است. تقریباً نیمی از آنتیموان تولیدی، از آلیاژ قراضه سرب حاصل از باتری های قدیمی بازیافت می شود. این عنصر برای تأمین سختی به باتری های قدیمی اضافه می شد.

استخراج آنتیموان به چه صورتی انجام می شود؟

سنگ استبنیت با گرید بالا ( یا غنی شده از آنتیموان ) مستقیماً با آهن قراضه در حالت مذاب واکنش می دهد و باعث آزاد شدن فلز آنتیموان می شود. این فرایند در دمای ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سلسیوس انجام می گیرد. بنابراین به طور کلی، آنتیموان را می توان با تبدیل استنبنیت به اکسید و به دنبال آن احیا با کربن ( کک ) به دست آورد. واکنش های شیمیایی اصلی که در این فرایند روی می دهد به صورت زیر است :

Sb₂S₃ + 3Fe → ۲Sb + 3FeS

۲Sb₂S₃+ 3C → ۴Sb + 3CO₂

محلول های سولفور سدیم، عامل لیچینگ موثری برای افزایش غلظت استیبنیت هستند. در واقع الکترولیز همین محلول هاست که باعث تولید آنتیموان می شود. همان طور که در واکنش ها مشخص است، در ابتدا سولفید به اکسید تبدیل می شود. سپس محصول پخته می شود. در نهایت آنتیموان با احیای کربوترمال از اکسید جدا می شود.

پس از پالایش بیشتر آنتیموان خام، فلز حاصل که Regulus نامیده می شود، به صورت کیک ریخته گری می شود. استخراج آنتیموان از سنگ معدن تا حدود زیادی به کیفیت و ترکیب سنگ معدن بستگی دارد. اکثر انتیموان تولیدی به صورت سولفید استخراج می شود. سنگ معدن های گرید پایین را نیز می توان با فرایند شناورسازی تغلیظ کرد.

ذخایر معادن فلز آنتیموان در ایران

مهم ترین معدن آنتیموان در ایران، معدن “ سفیدآبه ” است.

این معدن در فاصلۀ ۳۰۰ کیلومتری شمال غرب زاهدان در استان سیستان و بلوچستان احداث شده است. بهره‌بردار و دارنده پروانه بهره‌برداری این معدن، “ شرکت تهیه و تولید مواد معدنی ایران ” است.

ذخیره قطعی این معدن براساس پروانه بهره برداری، ۴۵۰۰ تن کانسنگ آنتیموان با عیار ۳۷ درصد است. البته باتوجه به گزارش ارزیابی مجدد ذخایر، گزارشاتی مبنی بر افزایش ذخیره از ۵۰۰۰ به ۲۵۰۰۰ تن شده است.

استخراج اسمی سالیانه کانسنگ بر اساس پروانه بهره‌برداری در زمان راه اندازی معدن و کارخانه، برابر با ۵۰۰ تن کانسنگ بوده است. با مطالعات آزمایشگاهی که روی شمش تولیدی آنتیموان انجام شده است، در نهایت محصولی با عیار ۹۸/۹۹ درصد به دست آمده که با استاندارد جهانی برابری می ‌کند.

معدن آنتیموان “ تربت جام ” نیز دومین معدن مهم این فلز در ایران است.

این معدن در ۴۵ كيلومتری شمال غرب تربت جام و در روستای چشمه جوهر قرار دارد. گستره اين محدوده معدنی ۱۰٫۳ كيلومتر مربع است. ذخيره قطعی اين معدن ۱۲ هزار تن آنتيموان، ميزان استخراج سالانه آن هزار و ۵۰۰ تن و نوع سنگ آن، كانی سولفيد آنتيموان در سنگ بستر كربناته با عيار ۲۵ درصد است.

البته علاوه بر استان های سیستان و بلوچستان و خراسان رضوی، در استان های آذربایجان شرقی ، آذربایجان غربی ، اردبیل ، کردستان ، زنجان و اصفهان نیز رگه هایی از آنتیموان شناسایی شده است.

