Sкандий, 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. Он часто смешивается с гадолинием, эрбием и другими элементами, имеет низкий выход и содержание в коре около 0,0005%. Скандий часто используется для изготовления специального стекла и легких жаропрочных сплавов.
В настоящее время доказанные запасы скандия в мире составляют всего 2 млн т, из которых 90~95% содержится в бокситовых, фосфоритовых и железо-титановых рудах, а небольшая часть - в урановых, ториевых, вольфрамовых и редкоземельных рудах, в основном Распространяется в России, Китае, Таджикистане, Мадагаскаре, Норвегии и других странах. Китай очень богат ресурсами скандия и имеет огромные запасы полезных ископаемых, связанных со скандием. По неполным статистическим данным, запасы скандия в Китае составляют около 600 000 тонн, которые содержатся в месторождениях бокситов и фосфоритов, вольфрамовых месторождениях порфиров и кварцевых жил в Южном Китае, редкоземельных месторождениях в Южном Китае, редкоземельных железорудных месторождениях Баян Обо в Внутренняя Монголия и месторождение ванадия-титана-магнетита Паньчжихуа в провинции Сычуань.
Из-за нехватки скандия цена на скандий также очень высока, и на пике своего развития цена на скандий была завышена в 10 раз по сравнению с ценой на золото. Хотя цена скандия упала, она все равно в четыре раза дороже золота!
Открывая историю
В 1869 году Менделеев заметил разрыв в атомной массе между кальцием (40) и титаном (48) и предсказал, что здесь также имеется неоткрытый элемент промежуточной атомной массы. Он предсказал, что его оксидом является X ₂ O Å. Скандий был открыт в 1879 году Ларсом Фредериком Нильсоном из Уппсальского университета в Швеции. Он добыл его из рудника черного редкого золота — сложной руды, содержащей 8 видов оксидов металлов. Он извлекОксид эрбия(III)из черной редкой золотой руды и полученОксид иттербия(III)из этого оксида и возникает другой оксид более легкого элемента, спектр которого показывает, что это неизвестный металл. Это металл, предсказанный Менделеевым, оксид которогоSc₂O₃. Сам металлический скандий производился 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 открытия применение скандия не было продемонстрировано из-за сложности его производства. По мере совершенствования методов разделения редкоземельных элементов в настоящее время существует зрелая технологическая схема очистки соединений скандия. Поскольку скандий менее щелочной, чем иттрий и лантанид, 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 переходят в раствор. Другой метод заключается в отделении нитрата скандия путем полярного разложения нитрата. Поскольку нитрат скандия разлагается легче всего, скандий можно отделить. Кроме того, важным источником скандия является комплексное извлечение сопутствующего скандия из месторождений урана, тория, вольфрама, олова и других полезных ископаемых.
После получения чистого соединения скандия его переводят в ScCl Å и плавят совместно с KCl и LiCl. Расплавленный цинк используется в качестве катода для электролиза, в результате чего скандий выпадает в осадок на цинковом электроде. Затем цинк испаряют с получением металлического скандия. Это легкий серебристо-белый металл с очень активными химическими свойствами, который может вступать в реакцию с горячей водой с образованием газообразного водорода. Поэтому металлический скандий, который вы видите на картинке, запечатан в бутылке и защищен газообразным аргоном, иначе скандий быстро образует темно-желтый или серый оксидный слой, теряя свой блестящий металлический блеск.
Приложения
Светотехническая промышленность
Применение скандия сконцентрировано в очень ярких направлениях, и не будет преувеличением назвать его Сыном Света. Первое волшебное оружие скандия — скандиево-натриевая лампа, с помощью которой можно осветить тысячи домов. Это металлогалогенный электрический светильник: лампочка заполнена йодидом натрия и трииодидом скандия, одновременно добавлены скандий и натриевая фольга. Во время высоковольтного разряда ионы скандия и ионы натрия излучают свет с характерными для них длинами волн излучения соответственно. Спектральные линии натрия составляют 589,0 и 589,6 нм, два знаменитых желтых света, а спектральные линии скандия составляют 361,3 ~ 424,7 нм, серию излучений ближнего ультрафиолета и синего света. Поскольку они дополняют друг друга, общий цвет света — белый. Именно потому, что скандиево-натриевые лампы обладают характеристиками высокой светоотдачи, хорошей цветности света, энергосбережения, длительного срока службы и сильной способности 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 пропагандируется как новая технология, а в некоторых развитых странах этот тип ламп широко использовался еще в начале 1980-х годов.
Второе магическое оружие скандия — солнечные фотоэлектрические элементы, которые могут собирать рассеянный на земле свет и превращать его в электричество, которое будет стимулировать человеческое общество. Скандий является лучшим барьерным металлом в металлических изоляторах, полупроводниковых кремниевых солнечных элементах и солнечных элементах.
