Что такое скандий в химии

Скандий как химический элемент таблицы Менделеева

Как был открыт Скандий

Скандий является довольно молодым элементом. Дмитрий Иванович Менделеев, который является русским химиком и основополагателем периодической таблицы химических элементов, еще в 1869 году предполагал существование нового химического элемента с атомной массой от 40 до 48 и назвал его «эка-бор». Сам новый химический элемент был получен шведским ученым Ларсом Фредриком Нильсоном и его командой в 1879 году. Они получили 2 грамма оксида скандия высокой чистоты. Название этому элементу Ларс дал в честь своей Родины — латинское Scandia означает «Скандинавия». Нильсон, вероятно, не знал о предположении Менделеева, но Дмитрия Ивановича об открытии оповестил соотечественник Нильсона Пер Теодор Клив. Название Скандий закрепилось за этим химическим элементом и по сей день.

Проблема заключалась в том, что этот химический элемент долгое время не могли выделить из оксида. Чистый металл впервые извлекли из оксида только в 1937 году. Метод извлечения заключался в электролизе калия, лития и хлорида скандия при температуре 700 – 800°C. Первый фунт металлического скандия чистотой 99% был получен только в 1960 году. Для справки 1 фунт приблизительно равняется 0.45 килограмма. Производство алюминиево-скандиевых сплавов было начато только в 1970-х годах по патентам США.

Где и как добывают Скандий

Ежегодная мировая добыча скандия варьируется в пределах 10 – 15 тысяч тонн. Скандий в промышленных масштабах добывается исключительно в виде оксида. По состоянию на 2003 год во всем мире было всего 3 шахты по добыче скандийсодержащих минералов. Этими странами являлись Россия, Украина и Китай. В большинстве случаев скандий получают в виде побочного продукта при добыче других ископаемых. В пример можно поставить железные и урановые рудники в Днепропетровской области. Так же апатитовые рудники на Кольском полуострове современной РФ. Сейчас многие страны строят перерабатывающие заводы, которые выделяют скандий из минералов. Примером можно поставить заводы на Филлипинах и в Индии. Так же США готовится выделить 1 млрд американских долларов для ввода завода по добыче скандия и его добыче в ниобиевом руднике в Элк-Крик на юго-востоке Небраски.

Принцип работы перерабатывающего завода заключается в получении фторида скандия из минералов. Самым ценным скандийсодержащим минералом является тортвеитит. Учеными предполагается, что наибольшими залежами тортвеитита обладают Мадагаскар и Норвегия, но эти места еще не освоены. Еще одним высококонцентрированным скандийсодержащим минералом является колбекит, но его крупных месторождений пока не обнаружено.

Распространенность Скандия

Скандий из-за своей высокой реакционной способности практически никогда не встречается в виде свободного элемента. Этот химический элемент имеет единственный естественный изотоп встречающийся в природе с атомной массой в 45 а.е.м. Так же он имеет 12 искуственно созданных изотопов. Из-за его редкости и довольно узкого круга применения его добывают не в столь больших количествах. В природе он встречается в виде минералов. Самыми известными скандийсодержащими минералами являются Претулит, Тортвейтит, Колбекит, Аллендейт и Хефтетьернит. До недавнего времени только эти 5 скандийсодержащих минерала были известны науке. Сегодня некоторые источники сообщают, что их уже более сотни. Другие же сообщают, что таких минералов, в каоторых ионы скандия содержатся в виде примесей с долей менее 1% известно уже более 800.

Если разобраться, то скандий является довольно новым химическим элементом и мало изученным. О его распространенности во Вселенной, так же много не скажешь. Так как пока известно только то, что он содержится в звездах. В пример можно поставить наше Солнце, где скандий занимает 23 место по массе. На нашей планете скандий занимает 50 место по массе. Следовательно, скандий не является очень распространенным элементом и так же редким его назвать довольно трудно, потому что он содержится в разнообразных веществах по всему миру, но в очень небольших количествах.

