Sкандиум, с символом элемента Sc и атомным номером 21, легко растворяется в воде, может взаимодействовать с горячей водой и легко темнеет на воздухе. Его основная валентность +3. Его часто смешивают с гадолинием, эрбием и другими элементами, с низким выходом и содержанием приблизительно 0,0005% в коре. Скандий часто используется для изготовления специального стекла и легких жаропрочных сплавов.
В настоящее время разведанные запасы скандия в мире составляют всего 2 миллиона тонн, 90~95% из которых содержатся в бокситах, фосфоритах и железо-титановых рудах, а небольшая часть в урановых, ториевых, вольфрамовых и редкоземельных рудах, в основном распределенных в России, Китае, Таджикистане, Мадагаскаре, Норвегии и других странах. Китай очень богат ресурсами скандия, с огромными запасами полезных ископаемых, связанных со скандием. По неполным статистическим данным, запасы скандия в Китае составляют около 600000 тонн, которые содержатся в месторождениях бокситов и фосфоритов, порфировых и кварцевых жильных вольфрамовых месторождениях в Южном Китае, месторождениях редкоземельных металлов в Южном Китае, месторождении редкоземельных железных руд Баян-Обо во Внутренней Монголии и месторождении ванадия и титаномагнетита Паньчжихуа в Сычуани.
Из-за дефицита скандия цена на скандий также очень высока, и на пике своего развития цена на скандий была раздута до 10 раз выше цены на золото. Хотя цена на скандий упала, она все еще в четыре раза выше цены на золото!
Открывая историю
В 1869 году Менделеев заметил разрыв в атомной массе между кальцием (40) и титаном (48) и предсказал, что здесь также есть неоткрытый промежуточный элемент с атомной массой. Он предсказал, что его оксид — X ₂ O Å. Скандий был открыт в 1879 году Ларсом Фредериком Нильсоном из Уппсальского университета в Швеции. Он извлек его из черного редкого золотого рудника, сложной руды, которая содержит 8 типов оксидов металлов. Он извлекОксид эрбия(III)из черной редкой золотой руды, и полученоОксид иттербия(III)из этого оксида, и есть другой оксид более легкого элемента, спектр которого показывает, что это неизвестный металл. Это металл, предсказанный Менделеевым, оксид которогоSc₂O₃Сам металлический скандий был получен изХлорид скандияэлектролитической плавкой в 1937 году.
Менделеев
Электронная конфигурация
Электронная конфигурация: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Скандий — мягкий переходный металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1541 ℃ и температурой кипения 2831 ℃.
В течение значительного периода времени после его открытия использование скандия не демонстрировалось из-за его сложности в производстве. С ростом усовершенствования методов разделения редкоземельных элементов в настоящее время существует зрелый технологический процесс очистки соединений скандия. Поскольку скандий менее щелочной, чем иттрий и лантаноид, гидроксид является самым слабым, поэтому смешанный минерал редкоземельных элементов, содержащий скандий, будет отделен от редкоземельного элемента методом «ступенчатого осаждения», когда гидроксид скандия (III) обрабатывается аммиаком после перевода в раствор. Другой метод заключается в отделении нитрата скандия путем полярного разложения нитрата. Поскольку нитрат скандия легче всего разлагается, скандий может быть отделен. Кроме того, комплексное извлечение сопутствующего скандия из месторождений урана, тория, вольфрама, олова и других минералов также является важным источником скандия.
После получения чистого соединения скандия его переводят в ScCl Å и сплавляют с KCl и LiCl. Расплавленный цинк используют в качестве катода для электролиза, в результате чего скандий осаждается на цинковом электроде. Затем цинк испаряют, чтобы получить металлический скандий. Это легкий серебристо-белый металл с очень активными химическими свойствами, который может реагировать с горячей водой с образованием газообразного водорода. Поэтому металлический скандий, который вы видите на картинке, запечатан в бутылке и защищен газом аргоном, в противном случае скандий быстро образует темно-желтый или серый оксидный слой, теряя свой блестящий металлический блеск.
Приложения
Светотехническая промышленность
Использование скандия сосредоточено в очень ярких направлениях, и не будет преувеличением назвать его Сыном Света. Первое магическое оружие скандия называется скандиево-натриевой лампой, которая может быть использована для освещения тысяч домохозяйств. Это металлогалогенный электрический свет: колба заполнена иодидом натрия и трииодидом скандия, и одновременно добавляются скандий и натриевая фольга. Во время высоковольтного разряда ионы скандия и ионы натрия соответственно излучают свет с характерными для них длинами волн излучения. Спектральные линии натрия составляют 589,0 и 589,6 нм, два знаменитых желтых света, в то время как спектральные линии скандия составляют 361,3~424,7 нм, серия излучений ближнего ультрафиолетового и синего света. Поскольку они дополняют друг друга, общий цвет производимого света - белый свет. Именно потому, что скандиевые натриевые лампы обладают такими характеристиками, как высокая световая эффективность, хорошая цветность света, энергосбережение, длительный срок службы и сильная способность рассеивать туман, они могут широко использоваться для телевизионных камер, площадей, спортивных площадок и дорожного освещения и известны как источники света третьего поколения. В Китае этот тип ламп постепенно продвигается как новая технология, в то время как в некоторых развитых странах этот тип ламп широко использовался еще в начале 1980-х годов.
Второе магическое оружие скандия — это солнечные фотоэлектрические элементы, которые могут собирать свет, рассеянный по земле, и превращать его в электричество для питания человеческого общества. Скандий — лучший барьерный металл в металлических изоляторах, полупроводниках, кремниевых солнечных элементах и солнечных батареях.