Его третье магическое оружие называется γ Источник лучей. Это магическое оружие может ярко светить само по себе, но такой свет невозможно получить невооруженным глазом, это поток фотонов высокой энергии. Обычно мы извлекаем из минералов 45Sc, который является единственным природным изотопом скандия. Каждое ядро 45Sc содержит 21 протон и 24 нейтрона. 46Sc, искусственный радиоактивный изотоп, можно использовать в качестве источников γ-излучения или атомов-индикаторов также можно использовать для лучевой терапии злокачественных опухолей. Существуют также такие приложения, как лазер на иттрий-галлий-скандиевом гранате.Фторид скандиястеклянное инфракрасное оптическое волокно и электронно-лучевая трубка с скандиевым покрытием на телевидении. Кажется, скандий рождается с яркостью.
Сплавная промышленность
Скандий в своей элементарной форме широко используется для легирования алюминиевых сплавов. Пока к алюминию добавляется несколько тысячных скандия, образуется новая фаза Al3Sc, которая будет играть роль метаморфизма в алюминиевом сплаве и значительно изменять структуру и свойства сплава. Добавление 0,2–0,4% Sc (что действительно аналогично пропорции добавления соли для жареных овощей дома, требуется совсем немного) может повысить температуру рекристаллизации сплава на 150-200 ℃ и значительно улучшить высокую температуру. -Температурная прочность, структурная стабильность, сварочные характеристики и коррозионная стойкость. Это также позволяет избежать явления охрупчивания, которое легко возникает во время длительной работы при высоких температурах. Высокопрочный и высокопрочный алюминиевый сплав, новый высокопрочный коррозионно-стойкий свариваемый алюминиевый сплав, новый жаропрочный алюминиевый сплав, высокопрочный алюминиевый сплав, устойчивый к нейтронному облучению и т. д. имеют очень привлекательные перспективы развития в аэрокосмической, авиационной, кораблестроительной, ядерные реакторы, легковые автомобили и высокоскоростные поезда.
Скандий также является отличным модификатором железа, а небольшое количество скандия может значительно улучшить прочность и твердость чугуна. Кроме того, скандий также может использоваться в качестве добавки к жаропрочным вольфрамовым и хромовым сплавам. Конечно, помимо изготовления свадебной одежды для других, скандий имеет высокую температуру плавления и его плотность аналогична алюминию, а также используется в легких сплавах с высокой температурой плавления, таких как скандиево-титановый сплав и скандиево-магниевый сплав. Однако из-за своей высокой цены он обычно используется только в высокотехнологичных отраслях промышленности, таких как космические челноки и ракеты.
Керамический материал
Скандий, отдельное вещество, обычно используется в сплавах, и его оксиды аналогичным образом играют важную роль в керамических материалах. Керамический материал из тетрагонального циркония, который можно использовать в качестве электродного материала для твердооксидных топливных элементов, обладает уникальным свойством: проводимость этого электролита увеличивается с увеличением температуры и концентрации кислорода в окружающей среде. Однако сама кристаллическая структура этого керамического материала не может стабильно существовать и не имеет промышленного значения; Необходимо легирование некоторых веществ, способных зафиксировать эту структуру, чтобы сохранить ее первоначальные свойства. Добавление 6–10% оксида скандия похоже на бетонную структуру, поэтому цирконий можно стабилизировать на квадратной решетке.
Существуют также конструкционные керамические материалы, такие как высокопрочный и термостойкий нитрид кремния, 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 технологии скандий часто используют в качестве катализатора, а Sc2O3 — для дегидратации и раскисления этанола или изопропанола, разложения уксусной кислоты и получения этилена из CO и H2. Катализатор Pt Al, содержащий Sc2O3, также является важным катализатором процессов гидрогенизации и переработки тяжелой нефти в нефтехимической промышленности. В реакциях каталитического крекинга, таких как кумол, активность цеолитного катализатора Sc-Y в 1000 раз выше, чем активность алюмосиликатного катализатора; По сравнению с некоторыми традиционными катализаторами перспективы развития скандиевых катализаторов будут очень радужными.
Атомная энергетика
Добавление небольшого количества Sc2O3 к UO2 в ядерное топливо высокотемпературного реактора позволяет избежать трансформации решетки, увеличения объема и растрескивания, вызванных превращением UO2 в U3O8.
Топливный элемент
Аналогично, добавление от 2,5% до 25% скандия в никель-щелочные батареи увеличит срок их службы.
Сельскохозяйственное разведение
В сельском хозяйстве семена, такие как кукуруза, свекла, горох, пшеница и подсолнечник, можно обрабатывать сульфатом скандия (концентрация обычно составляет 10-3 ~ 10-8 моль/л, разные растения будут иметь разные значения), и фактический эффект стимулирования прорастания было достигнуто. Через 8 часов сухая масса корней и почек увеличилась на 37% и 78% соответственно по сравнению с рассадой, но механизм еще изучается.
С момента внимания Нильсена к данным об атомной массе до сегодняшнего дня скандий попадал в поле зрения людей всего сто или двадцать лет, но почти сто лет он почти простоял на скамейке запасных. Лишь бурное развитие материальной науки в конце прошлого века придало ему жизненную силу. Сегодня редкоземельные элементы, в том числе скандий, стали горячими звездами в материаловедении, играя постоянно меняющуюся роль в тысячах систем, каждый день принося больше удобства в нашу жизнь и создавая экономическую ценность, которую еще труднее измерить.
Время публикации: 29 июня 2023 г.