Наиболее перспективные скандиевые сплавы уже разработаны (ковкие высокотемпературные сплавы системы магний-скандий-натрий-марганец, сплавы скандий-медь-алюминий, сплавы скандий-титан и др.)
(Scandium, от лат. Scandia, Scandinavia), Sc — химический элемент 3 группы четвертого периода периодической таблицы элементов (от устаревшего III группы периодической таблицы элементов), в п. 21, в м. 44,9559, относится к редким землям.
Металл имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком. В соединениях он имеет степень окисления +3, иногда +2 и +1. Он состоит из стабильного изотопа 45Sc.
Наиболее важным из искусственных изотопов является бета-активный изотоп 46Sc с периодом полураспада 84 дня. Скандий был предсказан в 1870 году русским ученым Д. И. Менделеевым и открыт в 1879 году шведским химиком Л. Ф. Нильссоном в скандинавском минерале гадолините.
Содержание скандия в земной коре составляет 6-10 4 %. Скандий является микроэлементом и встречается в следах (не более 0,5 %) во многих минералах (вольфрамит, касситерит, урановые руды и т.д.).
Самородные минералы скандия (тортвейтит Sc2Si2О7, стереотит Sc4-2H2O), которые встречаются крайне редко, не имеют практического значения.
Он существует в двух кристаллических модификациях: альфа-модификация с гексагональной плотной решеткой и с периодами α = 3,309 A и с = 5,2733 A стабильна до 1334°С, бета-модификация с кубической оноцентрической решеткой стабильна выше 1334°С.
История открытия
В 1871 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предсказал существование этого элемента. Позже он был открыт Ларсом Фредриком Нильссоном в 1879 году.
Он представлен символом «Sc». В периодической таблице Менделеева скандий имеет атомный номер 21, а его атомный вес составляет 44,965 г/моль.
На Земле скандий или «Sc» встречается в основном в Скандинавии. Он встречается в ничтожных количествах во многих видах минералов на Земле.
Физические свойства скандия
Скандий — это серебристо-белый металл, который существует в двух кристаллических формах с различными типами и параметрами решетки.
Плотность α-скандия (температура 259 C) составляет 3,020 г/см 3 ;tпл1539 ; tкипячение2700 °C выше температуры 1600 °C. Коэффициент линейного расширения 11,4 — 10 гра д-1, теплоемкость (значение t 25 °C) 6,01 ккал/г — град, удельное электрическое сопротивление (54 — 70,7) 10 Ом-см.
Скандий слабо парамагнитен, его атомная магнитная восприимчивость (температура 20° C) составляет 236 — 1 0-6. Прочность на разрыв 25-30 кгс/мл 2, прочность на сжатие 100 кгс/мм 2, HB=75-100. Он легко обрабатывается в бескислородной среде: Его можно уплотнять, прокатывать, ковать и сваривать.
Интересные факты о скандии: Скандий — пятидесятый по распространенности металл на Земле. Период полураспада большинства изотопов скандия составляет менее двух минут.
В окисленном состоянии, например, в виде Sc2O3, цвет скандия меняется на желтый или янтарный. Его валентность равна 3+.
Существует несколько важных свойств скандия, которые отличают его от других элементов.
- Это серебристо-белый металл
- Он имеет умеренно мягкую текстуру
- Скандий тускнеет в воздухе
- Он также легко горит
- Скандий реагирует с водой
- Электронная конфигурация скандия Ar 3d 1 4s 2 .
- Температура плавления металла составляет 1541° C.
- Температура кипения металла составляет 2836° C.
- Плотность скандия составляет 2,99 грамма на кубический сантиметр
По данным Геологической службы США, с 2015 по 2019 год цена на небольшое количество слитков скандия в США колебалась от 107 до 134 долларов США за грамм, а оксида скандия — от 4 до 5 долларов США за грамм.
В химическом составе скандия почти полностью доминирует трехвалентный ион Sc. Радиусы М-ионов, приведенные в таблице ниже, показывают, что химические свойства ионов скандия имеют больше общего с ионами иттрия, чем с ионами алюминия. Отчасти из-за этого сходства скандий часто классифицируют как элемент, подобный лантаниду.
| Аль | Sc | Y | La | Лу |
| 53,5 | 74,5 | 90,0 | 103,2 | 86,1 |
Оксиды и гидроксиды
Sc. 2O. 3 оксид и Sc(OH). 3 гидроксид являются амфотерными:
Sc (OH). 3+ 3 OH. → Sc (OH). 6. (Скандат-ион) Sc (OH). 3+ 3 H. + 3 H. 2O → Sc (H. 2O). 6.
