Sкандій, із символом елемента Sc і атомним номером 21, легко розчинний у воді, може взаємодіяти з гарячою водою і легко темніє на повітрі. Його головна валентність +3. Він часто змішується з гадолінієм, ербієм та іншими елементами з низьким виходом і вмістом приблизно 0,0005% у земній корі. Скандій часто використовується для виготовлення спеціального скла і легких жароміцних сплавів.
В даний час підтверджені запаси скандію в світі становлять лише 2 мільйони тонн, 90-95% з яких містяться в бокситах, фосфоритах і залізо-титанових рудах, а невелика частина - в уранових, торієвих, вольфрамових і рідкоземельних рудах, в основному поширений в Росії, Китаї, Таджикистані, Мадагаскарі, Норвегії та інших країнах. Китай дуже багатий на ресурси скандію, з величезними запасами мінералів, пов'язаних зі скандієм. Згідно з неповною статистикою, запаси скандію в Китаї становлять близько 600 000 тонн, які містяться в родовищах бокситів і фосфоритів, порфірових і кварцово-жильних родовищах вольфраму в Південному Китаї, родовищах рідкоземельних елементів в Південному Китаї, родовищах рідкоземельних залізних руд Баян-Обо в Внутрішня Монголія та родовище ванадій-титаномагнетиту Паньчжіхуа в Сичуані.
Через дефіцит скандію ціна на скандій також дуже висока, і на піку ціна скандію була завищена до 10-кратної ціни золота. Незважаючи на те, що ціна скандію впала, вона все ще в чотири рази вища за ціну на золото!
Відкриття історії
У 1869 році Менделєєв помітив розрив в атомній масі між кальцієм (40) і титаном (48) і передбачив, що тут також є невідкритий елемент із середньою атомною масою. Він передбачив, що його оксид є X ₂ O Å. Скандій був відкритий у 1879 році Ларсом Фредеріком Нільсоном з Упсальського університету у Швеції. Він добув його з копальні чорного рідкісного золота, комплексної руди, яка містить 8 типів оксидів металів. Він добувЕрбій(ІІІ) оксидз руди чорного рідкісного золота, і отриманоІтербій(ІІІ) оксидз цього оксиду, і є інший оксид легшого елемента, спектр якого показує, що це невідомий метал. Це метал, передбачений Менделєєвим, оксидом якого єSc₂O₃. Сам металевий скандій виготовлявся зХлорид скандіюелектролітичною плавкою в 1937 році.
Менделєєва
Електронна конфігурація
Електронна конфігурація: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Скандій — це м’який сріблясто-білий перехідний метал з температурою плавлення 1541 ℃ і температурою кипіння 2831 ℃.
Протягом значного періоду часу після його відкриття використання скандію не було продемонстровано через складність його виробництва. З удосконаленням методів розділення рідкоземельних елементів тепер існує зрілий процес очищення сполук скандію. Оскільки скандій є менш лужним, ніж ітрій і лантаноїд, гідроксид є найслабшим, тому змішаний мінерал рідкоземельного елемента, що містить скандій, буде відділено від рідкоземельного елемента за допомогою методу «етапного осадження», коли гідроксид скандію (III) обробляється аміаком після переводиться в розчин. Інший метод полягає у виділенні нітрату скандію шляхом полярного розкладання нітрату. Оскільки нітрат скандію найлегше розкладається, скандій можна відокремити. Крім того, важливим джерелом скандію є комплексне відновлення супутнього скандію з родовищ урану, торію, вольфраму, олова та інших корисних копалин.
Отримавши чисту сполуку скандію, її перетворюють на ScCl Å і спільно плавлять з KCl і LiCl. Розплавлений цинк використовується як катод для електролізу, в результаті чого скандій випадає в осад на цинковому електроді. Потім цинк випарюють для отримання металевого скандію. Це легкий сріблясто-білий метал із дуже активними хімічними властивостями, який може реагувати з гарячою водою з утворенням водню. Отже, металевий скандій, який ви бачите на малюнку, закривають у пляшку та захищають газоподібним аргоном, інакше скандій швидко утворить темно-жовтий або сірий шар оксиду, втрачаючи свій блискучий металевий блиск.
