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.
Ска́ндий (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 1, 3.
Первым существование скандия предположил в 1871 Д. И. Менделеев . 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 при исследовании иттербия . 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 α-модификация Sc с гексагональной решеткой типа решетки магния , а = 0, 33085 нм, с = 0, 52680 нм, плотность 2, 989кг/дм 3 . Выше 1336°C устойчива β-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 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 , водородом , азотом , серой и фосфором . 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 , искусственных гранатов , как компонент керамических материалов. Ортофосфат скандия - основа флуоресцирующих составов.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «ХИМИЯ»
на тему: «Химический элемент - Скандий»
Подготовил студент
4 ЭФ 2 Тарасов С.В.
Научный руководитель:
Патрушева О.А.
МОСКВА 2010
· История Скандия и происхождение его названия
· Физические свойства Скандия
· Химические свойства Скандия
· Мировые ресурсы Скандия
· Распространение Скандия в природе
· Получение и производство Скандия
· Применение Скандия
· Металлургия
· Сплавы скандия
· Сверхтвёрдые материалы
· Микроэлектроника
· Источники света
· Изотопы скандия
· Ядерная энергетика
· Медицина
· Лазерные материалы
· Производство солнечных батарей
· МГД-генераторы
· Рентгеновские зеркала
· Огнеупорные материалы
· Производство фианитов
· Люминофоры
· Литература
История Скандия и происхождение его названия
Ска́ндий - элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементовД. И. Менделеева, с атомным номером 21 и атомной массой 44,9559, обозначается символом Sc (лат. Scandium ). Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) - легкий металл серебристого цвета с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом.
Известен один природный стабильный изотоп 45 Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46 Sc с периодом полураспада 84 сут.
Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.
Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С - β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой. Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см 3 , атомный радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t пл 1539 °С, t кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) , удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10 -6 ом·см;
Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10 -6 (20 °С). Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке - ковке, прокатке, штамповке.
Sc - первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d 1 4s 2 . По химическому поведению сходен с другими переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti 3+ , Fe 3+ , Mn 3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам.
На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой толщиной до 600Å, заметное окисление начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH 2 , с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) - соединения типа SсСl 3 .
Также Скандий реагирует с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С.
В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО 3) 2 - , Sc (SO 4) 3 3- . Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.
Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия резко падает и с 0,001 н. растворами он не реагирует). Соли соляной, серной, азотной, роданистоводородной и уксусной кислот хорошо растворяются в воде, а соли фосфорной, щавелевой и плавиковой кислот мало растворимы; некоторой летучестью обладают ацетилацетонат и его фторпроизводные. На Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO 3 и HF (1: 1).
Колоссальные ресурсы скандия сосредоточены в России и бывшем Советском Союзе (данные по добыче весьма разрозненны, но объёмы добычи по оценкам независимых специалистов равны или превышают официальную мировую добычу). В целом по оценкам независимых специалистов в настоящее время, основными продуцентами скандия (оксида скандия) являются Россия, Китай, Украина и Казахстан. В определённой степени в ближайшие годы ожидается значительный объём поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии.
Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.
Распространение Cкандия в природе
Известно два собственных минерала Скандия: тортвейтит (Sc, Y)2 Si 2 O 7 (Sc2O3 до 53,5%) и стерреттит Sc 2H 2 O (Sc 2 O 3 до 39,2%), но встречаются они чрезвычайно редко.
Скандий является типичным рассеянным элементом и слабым мигрантом и входит в состав многих минералов.
По химическим и физическим свойствам к скандию близки 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.
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.
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%). Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов
Так как, в горных породах содержание Скандия различно, и в связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn 2 +,Fe 2 +, TR, Hf, Th, U, Zr, то главная его масса рассеивается в минералах, содержащих эти элементы.
Наиболее высокие (30 г/т Sc 2 O 3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит), в которых широко развито гетеровалентное замещение скандием Fe 2 + и магния, а замещение циркония – в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.
В породах среднего состава среднее содержание Sc 2 O 3 - 10 г/т, в кислых – 2 г/т, здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене.
Также имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc – Y в тортвейтите и замещение Al в берилле).
Скандий 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.
Скандий преимущественно в виде оксидов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10 -6 н/м 2 (10 -6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.
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.
Применение Скандия
Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.
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 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 как 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.
(первый электрон)
(по Полингу)
| Sc | 21 |
| 44,95591 | |
| 3d 1 4s 2 | |
| Скандий | |
Скандий — элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 21. Обозначается символом Sc (лат. Scandium). Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния, β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C.
История
Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-бор) и открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном.
Происхождение названия
Л. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии.
Физические свойства
Скандий — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния (a=3,3085 Å; с=5,2680 Å; z=2; пространственная группа P6 3 /mmc ), β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C, ΔH перехода 4,01 кДж/моль. Температура плавления 1541 °C, температура кипения 2837 °C. Скандий — мягкий металл, с чистотой 99,5% и выше (в отсутствие O 2) легко поддается механической обработке.
Химические свойства
Получение
Следует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей и проблему разработки технологии извлечения скандия при переработке углей на искусственное жидкое топливо.
Мировые ресурсы скандия
Скандий 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;
- 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.
Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов, собственные его минералы (тортвейтит, джервисит) очень редки.
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.
Производство и потребление скандия
В 1988 году производство оксида скандия в мире составило:
| Страна |
Объём добычи, не менее, кг/год |
|---|---|
| Китай | 50 |
| Франция | 100 |
| Норвегия | 120 |
| США | 500 |
| Япония | 30 |
| Казахстан | 700 |
| Украина | 610 |
| Россия | 958 |
Следует учесть колоссальные ресурсы скандия в России и бывшем Советском Союзе (данные по добыче весьма разрозненны, но объёмы добычи по оценкам независимых специалистов равны или превышают официальную мировую добычу). В целом по оценкам независимых специалистов в настоящее время, основными продуцентами скандия (оксида скандия) являются Россия, Китай, Украина и Казахстан. Публикуемые в печати объёмы скандия/оксида скандия в США, Японии, Франции, это в большей степени вторичный металл и металл закупленный на мировом рынке. В определённой степени в ближайшие годы ожидается значительный объём поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии.
Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.
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. Последние пять лет цены на металлический скандий на мировом рынке колеблются от 12 до 20 тыс. долл за один кг (время от времени наблюдаются резкие скачки цен на скандий и его оксид, мало объяснимые с точки зрения специалистов, так например в 1991 году по данным Горного бюро США, оксид скандия оценивался в 3500 долл/кг (99,9 %), 10 000 долл/кг (99,999 %), металлический порошок крупностью 250 мкм (дистиллят 99,9 %) — 296 000 долл/кг, куски дендритов (99,9 %) — 248 000 долл/кг), в зависимости от чистоты металла, а оксид скандия в среднем 3500 долл/кг).
Применение
Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.
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 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 требуется высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 Мпа (40 кг/мм), 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 так же 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/мм (свыше 7000 МПа
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) имеет 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 Sc 2 O 3) 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 Sc-46 (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) один из лучших источников позитронов.
Ядерная энергетика
В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия — прекрасный замедлитель нейтронов, и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.
Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а так же 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 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 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 (добываемого на Луне), 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 устойчивая окись 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 так же применение танталата скандия.
Производство фианитов
Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором.
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.
Люминофоры
Борат скандия, равно как и борат иттрия применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.