α- и γ-ScOOH изодомичны с соответствующими гидроксидами глинозема. Растворы Sc. в воде становятся кислыми вследствие гидролиза.
галогенидов и псевдогалогенидов
Галогениды ScX 3, где X = Cl, Br или I, легко растворимы в воде, но ScF 3 нерастворим. Во всех четырех галогенидах скандий имеет 6-координацию. Галогениды кислот Льюиса, например, ScF 3 растворяется в растворе с избытком фторид-ионов и образует ScF 6. Координационное число 6 характерно для Sc(III). Резонансные числа 8 и 9 являются общими для более крупных ионов Y и La. Трифлат скандия иногда используется в качестве катализатора кислоты Льюиса в органической химии.
Органические производные
Скандий образует различные металлоорганические соединения с циклопентадиенильными (Cp) связями, аналогично поведению лантанидов. Примером может служить хлор-мостиковый димер ScCp 2 Cl 2 и соответствующие производные пентаметилциклопентадиенильного линкера.
Необычные степени окисления
Соединения, содержащие скандий в состояниях окисления, отличных от +3, редки, но хорошо изучены. Сине-черное соединение CsScCl 3 является одним из самых простых. Этот материал имеет пластинчатую структуру с расширенными связями между центрами скандия(II). Гидрид скандия не совсем понятен, хотя он не похож на гидрид соли Sc(II). Как и в случае большинства элементов, диатомарный гидрид скандия наблюдался спектроскопически при высоких температурах в газовой фазе. Бориды и карбиды скандия не являются элементами, что характерно для соседних элементов.
Более низкие степени окисления (+2, +1, 0) также наблюдаются в органокадиевых соединениях.
История
Дмитрий Менделеев, который считается отцом матрицы Менделеева, предсказал существование элемента экаборон с атомным весом между 40 и 48 в 1869 году. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в 1879 году в минералах эвксенит и гадолинит. Нильсон произвел 2 грамма высокочистого оксида скандия. Он назвал элемент скандием в честь латинского слова scandia, что означает «Скандинавия». Нильсон, очевидно, ничего не знал о предсказании Менделеева, но Пер Теодор Клив узнал о переписке и обратил на нее внимание Менделеева.
Металлический скандий был впервые получен в 1937 году электролизом эвтектической смеси хлорида калия, хлорида лития и скандия при температуре 700-800°C. Первый фунт металлического скандия с чистотой 99 % был произведен в 1960 году. Производство алюминиевых сплавов началось в 1971 году после получения патента в США. Алюминиево-скандиевые сплавы также были разработаны в СССР.
Лазерные кристаллы гадолиний-скандий-галлий-граната (GSGG) использовались для стратегических оборонных приложений в рамках Стратегической оборонной инициативы (SDI) в 1980-х и 1990-х годах.
Красные звезды-гиганты около Галактического центра
В начале 2018 года были получены данные спектрометра о значительном количестве скандия, ванадия и иттрия в красных звездах-гигантах в Ядерном звездном скоплении (ЯСК) в галактическом центре. Дальнейшее исследование показало, что это был обман из-за относительно низкой температуры (ниже 3500 К) этих звезд, маскирующей сигналы изобилия, и что это явление наблюдалось и у других красных гигантов.
Приложения
Детали МиГ-29 изготовлены из сплава Al-Sc.
Добавление скандия в алюминий уменьшает рост зерна в зоне нагрева сварных алюминиевых деталей. Это имеет два положительных эффекта: Осажденный Al 3 Sc образует более мелкие кристаллы, чем в других алюминиевых сплавах, и объем беззерновых зон без границ зерен в стареющих алюминиевых сплавах. Эти два эффекта повышают полезность сплава. Однако титановые сплавы, сходные по легкости и прочности, дешевле и чаще используются.
Сплав Al 20Li20Mg10Sc20Ti30 прочен как титан, легок как алюминий и тверд как керамика.
Скандий в основном используется в качестве сплава алюминий-скандий для изготовления небольших аэрокосмических компонентов. Эти сплавы содержат от 0,1 % до 0,5 % скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности в самолетах Микояна-Гуревича МиГ-21 и МиГ-29.
. Из скандий-алюминиевых сплавов было изготовлено некоторое спортивное оборудование из высококачественных материалов, включая бейсбольные биты и велосипедные рамы и детали. Клюшки для лакросса также изготавливаются из скандия. Американская огнестрельная компания Smith Wesson производит полуавтоматические пистолеты и револьверы с рамками из скандиевого сплава и цилиндрами из титана или углеродистой стали.