سازمان زمین شناسی کل محدوده هایی را که در کشور ذخایر آنتیموان دارد مورد بررسی قرار داده طبق اطلاعات این سازمان حداقل بیش از ۱۰۰ هزار تن آنتیموان را در محدوده های کلات چوبک خراسان رضوی در کوه سرخ کاشمر، در منطقه ارقچ و منطقه نگیان کشف کرده است. در حالی که گرداگرد زاهدان ذخایر آنتیموان بسیاری وجود دارد و تا امروز حداقل محدوده ذخیره در استان شناسایی شده است که بیشترین ذخایر آنتیموان ایران است. بنابراین با توجه به اطلاعات موجود باید گفت : کمربند آنتیموان در کشور از تربت جام آغاز شده و تا زاهدان کشیده می شود.

کاربردهای آنتیموان

آنتیموان شبه فلزی ترد و هادی ضعیف گرما و الکتریسیته است. این ماده با درجه خلوص خیلی بالا برای ساخت تجهیزات نیمه هادی مانند دیودها و آشکارساز مادون قرمز استفاده می شود. آنتیموان با سرب برای بالا بردن دوام سرب آلیاژسازی می شود. آلیاژهای آنتیموان همچنین در باطری ها، فلزات کم اصطکاک و پوشش کابل ها استفاده می شود.

ترکیبات آنتیموان برای ساخت مواد ضد آتش، رنگ ها، مواد میناکاری سرامیکی، شیشه و سفالگری استفاده می شود. بزرگترین کاربرد فلز آنتیموان ، کاربرد آن به عنوان آلیاژ با سرب ، قلع و صفحات آنتیموان سرب در باتری‌های اسید‌ سرب است. ترکیب آلیاژهای سرب و قلع با آنتیموان، خواص آن ها را برای لحیم کاری، ساخت گلوله و یا ساخت طاقان ساده بهبود می‌بخشد.

ترکیبات آنتیموان، از افزودنی‌های مهم برای مواد ضد‌کلر و بروم که حاوی مواد مقاوم در برابر آتش هستند در بسیاری از محصولات تجاری و خانگی وجود دارد. یک کاربرد جدید از آنتیموان استفاده از آن در میکرو الکترونیک است.

• آلیاژها و ترکیبات انتیموان

تقریباً نیمی از آنتیموان تولیدی در مصارف متالورژیکی مصرف می شود و عمدتا در آلیاژها به کار می رود. از آنجا که برخی از آلیاژهای آنتیموان در حین انجماد منبسط می شوند، به عنوان یک فلز ریختگی دارای ارزش هستند.

انبساط آلیاژ، فلز را مجبور خواهد کرد شکاف های کوچک قالب های ریخته گری را پر کند. علاوه بر این، وجود آنتیموان در آلیاژهایی که شامل سرب و مقادیر کمی قلع باشند، سختی آلیاژ را افزایش می دهد.

این عنصر حتی اگر با مقدار کم به فلزاتی نظیر سرب نیز اضافه شود، استحکام و سختی را افزایش می دهد. آلیاژهایی که تشکیل می شود را می توان به طور گسترده در صفحات باتری اتومبیل، گلوله ها، پوشش کابل ها و تجهیزات شیمیایی مانند مخازن و لوله ها به کار گرفت.

آنتیموان آلیاژهای ضد اصطکاکی به نام بابیت (babbitt) را تشکیل می دهد که در اجزای یاتاقان های ماشین استفاده می شوند. همچنین به همراه قلع، آلیاژهایی مانند بریتانیا و پیوتر را که برای ظروف استفاده می شود، تشکیل می دهد.

از این عنصر به عنوان آلیاژ لحیم کاری نیز استفاده می شود. همچنین، از انواع بسیار خالص آن در فناوری نیمه هادی برای تهیه ترکیبات بین فلزی با ایندیم، آلومینیوم و آنتیمونید گالیوم برای دیودها و ردیاب های مادون قرمز استفاده می شود.

از ترکیبات آنتیموان ( به خصوص تری‌اکسید ) به عنوان مواد بازدارندۀ آتش در رنگ ها، پلاستیک ها، انواع لاستیک و منسوجات به طور گسترده ای استفاده می شود. از چندین ترکیب دیگر آنتیموان به طور مستقل به عنوان رنگدانه استفاده می شود.

