Чем хорош скандий? Сочетанием малого веса и высокой температурой плавления. Будучи 21-м элементом таблицы Менделеева, он располагается под алюминием в подгруппе 3Б, отличаясь от последнего втрое более высокой температурой плавления, а от соседнего титана — в полтора раза большей прочностью. Серебристый с желтым отливом скандий, заметно окисляющийся на воздухе лишь при нагреве выше 250°С, мог бы стать прекрасным конструкционным материалом, может быть, даже основой цивилизации. Однако не стал.
Какую роль сыграл скандий в утверждении Периодической системы? Сформулировав свой закон, Д.И.Менделеев предсказал свойства элементов в незаполненных ячейках таблицы. Среди них был и элемент 21, названный им экабором. В 1879 году швед Ларс Нильсон обнаружил в минерале ауксените элемент, свойства которого оказались практически идентичны экабору. Этот элемент, названный скандием в честь родины Нильсона, стал вторым доказательством справедливости закона: первым был открытый в 1875 году экалюминий — галлий.
Из множества редкоземельных металлов в Казахстане добывают только Скандий. Контроль — за россиянами
Зачем скандий металловедам? Не будь он столь редким и дорогим, технологи могли бы найти ему много применений. Главное — аэрокосмическая промышленность.
Так, добавка скандия в мельчайших количествах (доли весового процента) в сплавы алюминия и алюминия с магнием существенно, на десятки процентов, а порой ив разы увеличивает механические свойства: твердость, прочность, длительную прочность. Пластичность же при этом не уменьшается.
Эффекты достигаются за счет того, что скандий, во-первых, сильно уменьшает размер зерен металла, а во-вторых, выделяется в виде упрочняющих частиц интерметаллида — скандида алюминия AlSc2.И заменить его нечем. Вот свежий опыт, поставленный немецкими учеными ( «Surface and Coatings Technology» ), которые делали тонкую алюминиевую пленку для последующей штамповки микроскопических деталей.
Сплав с добавкой скандия удовлетворяет всем требованиям технологов, но уж очень хочется избавиться от этого дорогого элемента. Что если взять химический аналог — иттрий, стоящий в таблице сразу под скандием? Взяли и обнаружили, что структура пленок у обоих сплавов схожая, а прочность той, что с иттрием, даже выше. Но вот пластичность упала почти до нуля.
Из такой пленки ничего не отштампуешь. Среди прочих достоинств алюминиевых сплавов со скандием — свариваемость и поглощение радиоволн; последнее нужно для облегчения маскировки боевых самолетов.
Легкие сплавы прежде всего нужны авиации и космонавтике. Если не думать о цене, для столь важного дела следует применять самый лучший материал. (Вспомним слова, приписываемые конструктору МИГов А.И.Микояну: «Если надо, мои самолеты будут заправляться армянским коньяком».) Так и делали в СССР, где была поставлена задача — получить десять тонн скандия в год (больше, чем все остальные страны, вместе взятые) и превратить его в тысячу тонн высокопрочного алюминиевого сплава. Из такого сплава, в частности, были сделаны элементы обшивки космического челнока «Буран».
Скандий — Металл, издающий СТРАННЫЕ ЗВУКИ!
Если же думать о цене, то возникает вопрос: а окупаются ли затраты? Пусть самолет будет тяжелее, но дешевле, ведь по состоянию на 2011 год, согласно данным из доклада Геологической службы США «Mineral Commodity Summaries 2012» килограмм алюминий-скандиевого сплава стоил 220 долларов (годом ранее — 74 доллара). А килограмм чистого алюминия шел на бирже по два доллара.
Видимо, соображения экономии и привели после перестройки к значительному падению спроса на скандий и сокращению его производства. Так, по данным того же доклада, в главной авиастроительной стране мира, США, скандий не добывают аж с 1990 года, а пользуются поставками из КНР, России и Украины. При этом основное использование алюминиевых сплавов со скандием сегодня — изготовление профессиональных бейсбольных бит, а также рам очень дорогих гоночных велосипедов.
Впрочем, будущее этого металла авторы доклада все же связывают с авиацией и космосом. Может быть, имеется в виду второе рождение известных легких сплавов, а может быть, и уникальный новый материал — бериллид скандия ScBe16.