Стоматологи используют эрбиево-хромовые лазеры с иттрий-скандиевым сплавом (Er, Cr: YSGG) для препарирования полостей и в эндодонтии.
Первые металлогалогенные скандиевые лампы были запатентованы компанией General Electric и первоначально производились в Северной Америке, хотя сейчас они производятся во всех основных промышленно развитых странах. В США ежегодно используется около 20 кг скандия (в виде Sc 2O 3 ) для высокоинтенсивных газоразрядных ламп. Тип металлогалогенной лампы, похожий на ртутную лампу, изготавливается из трийодида скандия и йодида натрия. Эта лампа является источником белого света с высоким индексом цветопередачи, достаточно похожим на солнечный свет, чтобы обеспечить хорошую цветопередачу для телевизионных камер. Во всем мире ежегодно в металлогалогенных лампах используется около 80 кг скандия.
Радиоактивный изотоп Sc используется в качестве индикатора на нефтеперерабатывающих заводах. Трифлат скандия — это каталитическая кислота Льюиса, используемая в органической химии.
По данным Геологической службы США, цена на небольшие количества скандиевых стержней в США с 2015 по 2019 год колебалась от 107 до 134 долларов США за грамм, в то время как цена на оксид скандия составляла от 4 до 5 долларов США за грамм. 23
См. также: соединения скандия и категории минералов скандия.
В химическом составе скандия почти полностью доминирует трехвалентный ион Sc 3+. Радиусы ионов M 3+ в следующей таблице показывают, что химические свойства ионов скандия имеют больше общего с ионами иттрия, чем с ионами алюминия. Отчасти из-за этого сходства скандий часто классифицируют как элемент, подобный лантаниду.
| Al | Sc | Y | Ла | Лу |
| 53.5 | 74.5 | 90.0 | 103.2 | 86.1 |
Оксиды и гидроксиды
α- и γ-ScOOH изодомичны с соответствующими гидроксидами глинозема. 25 Растворы Sc 3+ в воде становятся кислыми из-за гидролиза.
Галогениды и псевдогалогениды
В галогенидах ScX3с X = Cl, Br или I, легко растворимы в воде, но ScF3нерастворима. Во всех четырех галогенидах скандий 6-координирован; галогениды кислот Льюиса, например, ScF3растворяется в растворе с избытком ионов фтора и образует ScF63-. Координационное число 6 типично для Sc(III). Для более крупных ионов Y 3+ и La 3+ характерны резонансные числа 8 и 9. Трифлат скандия иногда используется в качестве катализатора кислоты Льюиса в органической химии.
Органические производные
Скандий образует различные металлоорганические соединения с циклопентадиенильными (Cp) линкерами, которые напоминают поведение лантанидов. Одним из примеров является хлор-связанный димер ScCp2Cl2и родственные производные пентаметилциклопентадиенила. 26
Необычные состояния окисления
Соединения, содержащие скандий в состояниях окисления, отличных от +3, редки, но хорошо изучены. Сине-черное соединение CsScCl.3Этот материал имеет пластинчатую структуру с расширенными связями между центрами скандия(II). 27 Гидрид скандия не совсем понятен, хотя, похоже, это гидрид соли Sc(II). 4 Как и в случае большинства элементов, диатомарный гидрид скандия наблюдался спектроскопически при высоких температурах в газовой фазе. 3 Бориды и карбиды скандия не являются элементами, как это характерно для соседних элементов. 28
Более низкие степени окисления (+2, +1, 0) также наблюдались для органокандиановых соединений. 29 30 31 32
История
Дмитрий Менделеев, считающийся отцом периодической таблицы, предсказал существование элемента эвкаброния с атомной массой от 40 до 48 в 1869 году. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в 1879 году в минералах эвксенит и гадолинит. Нильсон произвел 2 грамма высокочистого оксида скандия. 33 34 Он дал элементу название скандий, образованное от латинского слова scandia, означающего «Скандинавия». Нильссон, по-видимому, ничего не знал о предсказании Менделеева, но Пер Теодор Клев узнал о переписке и довел ее до сведения Менделеева. 35 36
Впервые металл скандий был получен в 1937 году электролизом из эвтектической смеси хлорида калия, хлорида лития и скандия при температуре 700-800 °C. 37 Первый фунт металлического скандия с чистотой 99% был произведен в 1960 году. Производство алюминиевых сплавов началось в 1971 году после получения патента в США. 38 Алюминиево-скандиевые сплавы также были разработаны в СССР. 39
Лазерные кристаллы гадолиний-скандий-галлий-граната (GSGG) использовались для стратегических оборонных приложений в 1980-х и 1990-х годах в рамках Стратегической оборонной инициативы (SDI) 40 41.