Додатки
Світлотехнічна промисловість
Застосування скандію зосереджено в дуже яскравих напрямках, і не буде перебільшенням назвати його Сином Світла. Перша чарівна зброя скандію називається скандієво-натрієвою лампою, яку можна використовувати для освітлення тисяч домогосподарств. Це металогалогеневе електричне світло: колба заповнюється йодидом натрію та трийодидом скандію, одночасно додається скандій та натрієва фольга. Під час високовольтного розряду іони скандію та іони натрію відповідно випромінюють світло з характерною довжиною хвилі випромінювання. Спектральні лінії натрію становлять 589,0 і 589,6 нм, два відомих жовтих світла, тоді як спектральні лінії скандію становлять 361,3~424,7 нм, серія випромінювання ближнього ультрафіолетового та синього світла. Оскільки вони доповнюють один одного, загальний колір виробленого світла є білим світлом. Саме тому, що скандієво-натрієві лампи мають характеристики високої світлової ефективності, гарного кольору світла, енергозбереження, тривалого терміну служби та сильної здатності розбивати туман, їх можна широко використовувати для телевізійних камер, площ, спортивних об’єктів та освітлення доріг, і відомі як джерела світла третього покоління. У Китаї цей тип ламп поступово просувається як нова технологія, тоді як у деяких розвинених країнах цей тип ламп широко використовувався ще на початку 1980-х років.
Другою чарівною зброєю скандію є сонячні фотоелементи, які можуть збирати світло, розсіяне на землі, і перетворювати його на електрику, щоб рухати людське суспільство. Скандій є найкращим бар'єрним металом у металевих ізоляторах, напівпровідникових кремнієвих сонячних елементах і сонячних елементах.
Його третя чарівна зброя називається джерелом променів γ. Ця чарівна зброя може яскраво світити сама по собі, але неозброєним оком цей тип світла неможливо отримати, це потік фотонів високої енергії. Зазвичай ми витягуємо 45Sc з мінералів, що є єдиним природним ізотопом скандію. Кожне ядро 45Sc містить 21 протон і 24 нейтрони. 46Sc, штучний радіоактивний ізотоп, можна використовувати як джерело γ-випромінювання або атоми-індикатори також можна використовувати для радіотерапії злоякісних пухлин. Існують також такі додатки, як ітрій-галій-скандієво-гранатовий лазер,Фтористий скандійскляне інфрачервоне оптичне волокно та електронно-променева трубка зі скандієвим покриттям на телебаченні. Здається, скандій народжується з яскравістю.
Сплавна промисловість
Скандій в його елементарній формі широко використовується для легування алюмінієвих сплавів. Поки до алюмінію додається кілька тисячних часток скандію, утворюється нова фаза Al3Sc, яка відіграватиме метаморфічну роль в алюмінієвому сплаві та істотно змінюватиме структуру та властивості сплаву. Додавання 0,2% ~ 0,4% Sc (що дійсно схоже на частку додавання солі для перемішування смажених овочів вдома, потрібно лише трохи) може збільшити температуру рекристалізації сплаву на 150-200 ℃ і значно покращити високу -температурна міцність, структурна стабільність, зварювальні характеристики та стійкість до корозії. Це також може уникнути явища крихкості, яке легко виникає під час тривалої роботи при високих температурах. Висока міцність і висока в'язкість алюмінієвого сплаву, новий високоміцний корозійно-стійкий зварюваний алюмінієвий сплав, новий високотемпературний алюмінієвий сплав, високоміцний алюмінієвий сплав, стійкий до нейтронного опромінення тощо, мають дуже привабливі перспективи розвитку в аерокосмічній, авіаційній, кораблях, ядерні реактори, легкі транспортні засоби та високошвидкісні поїзди.