Применение Скандия

Из-за своей редкости, трудности его получения и цены применение скандия довольно ограничено. Стоит заметить, что цена 1 килограмма чистого скандия может варьироваться от 4 до 20 тысяч долларов США. В тоже время скандий применяется в своем большинстве в виде соединений. В пример можно привести сплав алюминия и скандия в военном деле. Некоторые части российских военных самолетов таких как Миг-21 состоят именно из этого сплава. Так же йодид скандия используется в высокоэффективных ртутных лампах высокого давления. Такие лампы можно увидеть, например, на футбольных стадионах. Они способны обеспечивать освещенность светом, похожим на дневной, большие площади покрытия. Сплавы скандия используются при производстве велосипедных составных частей так и частей легковых автомобилей. Еще одним применением скандия является химическая промышленность, где скандий применяется для изготовления лазерных кристаллов. Оксид скандия добавляется в устройства магнитного хранения данных, для увеличения скорости магнитного обращения.

Интересные факты

Источник

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 P6₃/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 O₂) 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:

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:

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 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 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.

Биологическая роль

Скандий не играет никакой биологической роли.

Источник

Скандий – полезные свойства и особенности металла

Глобальная добыча этого металла измеряется килограммами, стоимость – тысячами долларов за кг. Скандий называют металлом третьего тысячелетия.

Что представляет собой

Скандий – это элемент № 21 периодической системы Д. И. Менделеева:

Международное обозначение-символ – Sc (Scandium).

Биологического значения не имеет.

Как был открыт

Первым в истории науки существование элемента предсказал Дмитрий Менделеев. Он назвал вещество эка-бором, «вычислил» его атомную массу, свойства.

Через девять лет (в 1879 году) гипотезу Менделеева подтвердил шведский ученый Ларс Нильсен.

Он дал элементу имя в честь Скандинавского полуострова, на котором располагается Швеция.

Крупицы металла получили к 1914 году.

Физико-химические характеристики

Редкоземельный металл легок, мягок, но хрупок. Химические свойства скандия типичны для «редких земель»: хорошее взаимодействие с кислотами, проблемная окисляемость на воздухе, парамагнетизм.

При отсутствии примесей (особенно O2) металл легко обрабатывается.

Как представлен на планете

Чистый скандий на Земле не обнаружен.

Он представлен другими формами:

Тонна земной коры содержит 10 граммов скандия.

Это сопоставимо с концентрацией свинца, но извлечение материала усложняет распыленность по литосфере.

Спектральный анализ установил насыщенность скандием некоторых типов звезд.

Месторождения сосредоточены на территории бывшего СССР и Монголии. В России это Якутия, Алтай, Красноярский край, Мурманская область.

Квартет поставщиков сырья на мировой рынок – Китай (91%), Россия, Казахстан, Украина. Как потенциальные игроки рассматриваются Австралия, Бразилия, Канада.

90% скандиевого сырья на мировой рынок поставляет Китай.

Технология получения

Извлечение скандия – многоступенчатый затратный процесс:

Второй способ получения предусматривает превращение окиси во фторид:

Для получения продукта чистоты 95%+ задействуют вакуумную дистилляцию.

Рентабелен способ получения скандия из каменноугольной золы и отходов переработки углей в синтетическое жидкое топливо.

Где используется

На практике скандий как металл используется редко. Чаще это сплавы, соединения. Особенно популярен оксид.

Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом – Скандий

Металлургия

Скандий востребован как лигатура, улучшающая характеристики продукции:

Оксид скандия входит в состав огнеупора, из которого сделаны емкости для разливки сталей специальных марок. По жаростойкости оставляет позади всех «конкурентов».

Другие отрасли промышленности

Прочностные характеристики скандиевых сплавов, соединений оценены оборонным и гражданским сектором:

Это также материал рентгеновских зеркал, автомобилей, воздушных лайнеров, ракет, спутников, солнечных батарей, лазерных компонентов, элементов повышенной светимости.

Радиоактивный изотоп-46 – маркер в нефтепереработке, контролер хода выплавки металлов. Скандий-47 оптимален как источник позитронов.

Непромышленный сегмент

Скандий-46 используют онкологи.

Оксид металла – лучший стабилизатор при производстве фианитов.

Из сплавов с алюминием изготавливают байки, щитки, биты, другое снаряжение для физкультуры, фитнеса, спорта.

Перспективы

Направления использования алюминиево-скандиевых сплавов в будущем:

Единственный недостаток, сдерживающий применение металла, – цена.

Стоимость

Источник