Красные звезды-гиганты возле Галактического центра
В начале 2018 года были получены спектрометрические доказательства наличия значительного количества скандия, ванадия и иттрия в красном гиганте в Ядерном звездном скоплении (ЯСК) в центре Галактики. Дальнейшее исследование показало, что это был обман из-за относительно низкой температуры (ниже 3500 К) этих звезд, маскирующей сигналы изобилия, и что это явление наблюдалось и у других красных гигантов. 42
Приложения
Добавление скандия в алюминий уменьшает рост зерна в зоне нагрева сварных алюминиевых деталей. Это имеет два положительных эффекта: Осажденный Al3Sc образует более мелкие кристаллы, чем в других алюминиевых сплавах, и уменьшает количество областей без границ зерен в стареющих алюминиевых сплавах. 43 Эти два эффекта увеличивают преимущества сплава. Почему? Титановые сплавы, однако, схожи по легкости и прочности, стоят дешевле и применяются гораздо шире. 44
сплав алюминия20Ли20Mg10Sc20Ti30прочный, как титан, легкий, как алюминий, и твердый, как керамика. 45
Наиболее важным применением скандия по весу являются алюминиево-скандиевые сплавы для вторичных деталей в аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности в МиГ-21 и МиГ-29 Микояна-Гуревича.43
Из скандиево-алюминиевых сплавов изготавливается некоторое спортивное оборудование, в котором используются высококачественные материалы, включая бейсбольные биты 46 и велосипедные рамы и компоненты. 47 Клюшки для лакросса также изготавливаются из скандия. Американская компания Smith & Wesson производит самозарядные пистолеты и револьверы с рамками из скандиевого сплава и цилиндрами из титана или углеродистой стали. 48 49
Стоматологи используют лазеры на галлий-скандий-иттрий-гранате, легированном эрбием-хромом (Er, Cr: YSGG), для создания кариозных полостей и эндодонтических препаратов. 50
Первые металлогалогенные скандиевые лампы были запатентованы компанией General Electric и первоначально производились в Северной Америке, хотя сейчас они производятся во всех основных промышленно развитых странах. Приблизительно 20 кг скандия (в виде Sc2О3) ежегодно потребляется в США для высокоинтенсивных газоразрядных ламп. 51 Тип металлогалогенной лампы, подобный ртутной лампе, изготавливается из трийодида скандия и йодида натрия. Эта лампа является источником белого света с высоким индексом цветопередачи, достаточно похожим на солнечный свет, чтобы обеспечить хорошую цветопередачу в телевизионной камере. 52 Во всем мире в металлогалогенных лампах ежегодно используется около 80 килограммов скандия.
Радиоактивный изотоп 46 Sc используется в качестве трассера на нефтеперерабатывающих заводах. 51 Трифлат скандия — каталитическая кислота Льюиса, используемая в органической химии. 53
Физико-химические свойства
Скандий относится к переходным элементам и обладает как металлическими, так и неметаллическими свойствами. Его физические свойства приведены в таблице.
Таблица 1. Физические свойства Sc.
| Имя параметра | Индекс |
|---|---|
| Масса/радиус атома | 45.00/162.00 |
| Электронная конфигурация последнего энергетического уровня | 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 |
| Валентность/состояние окисления | III (+3) |
| Плотность | 2,99 г/см³ |
| Удельная теплота плавления | 15,8 кДж/моль |
| Температура плавления/кипения (°C) | 1 540,85 / 2 836,85 |
| Теплопроводность (Вт) | 15,8 |
| Период полураспада | Природный изотоп стабилен, искусственно полученный — в зависимости от массы атома — от 43 до 83 дней. |
Скандий встречается в двух кристаллических решетках (в зависимости от температуры): гексагональной и кубической. Это мягкий металл, который легко поддается обработке.
Химические свойства скандия
Валентность скандия — III, поэтому он обладает переходными свойствами. Вещество легко вступает в химические реакции в присутствии атмосферного кислорода.
Скандий реагирует с кислородом, фосфором и фтором при красном нагревании с образованием оксида, фосфида и фтора. Он реагирует с другими галогенами (хлором, бромом, йодом) при температуре 25 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении. На воздухе он быстро образует оксидную пленку.
Таблица 2. Химические свойства Sc.
| Химическое свойство | Уравнение реакции |
|---|---|
| Реакция с H2O с образованием щелочи | 2Sc + 6H2O = 2Sc(OH)3+ 3H2 |
| Взаимодействие с разбавленными кислотами с образованием солей и выделением водорода | 2Sc + 3H2SO4= Sc2(SO4)3+ 3H2 |
В растворах этот химический элемент присутствует либо в виде катиона Sc 3+ (ведет себя как металл), либо в виде ScF4-, ScF52 анионы (кислотные остатки), аналогичные алюминию. Он не участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Реагирует с концентрированными щелочами с образованием Sc(OH)3.
