Значение слова скандий. Скандий история Где применяется скандий
Этот серебристый металл почти так же легок, как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь.
Этого металла на земле в 60 раз больше, чем серебра, но стоит он намного дороже золота.
До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов периодической системы. Ныне с его помощью решена одна из важных проблем вычислительной техники.
Экабор Менделеева
1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев разослал в научные учреждения России и других стран первое изображение «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это был отдельный листок, мало похожий на известную теперь всему миру менделеевскую таблицу.
Таблица появилась двумя гидами позже.
В 1871 г. ее клетки, предназначенные для 21, 31 и 32-го элементов, занимали вопросительные знаки. Но рядом с ними, как и в других клетках, стояли цифры атомных весов.
Элемент №21 Менделеев предложил предварительно назвать экабором, «производя это название от того, что он следует за бором, а слог эка производится от санскритского слова, означающего один». Два других получили названия экасилиция и экаалюминия. В том же 1871 г. в статье, опубликованной в журнале Русского химического общества, Менделеев подробно описал свойства всех трех «эков».
«Экабор, – писал он, – в отдельности должен представлять металл... Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах...»
Открытие экабора произошло еще при жизни Д.И. Менделеева, в 1879 г. Шведский химик Ларе Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора.
В честь Скандинавии Нильсон назвал этот элемент скандием.
Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделить этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей.
Сравнительно чистый металлический скандий (94...98%) был получен лишь в 1937 г.
Не так редок, как рассеян...
Почти полвека потратили ученью на выделение элемента №21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 2,2·10 –3 %. Это значит, что в земле его немного меньше, чем свинца, но почти в 500 раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым.
Наиболее богатый скандием минерал – тортвейтит – один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за 40 с лишним лет, с 1911 но 1952 г., на норвежских рудниках было добыто всего 23 кг тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности добыча тортвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла... 50 кг. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы – стерреттит, кольбекит, больцит.
Зато в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чехословацкими учеными.
Первая стадия – обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твердый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем ее высушивают и прокаливают в газовой печи при 600...700°C. В результате получают светло-розовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твердой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь окиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо – методом эфирной экстракции.
Затем следует еще серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.
Очищенную окись скандия еще раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при 1100°C и превращают в окись.
Получение металлического скандия из окисла – не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее фтористым водородом или бифторидом аммония NH 4 F · HF. Чтобы переход Sc 2 O 3 в ScF 3 был полным, реакцию проводят дважды.
Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при 850°C и идет в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600°C. Полученный металлический скандии и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем – от 3 до 5% тантала.
Последняя стадия очистки – вакуумная дистилляция. Температура 1650...1750°C, давление 10 –5 мм ртутного столба. После окончания операции в слитке будет около 95% скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99% – еще более сложный многоступенчатый процесс.
Несмотря на это, ученые идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последнее время важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд.
О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в 40-х годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.
Блеск и нищета элемента №21
Чем же ценен скандий?
Прежде всего он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см 3 , а температура плавления 660°C. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539°C. Плотность стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5...7,9 г/см 3 , температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°C, на 9° ниже, чем скандий).
Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента №21.
Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью.
Благодаря этим свойствам скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость.
Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титано-алюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в алюминий увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав...
Искали применения скандию и в ядерной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры цены сводили на нет достоинства элемента №21. Отсюда, конечно, не следует, что эти работы были бесполезными. Напротив, они имели исключительно важное значение, так как помогали выяснить, при каких условиях в настоящем и будущем применение скандия было бы; целесообразным.
В последние годы стоимость скандия, его соединений и сплавов постепенно уменьшается. Если в 1959 г. килограмм окиси скандия стоил в США от 15 до 30 тыс. долларов, то через год – уже меньше девяти тысяч. Металлический скандий в это же время стоил соответственно 70 и 45 тыс. долларов. Однако и последние цифры трудно назвать иначе, как астрономическими.
Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным. У этого невзрачного, очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но...
Скандий и математика
Совершим краткий экскурс в один из разделов вычислительной техники.
Важнейший узел любой электронной вычислительной машины – это запоминающее устройство. Его роль сводится к тому, чтобы накапливать в машине поступающую информацию.
Вид запоминающего устройства во многом определяет тип всей машины. У разных машин оперативная память разная. В одних ее функции выполняют электронно-лучевые трубки, в других основой запоминающего устройства служат ферритовые ячейки. Этот тип оперативной памяти наиболее распространен и вот почему: ферритовая память более надежна; кроме того, она хранит полученную информацию неограниченно долго, не требуя на это затрат энергии.
Как и большинство устройств электронно-вычислительной машины, магнитная память работает по принципу «да – нет»: либо сигнал имеется, либо отсутствует. Если через обмотку ферритового сердечника подать положительный сигнал, то сердечник намагнитится в одном направлении, если отрицательный – в противоположном направлении.
При снятии сигнала ферритовый сердечник остается намагниченным, причем направление намагниченности сохраняется. Состояние сердечника будет характеризовать записанный сигнал. Как прочесть его?
Через обмотку ферритовой ячейки подается сигнал определенной полярности, например положительной. Если направление магнитного потока, создаваемого сигналом, противоположно направлению магнитного потока в сердечнике, произойдет его перемагничивание, и в выходной обмотке возникнет электродвижущая сила. Если же магнитные потоки сигнала и сердечника совпадают по направлению, то на выходной обмотке сигнал не возникнет. Таким образом отличают, какой сигнал был записан в данной ячейке. Естественно, что чем больше перемагничиваний могут выдержать в единицу времени ферритовые ячейки, тем выше быстродействие машины. Обычно ферриты, применяемые в системах магнитной памяти, изготовляют из окислов железа, магния и марганца, и они обладают остаточной индукцией примерно 2000...3000 Гаусс. Они способны перемагничиваться примерно 300 тыс. раз в секунду, т.е. ежесекундно передавать 300 тыс. единиц информации. При большей частоте перемагничивания они быстро разогреваются и теряют свои замечательные магнитные свойства.