Скандій також є чудовим модифікатором чавуну, і невелика кількість скандію може значно підвищити міцність і твердість чавуну. Крім того, скандій також можна використовувати як добавку для високотемпературних сплавів вольфраму та хрому. Звичайно, окрім виготовлення весільного одягу для інших, скандій має високу температуру плавлення, а його щільність подібна до алюмінію, а також використовується в легких сплавах з високою температурою плавлення, таких як титановий сплав скандію та магнієвий сплав скандію. Однак через високу ціну він зазвичай використовується лише у високотехнологічних галузях промисловості, таких як космічні човники та ракети.
Керамічний матеріал
Скандій, одна речовина, як правило, використовується в сплавах, а його оксиди відіграють важливу роль у керамічних матеріалах подібним чином. Тетрагональний цирконієвий керамічний матеріал, який можна використовувати як електродний матеріал для твердооксидних паливних елементів, має унікальну властивість, завдяки якій провідність цього електроліту збільшується зі збільшенням температури та концентрації кисню в навколишньому середовищі. Однак сама кристалічна структура цього керамічного матеріалу не може існувати стабільно і не має промислового значення; Необхідно легувати деякими речовинами, які можуть закріпити цю структуру, щоб зберегти її початкові властивості. Додавання 6~10% оксиду скандію схоже на бетонну структуру, так що діоксид цирконію може бути стабілізований на квадратній решітці.
Існують також інженерні керамічні матеріали, такі як високоміцний і стійкий до високих температур нітрид кремнію в якості ущільнювачів і стабілізаторів.
Як ущільнювач,Оксид скандіюможе утворювати тугоплавку фазу Sc2Si2O7 на краю дрібних частинок, таким чином зменшуючи високотемпературну деформацію інженерної кераміки. У порівнянні з іншими оксидами він може краще покращити високотемпературні механічні властивості нітриду кремнію.
Каталітична хімія
У хімічній інженерії скандій часто використовують як каталізатор, тоді як Sc2O3 можна використовувати для дегідратації та розкислення етанолу або ізопропанолу, розкладання оцтової кислоти та виробництва етилену з CO та H2. Каталізатор Pt Al, що містить Sc2O3, також є важливим каталізатором для очищення гідрування важкої нафти та процесів переробки в нафтохімічній промисловості. У реакціях каталітичного крекінгу, таких як кумол, активність цеолітного каталізатора Sc-Y в 1000 разів вища, ніж алюмосилікатного каталізатора; У порівнянні з деякими традиційними каталізаторами, перспективи розвитку скандієвих каталізаторів будуть дуже яскравими.
Атомна енергетика
Додавання невеликої кількості Sc2O3 до UO2 у ядерному паливі високотемпературного реактора може уникнути трансформації решітки, збільшення об’єму та розтріскування, викликаного перетворенням UO2 на U3O8.
Паливний елемент
Так само додавання від 2,5% до 25% скандію до нікелевих лужних батарей збільшить термін їх служби.
Сільськогосподарська селекція
У сільському господарстві таке насіння, як кукурудза, буряк, горох, пшениця та соняшник, можна обробити сульфатом скандію (концентрація зазвичай становить 10-3~10-8моль/л, різні рослини будуть мати різний ефект), і фактичний ефект сприяння проростанню було досягнуто. Через 8 годин суха маса коренів і бруньок збільшилася на 37% і 78% відповідно в порівнянні з розсадою, але механізм все ще вивчається.
З моменту звернення Нільсена до даних про атомну масу до сьогоднішнього дня скандій з’явився в уяві людей лише через сто чи двадцять років, але сто років він майже просидів на лаві підсудних. Лише бурхливий розвиток матеріалознавства наприкінці минулого століття приніс йому життєву силу. Сьогодні рідкоземельні елементи, включно зі скандієм, стали гарячими зірками в матеріалознавстві, відіграючи постійно змінювані ролі в тисячах систем, щодня приносячи більше зручності в наше життя та створюючи економічну цінність, яку ще важче виміряти.
Час публікації: 29 червня 2023 р