Его третье магическое оружие называется источником γ-лучей, это магическое оружие может ярко светить само по себе, но этот вид света не может быть получен невооруженным глазом, это поток фотонов высокой энергии. Мы обычно извлекаем 45Sc из минералов, который является единственным природным изотопом скандия. Каждое ядро 45Sc содержит 21 протон и 24 нейтрона. 46Sc, искусственный радиоактивный изотоп, может использоваться в качестве источников γ-излучения или атомов-индикаторов, также может использоваться для радиотерапии злокачественных опухолей. Существуют также такие приложения, как лазер на иттрий-галлий-скандиевом гранате,Фторид скандияСтеклянное инфракрасное оптическое волокно и скандиевая электронно-лучевая трубка на телевидении. Кажется, что скандий рождается с яркостью.
Сплавная промышленность
Скандий в своей элементарной форме широко используется для легирования алюминиевых сплавов. При добавлении нескольких тысячных скандия к алюминию образуется новая фаза Al3Sc, которая играет роль метаморфизма в алюминиевом сплаве и значительно изменяет структуру и свойства сплава. Добавление 0,2%~0,4% Sc (что действительно похоже на пропорцию добавления соли к жареным овощам дома, требуется лишь немного) может повысить температуру рекристаллизации сплава на 150-200 ℃ и значительно улучшить высокотемпературную прочность, структурную стабильность, сварочные характеристики и коррозионную стойкость. Это также позволяет избежать явления хрупкости, которое легко возникает при длительной работе при высоких температурах. Высокопрочный и высоковязкий алюминиевый сплав, новый высокопрочный коррозионно-стойкий свариваемый алюминиевый сплав, новый высокотемпературный алюминиевый сплав, высокопрочный стойкий к нейтронному облучению алюминиевый сплав и т. д. имеют весьма привлекательные перспективы развития в аэрокосмической отрасли, авиации, судостроении, ядерных реакторах, легковых транспортных средствах и высокоскоростных поездах.
Скандий также является отличным модификатором для железа, и небольшое количество скандия может значительно улучшить прочность и твердость чугуна. Кроме того, скандий также может использоваться в качестве добавки для высокотемпературных вольфрамовых и хромовых сплавов. Конечно, в дополнение к изготовлению свадебной одежды для других, скандий имеет высокую температуру плавления и его плотность подобна алюминию, а также используется в тугоплавких легких сплавах, таких как сплав скандия с титаном и сплав скандия с магнием. Однако из-за его высокой цены он, как правило, используется только в высокотехнологичных производственных отраслях, таких как космические челноки и ракеты.
Керамический материал
Скандий, единственное вещество, обычно используется в сплавах, и его оксиды играют важную роль в керамических материалах аналогичным образом. Тетрагональный циркониевый керамический материал, который может использоваться в качестве электродного материала для твердооксидных топливных элементов, обладает уникальным свойством, при котором проводимость этого электролита увеличивается с ростом температуры и концентрации кислорода в окружающей среде. Однако кристаллическая структура этого керамического материала сама по себе не может существовать стабильно и не имеет промышленной ценности; необходимо легирование некоторыми веществами, которые могут зафиксировать эту структуру, чтобы сохранить ее первоначальные свойства. Добавление 6~10% оксида скандия похоже на бетонную структуру, так что цирконий может быть стабилизирован на квадратной решетке.
Существуют также конструкционные керамические материалы, такие как высокопрочный и устойчивый к высоким температурам нитрид кремния, которые используются в качестве уплотнителей и стабилизаторов.
В качестве уплотнителя,Оксид скандияможет образовывать тугоплавкую фазу Sc2Si2O7 на краю мелких частиц, тем самым уменьшая высокотемпературную деформацию инженерной керамики. По сравнению с другими оксидами, он может лучше улучшить высокотемпературные механические свойства нитрида кремния.
Каталитическая химия
В химической инженерии скандий часто используется в качестве катализатора, в то время как Sc2O3 может использоваться для дегидратации и дезоксидации этанола или изопропанола, разложения уксусной кислоты и производства этилена из CO и H2. Катализатор PtAl, содержащий Sc2O3, также является важным катализатором для очистки и переработки тяжелой нефти в нефтехимической промышленности. В реакциях каталитического крекинга, таких как кумол, активность катализатора цеолита Sc-Y в 1000 раз выше, чем у катализатора силиката алюминия; по сравнению с некоторыми традиционными катализаторами, перспективы развития катализаторов скандия будут очень яркими.
Атомная энергетика
Добавление небольшого количества Sc2O3 к UO2 в ядерном топливе высокотемпературного реактора позволяет избежать трансформации решетки, увеличения объема и растрескивания, вызванных преобразованием UO2 в U3O8.
Топливный элемент
Аналогичным образом, добавление 2,5–25% скандия в никель-щелочные батареи увеличит срок их службы.
Сельскохозяйственное разведение
В сельском хозяйстве семена кукурузы, свеклы, гороха, пшеницы и подсолнечника можно обрабатывать сульфатом скандия (концентрация обычно составляет 10-3~10-8 моль/л, у разных растений она будет разной), и был достигнут фактический эффект стимуляции прорастания. Через 8 часов сухой вес корней и почек увеличился на 37% и 78% соответственно по сравнению с саженцами, но механизм все еще изучается.
От внимания Нильсена к долгу данных об атомной массе до сегодняшнего дня скандий вошел в поле зрения людей всего сто или двадцать лет назад, но он почти сидел на скамейке запасных в течение ста лет. Только бурное развитие материаловедения в конце прошлого века придало ему жизненную силу. Сегодня редкоземельные элементы, включая скандий, стали горячими звездами в материаловедении, играя постоянно меняющиеся роли в тысячах систем, принося больше удобства в нашу жизнь каждый день и создавая экономическую ценность, которую еще труднее измерить.
Время публикации: 29 июня 2023 г.