В связи с колоссальной сложностью задач, которые приходится решать электронно-счетным машинам, эта скорость стала недостаточной. Появилась потребность в новых ферримагнитных материалах, которые позволили бы увеличить быстродействие электронных машин. Советские физики Д.Е. Бондарев и Ю.В. Басихин в начале 60-х годов разрабатывали ферриты с пониженной остаточной индукцией, которые можно было бы изготовлять не изменяя существующей технологии. Испытывались различные композиции, но технология приготовления ферритов новых марок почти не отличалась от традиционной. Вскоре были получены ферриты с окисью скандия, индукция которых не превышала 800...1000 Гаусс. Это в 3 раза меньше, чем у обычных! Поэтому же намного уменьшился разогрев сердечников при высокочастотном перемагничиваний, что позволило создать систему магнитной памяти, в два-три раза более быстродействующую, чем обычные. Такая память меньше реагирует на помехи и работает во много раз надежнее.
Так начался путь скандия в технику будущего.
Сравните...
| Менделеев предсказал в 1870...1871 гг. | Нилъсон обнаружил в 1879 г. |
| Экабор | Скандий |
| Атомный вес 44. | Атомный вес 44,1. |
| Молекула окиси состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода. | Молекула окиси состоит из двух атомов скандия и трех атомов кислорода. |
| Удельный вес окиси 3,5. | Удельный вес окиси 3,86. |
| Окись нерастворима в щелочах. Соли бесцветны. | |
| Углекислый экабор нерастворим в воде. | Углекислый скандий нерастворим в воде. |
| Кристаллы двойной сернокислой соли экабора и калия по форме непохожи на квасцы. | Кристаллы двойной сернокислой соли скандия и калия по форме непохожи на квасцы. |
| Едва ли может быть открыт спектральным анализом. | Не был открыт спектральным анализом. |
Утвердитель периодического закона
«Утвердителями», «укрепителями» периодической системы элементов называл Менделеев ученых, которые своими открытиями подтвердили прогнозы, сделанные им на основе периодического закона. В первую очередь эти «титулы» заслужили трое ученых, обнаруживших в минералах предсказанные Менделеевым элементы: экаалюминий. экабор, экасилиций.
Первым из «утвердителей» был, как известно, французский химик Лекок де Буабодран – в 1875 г. он нашел в цинковой обманке экаалюминий – галлий.
Нильсон был вторым. Четыре года спустя после открытия Буабодрана ему посчастливилось обнаружить в минерале ауксените предсказанный Менделеевым экабор. А еще через семь лет немецкий ученый Клеменс Винклер впервые получил экасилиций – германий.
Швед Ларе Фредерик Нильсон, уроженец сурового острова Готланд, был разносторонне образованным ученым – в Упсальском университете он изучал химию, геологию, биологию. Кроме первоклассного образований и природной одаренности, его успехам в науке способствовали еще два крайне важных обстоятельства – работа в молодости под руководством замечательного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса и открытие Менделеевым периодического закона, вооружившее ученых всего мира картой химического континента.
Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента №21 – скандия, было установление в 1884 г. правильного атомного веса бериллия (совместно со шведским химиком О. Петерсоном).
Последние 17 лет своей жизни Нильсон занимал профессорскую кдфедру в Стокгольмской сельскохозяйственной академии. Он сделал немало для повышения урожайности полей в Швеции и особенно на своем родном острове Готланд.
Скандий и фосфоры
Фосфорами (не путать с фосфором) называются вещества, способные довольно долго светиться в темноте. Одно из таких веществ – сульфид цинка ZnS. Если облучить его инфракрасными лучами, он начинает светиться и еще долго светится после прекращения облучения. Установлено, что добавка скандия к сульфиду цинка, активированному медью, дает более яркое свечение, чем обычно. Скандий увеличивает свечение и других фосфоров, в частности окиси магния MgO.
Чтобы воздух был чище
При производстве пластмасс, инсектицидов и растворителей выделяются довольно значительные количества хлористого водорода. Это ядовитый газ, выброс которого в атмосферу недопустим.
Конечно, можно было бы связывать его водой и вырабатывать соляную кислоту, но получение кислоты таким методом, мягко говоря, влетало бы в копеечку. Больших затрат требовало и разложение HCl электролизом, хотя метод каталитического разложения хлористого водорода был предложен более 100 лет назад. Катализатором служила хлористая медь. Однако эффективным этот процесс был лишь при 430...475°C. А при этих условиях катализатор улетучивается... Выход был найден: к основному катализатору – хлористой меди – добавили микроколичества хлоридов иттрия, циркония, тория, урана и скандия. На таком катализаторе температура разложения хлористого водорода снизилась до 330...400°C, и улетучивание хлористой меди стало значительно меньше. Новый катализатор служит гораздо дольше старого, и воздух над химическими заводами надежно очищается от вредного хлористого водорода.
Скандий в устье темзы
Радиоактивный изотоп скандия и атомной массой 46 в 1954...1955 гг. использовали для определения движения ила в устье Темзы. Соль, содержавшую скандий-46, смешивали с толченым стеклом и опускали на морское дно в контейнере. Там контейнер открывался, и смесь, плотность которой соответствовала плотности ила, рассыпалась по дну. Излучение отмечали с катера специальным прибором. Скандий-46 выбрали потому, что он обладает достаточно интенсивным излучением и идеальным для такого рода исследований периодом полураспада – 83,9 суток. Что же оказалось? Большая часть грязи, выносимой Темзой в море, в скором времени возвращается обратно в русло реки. Пришлось разрабатывать новую технику очистки устья реки от наносов. Изучение движения ила и гальки в море с помощью изотопа скандия проводилось также в Польше и Франции.
Скандий-46 – один из десяти искусственных радиоактивных изотопов элемента №21. Другие радиоизотопы скандия практического применения пока не нашли. Природный скандий состоит из единственного изотопа – скандия-45.