Химически чистый скандий не встречается в природе. Он является побочным продуктом (примесью) при добыче железа и редкоземельных металлов.
- Китай – 90% мировой добычи;
- Желтые воды, Украина – побочный продукт при добыче урановой руды. Содержание скандия – до 105 г/ на тонну породы.
- Мурманское, Алтайское и Якутское месторождение, Россия;
- Норвегия – в ней находятся природные месторождения тортвейтита – разрабатываются с 60 годов прошлого столетия;
- Нинган, Австралия;
- Мадагаскар и США – месторождения разрабатываются с 1950 гг. прошлого века.
В металлургическом производстве редкоземельный металл получают путем восстановления из его солей (хлорида и фторида) с использованием металлического кальция и магния в инертной атмосфере в молибденовых тиглях.
Реакция проводится при температуре 850 градусов Цельсия. На заключительном этапе она повышается до 1600 градусов. Таким образом, шлак отделяется от скандия.
Он плавится и замещается в вакууме. Таким образом, удаляются летучие соединения. Продукт представляет собой металл, содержащий 95% чистого скандия.
Метод экстракции в основном используется для извлечения Sc из различного сырья.
Технологическая схема производства оксида скандия состоит из следующих этапов:
- Первичное концентрирование.
- Получение технического Sc2O3(скандиевого концентрата).
- Очистка с получением химически чистого оксида скандия с массовой долей в 99%.
Также был разработан метод получения металла путем восстановления алюминием. Процесс начинается при температуре 810 градусов, а при нагревании до 930 градусов начинается восстановление.
Области применения
Скандий называют металлом будущего. Его свойства широко используются в различных отраслях промышленности.
Металлургия
Скандий используется в качестве сплава. Он увеличивает прочность на разрыв железных сплавов на 35 % и текучесть до 84 %. Добавление до 0,67 % хрома повышает устойчивость к воздействию атмосферного кислорода. Окисление хромовых сплавов начинается при температуре 1290 градусов Цельсия. В этом диапазоне скандий более эффективен, чем иттрий.
Оксид скандия, скандий иттрия, используется для изготовления жаропрочной керамики. Такие устройства очень устойчивы к тепловым ударам. Оксиды скандия также используются в производстве прецизионной оптики.
Основными отраслями, потребляющими соединения этого элемента, являются производство высокопрочных сплавов на основе алюминия и авиастроение. Легирование повышает прочность и пластичность алюминия. Это помогает повысить надежность приборов и систем и снизить транспортные расходы.
Небольшое количество скандия используется для легирования никеля и сплавов. Это увеличивает срок службы нагревательных элементов из сплавов хрома и железа.
Легирующие свойства соединений скандия используются для получения сверхтвердых сплавов и материалов. Некоторые из них занимают 4-е место по твердости после алмаза.
Скандий-бериллий — чрезвычайно твердый материал с высокой температурой плавления, что делает его пригодным для применения в аэрокосмической промышленности. Его свойства лучше, чем у титановых и борных сплавов и композитов на основе углерода.
Оксид скандия используется в производстве оборудования для разливки высоколегированной стали. Он превосходит все известные высокопрочные сплавы по сопротивлению растеканию расплава. Иттрий-скандий, армированный кристаллами оксида алюминия, часто используется для снижения стоимости стали.
Микроэлектроника и источники света
Благодаря своей высокой температуре плавления, sc2О3используется в производстве электрических компьютеров. В лампы добавляется соль гидрида йода, а спектр их излучения максимально приближен к спектру солнечного света.
Ядерная энергетика
Гидриды скандия используются в качестве регуляторов и усилителей нейтронов в генераторах. А диборид используется для отражения нейтральных частиц в ядерном оружии. Радиоактивный изотоп используется при лечении рака. А изотоп с атомной массой 47 единиц является лучшим источником положительно заряженных частиц.
Инновационные технологии
Соединения скандия и гольмия используются в фотопреобразователях для солнечных батарей. Этот прозрачный материал уменьшает отражение света от кремниевого каркаса панелей, что увеличивает их производительность на 140 %.
Этот металл также используется для изготовления рентгеновских зеркал и интерметаллических соединений кремния.
Ювелирное дело и производства люминофоров
Оксиды скандия используются для изготовления фанитов, имитирующих драгоценные камни. А его бораты являются основной базой для производства люминофоров, стекла и керамики.