ماده Tartar Emetic که یک نمک آلی آنتیموان است، در صنایع نساجی برای کمک به اتصال برخی از رنگ ها به پارچه استفاده می شود.

• بازدارنده های آتش و شعله

یکی از کاربردهای معمول آنتیموان، استفاده به صورت تری اکسید برای کاربردهای ضد شعله است. این عنصر همیشه در کنار بازدارنده های هالوژنه ( Halogenated Flame Retardants ) استفاده می شود. البته به جز پلیمرهای حاوی هالوژن.

اثر بازدارندگی تری اکسید آنتیموان، در اثر تشکیل ترکیبات هالوژنه آنتیموان به وجود می آید. این عنصر با اتم های هیدروژن و احتمالاً با اتم های اکسیژن و رادیکال های OH واکنش نشان می دهد و در نهایت باعث مهار آتش می شود.

اصلی ترین بازارهای این نوع بازدارنده های آتش، شامل مبلمان، لباس کودکان، اسباب بازی ها، هواپیماها و روکش صندلی های اتومبیل است. همچنین برای مواردی مانند روکش موتور هواپیماهای سبک، بازدارنده های آنتیموانی به رزین های پلی استر در کامپوزیت های فایبرگلاس اضافه می شود. البته باید توجه کرد که این رزین در حضور شعله خارجی می سوزد. اما با برداشته شدن شعله، خاموش می شود و سوزندگی آن ادامه نمی یابد.

• زیست شناسی و پزشکی

در زیست شناسی و پزشکی کاربردهای کمی برای آنتیموان گزارش شده است. آنتیموان و ترکیبات آن در چندین داروی دامپزشکی مانند “ آنتیومالین ” و “ تیومالات آنتیموان لیتیم ” به عنوان نرم کننده پوست در نشخوارکنندگان استفاده می شود. آنتیموان یک سری اثرات مُغَذی بر روی بافت های کراتینه شده در حیوانات دارد.

دیگر داروهای مبتنی بر آنتیموان، مانند “ مگلومین آنتیمونیات ” نیز به عنوان داروهای انتخابی برای درمان بیماری سالک در حیوانات اهلی استفاده می شوند. از نظر تاریخی، پودر حاصل از آنتیموان خرد شده ( سرمه ) با استفاده از میله فلزی و چاشنی بر روی چشم زده می شود.

آثار بیولوژیکی و سمی آنتیموان

آنتیموان و تعدادی از ترکیبات آن بسیار سمی هستند. در حقیقت، استفاده از ترکیبات آنتیموان برای اهداف دارویی به دلیل تعداد تلفاتی که ایجاد کرد، چند قرن پیش به طور موقت غیرقانونی اعلام شد.

از معدود ترکیباتی که در حال حاضر در پزشکی انسان به عنوان خلط آور، برافروزان و تحریک کننده استفاده می شود، ماده Tartar Emetic است که پیش از این نام بردیم. لازم به ذکر است امروزه این دارو کم کم با دارویی تحت عنوان Praziquantel جایگزین می شود. حداکثر غلظت قابل تحمل گرد و غبار آنتیموان در هوا تقریباً مانند آرسنیک است که ۰٫۵ میلی گرم در هر متر مکعب گزارش شده است.

افرادی که با آنتیموان کار می کنند، با تنفس در غبارهای حاوی این عنصر ممکن است آسیب ببینند. قرار گرفتن در معرض آنتیموان توسط انسان می تواند با تنفس هوا، نوشیدن آب و خوردن غذاهای حاوی آن صورت گیرد. تنفس آنتیموان که در فاز گازی به هیدروژن متصل باشد، اثرات منفی زیادی روی سلامتی خواهد داشت.

قرار گرفتن در معرض غلظت نسبتاً زیاد این عنصر ( ۹ میلی گرم در هر متر مکعب هوا ) برای مدت زمان طولانی می تواند باعث تحریک چشم، پوست و ریه ها شود. با ادامه تماس، ممکن است اثرات جدی تری روی سلامتی مانند بیماری های ریوی، مشکلات قلبی و… رخ دهد.