Скандий
СКА́НДИЙ -я; м. Химический элемент (Sc), металл серого цвета, обладающий высокой прочностью и коррозионной стойкостью.
◁ Ска́ндиевый, -ая, -ое.
ска́ндий(лат. Scandium), химический элемент III группы периодической системы, относится к редкоземельным элементам. Название от Скандинавского полуострова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см 3 , t пл 1541°C. Компонент лёгких сплавов с высокими прочностью и коррозионной устойчивостью, катализатор высокотемпературной пара-орто-конверсии водорода, нейтронный фильтр в ядерной технике.
СКАНДИЙСКА́НДИЙ (лат. Scandium, в честь Скандинавии - родины Л. Ф. Нильсона), Sc (читается «скандий»), химический элемент с атомным номером 21, атомная масса 44,9559. Природный скандий состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 45. Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 1 4s 2 . Степени окисления +1, +2, +3 (валентность I, II, III). Скандий - редкоземельный элемент. Расположен в группе IIIВ периодической системы элементов, в 4-м периоде. Радиус атома 0,164 нм, радиус иона Sc 3+ 0,089 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации 6,562, 12,8, 24,8, 74,2, 93,9 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см.
ПОЛИНГ Лайнус)
1,3.
Первым существование скандия предположил в 1871 Д. И. Менделеев (см.
МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович)
. Он предложил название «экабор» и в журнале Русского химического общества описал некоторые свойства нового элемента.
Открыт скандий был в 1879 шведским химиком Л. Ф. Нильсоном (см.
НИЛЬСОН Ларс Фредерик)
при исследовании иттербия (см.
ИТТЕРБИЙ)
. Первый образец чистого скандия (выше 94%) был получен в 1937.
Содержание скандия в земной коре 1·10 -3 % по массе. Sc - рассеянный элемент. Известно более 120 минералов, содержащих Sc. Наиболее важные собственные минералы Sc: баццит Sc 2 Be 3 Si 6 O 18 и эггонит ScPO 4 ·2H 2 O. В незначительных концентрациях Sc содержится в речных, подземных и морских водах. Обычно сопутствует вольфраму,
олову, алюминию, титану и ванадию.
При получении скандия на отходы от переработки W, Sn, Al, Ti и V действуют кислотами или щелочами. Дальнейшую очистку Sc проводят экстракционными методами. Для глубокой очистки Sc перегоняют в глубоком вакууме. Металлический Sc получают методом кальцийтермического восстановления фторида скандия:
2ScF 3 +3Ca=3CaF 2 +2Sc
или его оксида: Sc 2 O 3 +3Ca=3CaO+2Sc
Скандий - серебристый металл с желтым отливом. До 1336°C устойчива a-модификация Sc с гексагональной решеткой типа решетки магния (см.
МАГНИЙ)
, а = 0,33085 нм, с = 0,52680 нм, плотность 2,989кг/дм 3 . Выше 1336°C устойчива b-модификация с кубической объемно центрированной решеткой. Температура плавления 1541°C, кипения 2837°C. На воздухе Sc при комнатной температуре устойчив, из-за плотной защитной оксидной пленки Sc 2 O 3 . Интенсивная реакция Sc с кислородом (см.
КИСЛОРОД)
начинается при 200-250°C. При взаимодействии Sc 2 O 3 с щелочами и оксидами щелочноземельных металлов образуются скандиаты NaScO 2 или CaSc 2 O 4. Оксид скандия образует смешанные оксиды 2Sc 2 O 3 ·3ZrO 2 .
Скандий при нагревании реагирует с галогенами (см.
ГАЛОГЕНЫ)
, водородом (см.
ВОДОРОД)
, азотом (см.
АЗОТ)
, серой (см.
СЕРА)
и фосфором (см.
ФОСФОР)
. Оксид Sc 2 О 3 обладает слабоосновными свойствами, ему отвечает аморфное основание Sc(ОН) 3· nH 2 O, кристаллический гидроксид Sc(ОН) 3 и ScО(OН). По свойствам гидроксиды скандия похожи на гидроксид алюминия. Хлорид скандия ScCl 3 , нитрат Sc(NO 3) 3 , перхлорат Sc(ClO 4) 3 , сульфат Sc 2 (SO 4) 3 и некоторые другие в водных растворах гидролизованы и выделяются из растворов в виде гидратов. Скандий используется как легирующая добавка. Оксид скандия применяют в производстве ферритов (см.
ФЕРРИТЫ)
, искусственных гранатов (см.
ГРАНАТЫ (синтетические))
, как компонент керамических материалов. Ортофосфат скандия - основа флуоресцирующих составов.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "скандий" в других словарях:
Церитовый и гадолинитовый металл, из группы бора, открыт в 1879 г. Нильсоном. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. скандий (назв. по месту открытия scandi(navia)) хим. элемент, символ Sc (лат. scandium) … Словарь иностранных слов русского языка
- (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541шC. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879 … Современная энциклопедия
- (лат. Scandium) Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам. Назван от Скандинавского п ова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см³, tпл… … Большой Энциклопедический словарь
- (символ Sc), серебристо белый элемент III группы периодической таблицы, металл. Был предсказан (под названием экабор) Д. МЕНДЕЛЕЕВЫМ. Открыт в 1879 г. Встречается в тортвейтите и в небольших количествах в других минералах. Является ковким… … Научно-технический энциклопедический словарь
Sc (от лат. Scandia Cкандинавия * a. scandium; н. Skandium; ф. scandium; и. escandio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева; относится к редкоземельным элементам, ат.н. 21, ат. м. 44,9559. Природный C. представлен одним… … Геологическая энциклопедия
СКАНДИЙ, скандия, мн. нет, муж. (хим.). Редкий металл, не встречающийся в природе в свободном состоянии, а существующий только в окиси, имеющей вид белого порошка. (От названия полуострова Скандинавия.) Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 … Толковый словарь Ушакова
- (Scandium), So, хим. элемент III группы периодич. системыэлементов, ат. номер 21, ат. масса 44,95591, редкоземельный элемент. Вприроде представлен одним стабильным нуклидом 45Sс. Конфигурациявнеш. электронных оболочек 3s2p6d14s2.Энергии… … Физическая энциклопедия
Сущ., кол во синонимов: 3 металл (86) экабор (1) элемент (159) Словарь синонимов ASIS. В.Н … Словарь синонимов
скандий - Sc Химический элемент, добывается из отходов производства напр. урана [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы Sc EN scandium … Справочник технического переводчика
Скандий - (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541°C. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879. … Иллюстрированный энциклопедический словарь
СКАНДИЙ - хим. элемент, символ Sc (лат. Scandium), ат. н. 21, ат. м. 44,96, относится к редкоземельным элементам; серебристый металл с характерным жёлтым отливом, плотность 3020 кг/м3, tпл = 1541 °С, проявляет достаточно высокую хим. активность. В природе… … Большая политехническая энциклопедия
Книги
- Неорганическая и аналитическая химия скандия , Л. Н. Комиссарова. В монографии обобщены сведения об основных группах неорганических соединений скандия (интерметаллиды, бинарные бескислородные соединения, в том числе галогенидыи роданиды, сложные оксиды,…
Скандий (Scandium) Sc, химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,9559; относится к редкоземельным элементам. Известен один природные стабильный изотоп 45Sc. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,66.10-21 м2. Конфигурация внешний электронных оболочек атома 3d14s2; устойчивая степень окисления + 3, редко + 1, + 2; энергии ионизации при последоват. переходе от Sc0 к Sc3+ равны соответственно 6,5616, 12,80 и 24,76 эВ; сродство к электрону — 0,73 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,3; атомный радиус 0,164 нм, ионный радиус Sc3+ 0,089 нм (координац. число 6), 0,101 нм (8).
Скандий-рассеянный литофильный элемент, геохимически близок РЗЭ иттриевой группы, Mg, Аl, Мh, Zr и Ti. Среднее содержание скандий в земной коре 1 . 10-3 % по массе, концентрация скандий в речных водах 4.10-8 г/л. подземных (2,2-5) x x 10-8 г/л, в воде океанов -8.10-10 г/л. Известно более 120 минералов-носителей СКАНДИЙ Собств. минералы СКАНДИЙ (очень редки): тортвейтит (Sc,Y)2Si2O7, баццит Sc2Be3Si6Ol8, джервисит NaScSi2О6, каскандит CaScSi3O8(ОН), кольбекит (эггонит) ScPO4 . 2Н2 О.
|
Нахождения в природеГеохимия и минералогия Среднее содержание скандия в земной коре 10 г/т. Близки по химическим и физическим свойствам к скандию иттрий, лантан и лантаноиды. Во всех природных соединениях скандий, так же как и его аналоги алюминий, иттрий, лантан, проявляет положительную валентность, равную трём, поэтому в окислительно-восстановительных процессах он участия не принимает. Скандий является рассеянным элементом и входит в состав многих минералов. Собственно скандиевых минералов известно 2: тортвейтит (Sc, Y)2 Si2O7 (Sc2O3 до 53,5 %) и стерреттит Sc . 2H2O (Sc2O3 до 39,2 %). Относительно небольшие концентрации обнаружены примерно в 100 минералах. В связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn2+, Fe2+, TR (редкоземельным элементам), Hf, Th, U, Zr, главная масса его рассеивается в минералах, содержащих эти элементы. Имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc — Y в тортвейтите и замещение Al в берилле). Гетеровалентное замещение скандием Fe2+ и магния в пироксенах, амфиболах, оливине, биотите широко развито в основных и ультраосновных породах, а замещение циркония — в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах. Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1 % Sc2O3), касситерит (0,005-0,2 %), вольфрамит (0-0,4 %), ильменорутил (0,0015-0,3 %), торианит (0,46 % Sc2O3), самарскит (0,45 %), виикит (1,17 %), ксенотим (0,0015-1,5 %), берилл (0,2 %), баццит (скандиевый берилл, 3-14,44 %). В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в тёмноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований. Наиболее высокие (30 г/т Sc2O3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc2O3 10 г/т, в кислых — 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене. Концентрация в морской воде 0,00004 мг/л. Химические свойстваХимические свойства скандия похожи на таковые у алюминия. Во всех соединениях скандий проявляет степень окисления +3. Компактный металл на воздухе покрывается с поверхности оксидной пленкой. При нагревании до красного каления реагирует с фтором, кислородом, азотом, углеродом, фосфором. При комнатной температуре реагирует с хлором, бромом и йодом. Реагирует с разбавленными сильными кислотами; концентрированными кислотами-окислителями и HF пассивируется. Реагирует с концентрированными растворами щелочей. Ион Sc3+ бесцветный диамагнитный, координаионное число в водных растворах 6. Как и в случае алюминия, гидроксид скандия амфотерен и растворяется как в избытке кислот, так и в избытке щелочей; с разбавленным раствором аммиака не реагирует. Хлорид, бромид, иодид и сульфат скандия хорошо растворимы в воде, раствор имеет кислую реакцию вследствие частичного гидролиза, при этом гидратация безводных солей сопровождается бурным выделением тепла. Фторид и фосфат скандия в воде не растворимы, но фторид растворятся в присутствии избытка фторид-ионов с образованием ScF63-. Нитрид, сульфид и карбонат скандия водой нацело гидролизуются. Органические соединения скандия термически относительно устойчивы, но бурно реагируют с водой и воздухом. Они построены в-основном при помощи σ-связей Sc-C и представлены алкильными производными и полимерными циклопентадиенидами. ПолучениеСледует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей и проблему разработки технологии извлечения скандия при переработке углей на искусственное жидкое топливо. Мировые ресурсы скандияСкандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия: Бокситы — 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн; Скандий присутствует в каменном угле и для его добычи можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков, которая была начата в последние годы в ряде развитых стран. Применение1. Металлургия |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Металлургия
Применение скандия в виде микролегирующей примеси оказывает значительное влияние на ряд практически важных сплавов, так например прибавление 0,4 % скандия к сплавам алюминий-магний повышает временное сопротивление разрыву на 35 %, а предел текучести на 65—84 %, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20—27 %. Добавка 0,3—0,67 % к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290 °C, и аналогичное но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций, работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.
Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, бейсбольные биты и т. п.) — везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 МПа (40 кгс/мм2), у титана например 250—350 МПа, а у нелегированного иттрия 300 МПа. Применение скандиевых сплавов в авиации и ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надёжность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Очень важно и то обстоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированные гафнием. Важной и практически не изученной областью применения скандия является то обстоятельство что подобно легированию иттрием алюминия, легирование чистого алюминия скандием также повышает электропроводность проводов, и эффект резкого упрочнения имеет большие перспективы для применения такого сплава для транспортировки электроэнергии (ЛЭП). Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. Ряд специальных сплавов скандия, композитов на скандиевой связке весьма перспективен в области конструирования скелета киборгов. В последние годы важная роль скандия (и отчасти иттрия и лютеция) выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше 700 кг/мм2 (свыше 7000 МПа).
Некоторое количество скандия расходуется для легирования жаростойких сплавов никеля с хромом и железом (нихромы и фехрали) для резкого увеличения срока службы при использовании в качестве нагревательной обмотки для печей сопротивления.
Сверхтвёрдые материалы
Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость (в 2 раза), что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза (около 98,7 — 120 ГПа), нитрида бора (боразона), (около 77—87 ГПа), сплава бор-углерод-кремний (около 68—77 ГПа), и существенно больше, чем у карбида бора(43,2 — 52 ГПа), карбида кремния (37 ГПа), микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около 53,4 ГПа (у карбида титана, например, 29,5 ГПа). Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости.
Так, например, бериллид скандия (1 атом скандия и 13 атомов бериллия) обладает наивысшим благоприятным сочетанием плотности, прочности и высокой температуры плавления, и может явится лучшим материалом для строительства аэрокосмической техники, превосходя в этом отношении лучшие сплавы из известных человечеству на основе титана, и ряд композиционных материалов (в том числе ряд материалов на основе нитей углерода и бора).
Микроэлектроника
Оксид скандия (температура плавления 2450 °C) имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз из-за снижения остаточной индукции с 2 — 3 кГаусс до 0,8 — 1 кГаусс.)
Источники света
Порядка 80 кг скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.
Изотопы скандия
Радиоактивный изотоп 46Sc (период полураспада 83,83 сут) используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов и лечения раковых опухолей.
Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут) является одним из лучших источников позитронов.
Ядерная энергетика
В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия — прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.
Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также как материал катодов электронных приборов. В атомной промышленности находит применение бериллид скандия в качестве отражателя нейтронов, и в частности этот материал, равно как и бериллид иттрия предложен в качестве отражателя нейтронов в конструкции атомной бомбы.
Медицина
Важную роль оксид скандия может сыграть в медицине (высококачественные зубные протезы).
Лазерные материалы
Высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов (ГСГГ). Галлий-скандий-гадолиниевый гранат (ГСГГ) при легировании его ионами хрома и неодима позволил получить 4,5 % КПД и рекордные параметры в частотном режиме генерации сверхкоротких импульсов, что даёт весьма оптимистичные предпосылки для создания сверхмощных лазерных систем для получения термоядерных микровзрывов уже на основе чистого дейтерия (инерциальный синтез) уже в самом ближайшем будущем. Так например ожидается[кем?] что в ближайшие 10—13 лет лазерные материалы на основе ГСГГ и боратов скандия займут ведущую роль в разработке и оснащении лазерными системами активной обороны для самолётов и вертолётов в развитых странах, и параллельно с этим развитие крупной термоядерной энергетики с привлечением гелия-3, в смесях с гелием-3 лазерный термоядерный микровзрыв уже получен.
Производство солнечных батарей
Оксид скандия в сплаве с оксидом гольмия используется в производстве фотопреобразователей на основе кремния в качестве покрытия. Это покрытие имеет широкую область прозрачности (400—930 нм), и снижает спектральный коэффициент отражения света от кремния до 1—4 %, и при его применении у такого модифицированного фотоэлемента увеличивается ток короткого замыкания на 35—70 %, что в свою очередь позволяет увеличить выходную мощность фотопреобразователей в 1,4 раза.
МГД-генераторы
Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-генераторов, к основной керамической массе добавляют предварительно окисленный хром и спекают, что придаёт материалу повышенную прочность и электропроводность. Наряду с диоксидом циркония как электродным материалом для МГД-генераторов, хромит скандия обладает более высокой стойкостью к эрозии соединениями цезия (используемого в качестве плазмообразующей добавки).
Рентгеновские зеркала
Скандий широко применяется для производства многослойных рентгеновских зеркал (композиции: скандий-вольфрам, скандий-хром, скандий-молибден). Теллурид скандия очень перспективный материал для производства термоэлементов (высокая термо-э.д.с, 255 мкВ/К и малая плотность и высокая прочность).
В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до 2575 °C), рутением (температура плавления до 1840 °C), железом (температура плавления до 1600 °C), (жаропрочность, умеренная плотность и др).
Огнеупорные материалы
Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления 2450 °C) играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так, например, наиболее устойчивый оксид иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области, можно сказать, незаменим. Его широкому применению препятствует лишь весьма высокая цена, и в известной степени альтернативным решением в этой области является применение скандатов иттрия армированных нитевидными кристаллами оксида алюминия для увеличения прочности), а также применение танталата скандия.
Производство фианитов
Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором.
Люминофоры
Борат скандия, равно как и борат иттрия применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.
Скандий – это легкий серебристый металл с желтоватым отливом. И хотя это довольно редкий элемент, он содержится во многих минералах. Дело в том, что по своим свойствам скандий близок к магнию, кальцию, алюминию, железу и редкоземельным элементам, поэтому в минералах он их нередко замещает. Известно около сотни минералов, в которых можно встретить скандий. Собственно скандиевыми минералами являются только два: тортвейтит (Sc, Y)₂Si₂O₇ и стерреттит Sc(PO₄) 2H₂O.
Как был открыт скандий
Существование скандия было предсказано Д.И. Менделеевым в 1869 году, когда в обнаружился пробел между кальцием (20-й элемент) и титаном (22-й элемент). Для нового элемента Менделеев предложил название «экабор». В 1879 году шведский химик Ларс Фредерик Нильсон методом спектрометрии обнаружил новый элемент в минерале эвксените, содержащего различные редкие элементы. Ученый назвал новый элемент в честь Скандинавии. Однако Нильсону удалось получить небольшое количество оксида скандия, слиток же скандия был окончательно получен лишь в 1937 году. В Земной коре скандия содержится совсем немного, поэтому добыча его представляет собой сложный и трудоемкий процесс.
Где применяется скандий
Основной областью применения скандия является создание сплавов и керамик. Небольшие добавки (доли процента) скандия значительно повышают сопротивление на разрыв магний-алюминиевых сплавов, повышают устойчивость к окислению хрома и нихрома. Керамика с добавлением оксида скандия обладает устойчивостью к высоким температурам и термоудару. Стали, легированные скандием, суперпрочны и пригодны для длительной работы при высоких температурах. Алюминиево-скандиевые сплавы нашли свое применение в аэрокосмической отрасли, в частности, из него сделаны детали Российских военных самолетов МиГ-21 и МиГ-29. Оксид скандия применяется при создании суперкомпьютеров с большой скоростью обмена данными. Соединения скандия могут применяться в производстве лазеров, солнечных батарей, МГД-генераторов. Композиты скандия и вольфрама, хрома, молибдена используются для создания рентгеновских зеркал.
1. История открытия скандия
скандий атом квантовый минерал
Впервые существование скандия предсказал Д.И. Менделеев. На основании периодического закона он пришел к убеждению, что бора и алюминия кроме галлия должен существовать еще один аналог - экабор.
В 1871 году в статье «Периодическая законность химических элементов» Д.И. Менделеев писал: «Элемент этот предлагают предварительно назвать экабором, производя это название от того, что он следует за бором как первый элемент четных групп, а слог эка производится от санскритского слова, обозначающего один… Экабор в отдельности должен представлять металл… при этом удельный вес этого металла должен быть близок к 3,0… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных рядах во всех группах (кроме i) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах».
Проходит восемь лет, и шведский химик Нильсон в одном из очень редких минералов обнаруживает новый элемент, которому в честь полуострова Скандинавии присваивает название скандия. После изучения нового элемента Нильсон дал описание свойств скандия. Каково же было удивление Нильсона, когда он, сравнивая характеристику скандия с экабором Менделеева, установил почти полное сходство этих характеристик. «Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор…», - писал Нильсон и далее, потрясенный этим событием, подчеркивал: «Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед указать его важнейшие свойства».
Для сравнения приводим некоторые данные, которыми Д.И. Менделеев характеризовал скандий (экабор) до его открытия и Нильсон - после изучения свойств открытого им элемента.
Атомный вес 45
Окись экабора состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода.
Удельный вес окиси 3,5.
Сернокислая соль экабора состоит из двух атомов эка-бора и трех остатков серной кислоты.
Двойные сернокислые соли не будут по форме кристаллов похожи на квасцы.
Атомный вес 45,1.
Окись скандия состоит из двух атомов скандия и трех атомов кислорода.
Удельный вес окиси 3,8.
Сернокислая соль скандия состоит из двух атомов скандия и трех остатков серной кислоты,
Двойная сернокислая соль скандия и калия не похожа по форме своих кристаллов на квасцы.
Как видно из приведенных характеристик, между ними нет заметной разницы. Скандий был вторым из числа химических элементов, открытых после предсказания их существования и свойств Д.И. Менделеевым на основе периодического закона. Скандий - наглядное подтверждение справедливости этого важнейшего закона естествознания.
2. Электронное строение скандия
Порядковый номер элемента Z = 21 обозначает: заряд ядра атома элемента (скандия): 21 Sc - 21 p 1 1 - +21; число протонов p 1 1: 21 Sc - 21 p 1 1 ; число электронов e: 21 Sc - 21e; число нейтронов n 1 0 = Ar - Z = 65 - 21 = 44 - 44n 1 0
Формула состава атома
или в виде сокращенной записи: 3d 1 4s 2
Электронная формула в виде квантовых ячеек
Скандий - d - элемент. Электронное строение атома заканчивается s - электронами, поэтому элемент будет проявлять металлические свойства.
Формула высшего оксида - Sc 2 O 3 , гидроксида - Sc(OH) 3 обладают слабыми основными свойствами. Соединений с водородом не образует.
Порядковый номер 34 имеет селен Se. Элемент находится в IV периоде, значит в атоме имеется 4 энергетических уровня. Он находится в главной подгруппе VI группы; его валентные электроны распределены на 4s и 4p-подуровнях.
3. Химические свойства скандия
Химически скандий довольно активен, проявляет степень окисления +3. При этом первыми теряются 4S2-электроны и лишь затем Зd-электроны. С водой он не взаимодействует даже при нагревании, но хорошо растворяется в кислотах с образованием солей Sc3+. По солеобразующей способности скандий сходен со щелочноземельными металлами; подобно кальцию, образует труднорастворимые карбонат, фосфат, фторид и малорастворимый сульфат, тогда как хлорид и нитрат скандия хорошо растворимы. Особенности соединений скандия связаны с их амфотерностью: соли в растворах несколько гидролизованы. В водном растворе ион скандия гидратирован с образованием комплексного иона 3+, а при действии щелочи на растворы его солей выпадает нерастворимый гидроксид Sc(OH) 3, осаждение его начинается уже при рН = 4,8 Электроположительный характер скандия обусловил его высокое сродство к неметаллам. На воздухе он, подобно алюминию, покрывается толстой (150-600А) защитной пленкой оксида Sc2O3 и лишь выше 200-250 °С пленка теряет свои защитные свойства и идет дальнейшее окисление скандия;
4Sc + 3 O2 = 2Sc203 + ~1500 кдж
Чистый оксид получается разложением гидроксида при нагревании:
2Sc(OH) 3 Sc203 + 3p0
Он слабо растворяется в кислотах, а с водой образует белый осадок гидроксида. Особенностью соединений скандия является амфотерность - следствие близости к алюминию и малого ионного радиуса 0,83 А. Амфотерность проявляется в способности скандия растворяться (правда, с трудом) в щелочах с образованием комплексного гидроксоскандата:
Sc(OH) 3 + 3 NaOH = Na3 ,
В кислотах гидроксид растворяется легко:
Sc(OH) 3 + 3 HN08 = Sc(N03) 3 + 3 p0
Скандий при нагревании легко реагирует с галогенами и другими неметаллами:
2Sc + 3CI2 = 2ScCl3 + 1800 кдж
Обычно же галогениды получают осаждением солей
Sc(N03) 3 + 3 HF = ScF3 + 3 HN03
или прокаливанием оксида SC2O3 с углем в токе хлора. Галоидные соли скандия - сравнительно тугоплавкие соединения, способные образовывать устойчивые комплексные соединения типа M, MІ , Mі (где Г-F, в меньшей степени, С1), а также аналогичные квасцам двойные Сульфаты M и Mі (правда, они отличаются от квасцов своей стереометрической структурой). Существование степеней окисления скандия, отличных от +3, не вполне выяснено. В твердом виде были получены соединения скандия, в которых его степень окисления формально равна +2 - карбид ScC2 (состоящий, по предположению, из ионов Sc2+ и С2~2), гидрид Scp, субхлорид ScCl2. Все эти соединения обладают очень высокой электропроводностью, которая объясняется только тем, что в них присутствуют hohl^Sc3* и свободные электроны (формально Sc2+ = Sc3+ + e). Правда, есть основания предполагать, что при электролизе растворов Sc3+ в качестве промежуточных продуктов образуются ионы Sc2+, но весьма неустойчивые.
4. Нахождение скандия в природе
В природе соединения скандия присутствуют во многих минералах, содержащих иттрий, лантан, лантаноиды и другие элементы в преобладающих количествах. Эти минералы довольно редки - они встречаются в Скандинавии, на Урале, в Бразилии и реже в США и Австралии. Из собственных минералов скандия известны только стеретит Sc(P04) * 2Н2О и найденный в Норвегии и на Мадагаскаре тортвейтит Sc2 (Si2О7), несколько загрязненные в основном иттрием. Но тортвейтит интересен и другим: единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf 4+ и Sc 3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония. Однако и они очень редки. С 1911 по 1952 г. тортвейтита было найдено всего 22 кг, а за все время, даже учитывая возросший интерес к скандию, едва ли больше 100 кг. Поэтому скандий относится к группе редкоземельных. Впрочем, он скорее рассеянный элемент - имеет кларк 6 *10 -4 (его гораздо больше, чем золота), но содержание в земной коре не вполне четко определено. Природный скандий является «чистым» элементом - он состоит только из одного нерадиоактивного изотопа 45 Sc. Искусственно получено еще 14 уже радиоактивных изотопов, из которых наиболее устойчив р-активный 46 Sc, период полураспада которого 84 дня.
5. Технологии извлечения скандия
В настоящее время основными производителями скандия (оксида скандия) в мире являются следующие страны: Россия, Китай, Украина и Казахстан. Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.
Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия:
Бокситы - 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710-1420 тонн;
Урановые руды - 50 млн тонн в год, попутный скандий 50-500 тонн в год;
Ильмениты - 2 млн тонн в год, попутный скандий 20-40 тонн в год;
Вольфрамиты - попутный скандий около 30-70 тонн в год;
Касситериты - 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20-25 тонн в год;
Цирконы - 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5-12 тонн в год.
Существуют следующие технологии извлечения скандия: электролиз расплава хлорида скандия, с помощью которого получают наиболее чистый металлический скандий; существует способ извлечения скандия из скандийсодержащих растворов путем экстракции твердым экстрагентом (ТВЭКСом); в настоящее время металлический скандий получают путем восстановления фторида скандия металлическим кальцием в атмосфере азота.
6. Применение скандия
По своим свойствам скандий имеет перспективы применения в ядерной энергетике, ракетостроении, авиации и др. У этого элемента редкое и счастливое сочетание свойств, однако его применение до недавнего времени сдерживалось высокой стоимостью металлического скандия. Рассмотрим основные области применения скандия и его соединений:
Металлургия.
Применение скандия в виде микролегирующей примеси оказывает значительное влияние на ряд практически важных сплавов, так например прибавление 0,4% скандия к сплавам алюминий-магний повышает временное сопротивление разрыву на 35%, а предел текучести на 65-84%, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20-27%. Добавка 0,3-0,67% к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290 °C, и аналогичное но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций, работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.
Сплавы скандия.
Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, бейсбольные биты и т.п.) - везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Применение скандиевых сплавов в авиации и ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надёжность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. В последние годы важная роль скандия (и отчасти иттрия и лютеция) выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше 700 кг/ммІ (свыше 7000 МПа).
Сверхтвёрдые материалы
Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости. Так, например, бериллид скандия (1 атом скандия и 13 атомов бериллия) обладает наивысшим благоприятным сочетанием плотности, прочности и высокой температуры плавления, и может явится лучшим материалом для строительства аэрокосмической техники, превосходя в этом отношении лучшие сплавы из известных человечеству на основе титана, и ряд композиционных материалов (в том числе ряд материалов на основе нитей углерода и бора).
Микроэлектроника
Оксид скандия (температура плавления 2450 °C) имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз.
Источники света.
Порядка 80 кг скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.
Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут) является одним из лучших источников позитронов.
Ядерная энергетика.
В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия - прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.
Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также как материал катодов электронных приборов. В атомной промышленности находит применение бериллид скандия в качестве отражателя нейтронов, и в частности этот материал, равно как и бериллид иттрия предложен в качестве отражателя нейтронов в конструкции атомной бомбы.
Медицина.
Важную роль оксид скандия может сыграть в медицине (высококачественные зубные протезы).
Лазерные материалы.
Высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов (ГСГГ).
Производство солнечных батарей.
Оксид скандия в сплаве с оксидом гольмия используется в производстве фотопреобразователей на основе кремния в качестве покрытия. Это покрытие имеет широкую область прозрачности (400-930 нм), и снижает спектральный коэффициент отражения света от кремния до 1-4%, и при его применении у такого модифицированного фотоэлемента увеличивается ток короткого замыкания на 35-70%, что в свою очередь позволяет увеличить выходную мощность фотопреобразователей в 1,4 раза.
Рентгеновские зеркала.
Скандий широко применяется для производства многослойных рентгеновских зеркал (композиции: скандий-вольфрам, скандий-хром, скандий-молибден). Теллурид скандия очень перспективный материал для производства термоэлементов (высокая термо-э.д.с, 255 мкВ/К и малая плотность и высокая прочность).
В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до 2575°C), рутением (температура плавления до 1840°C), железом (температура плавления до 1600°C), (жаропрочность, умеренная плотность и др.).
Огнеупорные материалы.
Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления 2450 °C) играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так, например, наиболее устойчивый оксид иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области, можно сказать, незаменим.
Заключение
В заключение следует отметить, что скандий - довольно интересный элемент, начиная с истории его открытия и заканчивая химическими свойствами и применением. Скандий смело можно назвать металлом XXI века и прогнозировать резкий рост его добычи, рост цен и спрос в связи с переработкой огромного количества каменных углей (особенно переработка каменных углей России) на жидкое топливо. Его широкому применению препятствует лишь весьма высокая цена, и в известной степени альтернативным решением в этой области является применение скандатов иттрия армированных нитевидными кристаллами оксида алюминия для увеличения прочности), а также применение танталата скандия. Скандий имеет довольно широкую область применения, что не может не мотивировать науку на создание и разработку новых способов добычи и извлечения этого элемента.
Список литературы
скандий атом строение минерал
1. Менделеев Д.И. Периодическая законность химических элементов М, Журн. Русск. физ.-хим. общ-ва, 1871.
2. Прокофьева H. Б., Бучаченко M. С. Бучаченко Издательство «Наука» 117864 ГСП-7, Москва, B-S85, Профсоюзная ул., 90 2-я типография издательства «Наука» 121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 10
3. Фигуровский H.А. Ф49 История химии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по хим. и биол. спец. - M.: Просвещение, 1979. - 311 с, ил.
4. Шалинец Александр Борисович Провозвестники атомного века. Элементы III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Пособие для учащихся. М., «Просвещение», 1975. 192 с. с ил.
Подобные документы
Фазовые равновесия и переходы. Калориметрические методы исследования. Термодинамические характеристики плавления трис-2,2,6,6-тетраметил-4-фторгептан-3,5-дионат скандия, его использование для получения оксида скандия, имеющего применение в электрофизике.
курсовая работа , добавлен 16.11.2012
История открытия железа. Положение химического элемента в периодической системе и строение атома. Нахождение железа в природе, его соединения, физические и химические свойства. Способы получения и применение железа, его воздействие на организм человека.
презентация , добавлен 04.01.2015
Электронная формула молибдена. Объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента. Валентные подуровни. Наборы квантовых чисел. Прогноз величины степени окисления. Характеристика соединений с неметаллами. Оксиды. Применение.
курсовая работа , добавлен 24.06.2008
Вещества с ионным типом связи. Двухосновные бескислородные кислоты. Продукт реакции пропена с хлором. Максимальный радиус атома среди элементов VI A группы. Химическая связь между молекулами воды. Число электронных слоев и d-электронов в атоме скандия.
тест , добавлен 31.10.2012
История открытия водорода. Общая характеристика вещества. Расположение элемента в периодической системе, строение его атома, химические и физические свойства, нахождение в природе. Практическое применение газа для полезного и вредного использования.
презентация , добавлен 19.05.2014
Органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород и водород. Общая формула химического состава углеводов. Строение и химические свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов. Основные функции углеводов в организме человека.
презентация , добавлен 23.10.2016
Представление о строении метана (молекулярная, электронная и структурная формулы). Физические свойства, нахождение в природе, тип химической связи и пространственное строение молекулы и атома углерода в трёх валентных состояниях, понятие гибридизации.
дипломная работа , добавлен 31.03.2009
История производства и использования железа. Общая характеристика элемента, строение атома. Степени окисления и примеры соединений, основные реакции. Нахождение железа в природе, применение. Содержание железа в земной коре. Биологическая роль железа.
презентация , добавлен 09.05.2012
Строение атома оксида серы, его молекулярная формула, валентность, тип кристаллической решетки. Нахождение в природе сернистого газа SO2. Его физические и химические свойства. Получение сернистого газа в промышленности и в лабораторных условиях.
презентация , добавлен 13.05.2015
Общая характеристика химического элемента. Химическая активность фтора. Взаимодействие с большинством неметаллов. История открытия фтора. Нахождение в природе. Производство тефлона, фторопластов, фторкаучуков, фторсодержащих органических веществ.
Загрузка...