Это легчайший из возможных (удельный молекулярный вес в расчете на один атом оказывается чуть больше 11, то есть меньше, чем у углерода) металлический конструкционный материал, способный выдерживать нагрев на воздухе до 1600°С. Энтузиасты заявляют, что, будь в нашем распоряжении много скандия и бериллия, именно из их интерметаллида делали бы космические корабли, двигатели, турбины электростанций и много чего еще.
Увы, при этом они упускают из виду, что интерметаллиды — вещества хотя и прочные, но, как правило, хрупкие, и ни один конструктор по доброй воле такой материал в ответственную конструкцию не поставит. Конечно, можно различными ухищрениями поднять пластичность материала, но, если это требуется делать в огромном интервале температур, от комнатной до белого каления, задача становится практически неразрешимой. А традиционным легким сплавам в самолетах на пятки наступают углепластики — материалы легчайшие и прочнейшие. Поэтому авиационно-космическое будущее сплавам со скандием отнюдь не гарантировано.
Как скандий связан со светом? Скандий присутствует в галогеновых лампах. Именно он обеспечивает им спектр излучения, сходный с солнечным. Считается, что светодиоды сегодня вытесняют такие лампы с рынка. А вот в лазерах скандий прочно занял свое место: его добавляют в состав иттрий-галиевых гранатов — основы современных твердотельных лазеров.
В частности, на иттрий-скандий-галлиевом гранате созданы медицинские лазеры. Например, ими пытаются лечить кариес и омолаживать кожу лица.
Первое направление раз за разом доказывает свою бесперспективность: стальной бур в сравнительных испытаниях всегда лучше вычищает больной зуб от пораженного материала, соответственно и прочность крепления пломбы при этом оказывается выше ( «Lasers in Medical Science» ). И стерилизовать зубы полностью не удается, хотя, если промыть каналы корня зуба гипохлоритом натрия NaOCl и осветить лазером мощностью в1 Вт, вредных грибков Candida albicans в них оказывается существенно меньше, чем при других видах дезинфекции ( «Photomedicine and Laser Surgery» ). Что же касается омоложения, ради которого «испаряют» лазером верхний слой кожи лица, то у гранатового лазера со скандием есть сильный конкурент — лазер на углекислом газе. Разница в том, что импульсный гранатовый лазер гораздо меньше нагревает кожу, нежели газовый.
Казалось бы, это должно дать ему преимущество. Однако многократные сравнения разных лазеров этого не подтверждают. Вот описание одного из опытов. У 28 пациенток лица разделили на четыре участка, и каждый из них обрабатывали случайно выбранным лазером.
Последующий анализ не показал статистически значимого различия ни в качестве омоложения, ни в самочувствии пациенток ( «Dermatologic Surgery» ). Стало быть, использование разных лазеров объясняется маркетинговыми причинами, а не медицинскими показаниями, делают вывод авторы работы.
Зачем нужен радиоактивный скандий и как его делают? Самым интересным радиоактивным изотопом оказался скандий-44 с периодом полураспада 3,97 часа, излучающий позитроны. Генератором этого скандия служит радиоактивный изотоп титан-44, с периодом полураспада 60 лет. Из такого генератора ежедневно извлекают порцию скандия для исследований.
А служит он для позитронно-эмиссионной томографии. Благодаря относительно большому времени жизни скандия-44, а также тому, что после излучения позитрона остается безвредный кальций-44, созданные на его основе препараты позволяют следить за длительными перемещениями лекарственных и других веществ в организме.
Чем скандий похож на красную ртуть? Три вещества: скандий, красная ртуть и изотопно-чистый осмий-187 прославились в конце перестройки тем, что все мало-мальски связанные с металлургией люди разыскивали их в надежде мгновенно разбогатеть. Соблазн был очень велик, ведь граммы этих металлов оценивались в сотни долларов.
Ажиотаж подогревался тем обстоятельством, что в советскую эпоху было принято заказывать некоторые элементы в избыточном количестве, например, чтобы выбрать в конце года выделенные на финансирование института фонды. В результате у многих в запасниках скопились всевозможные редкие и дорогие вещества — рений, индий, лантан, ниобий, гафний, тот же скандий.
Через некоторое время запасы списывали, металл же оставался в столе на всякий случай для будущих исследований. С развитием товарно-денежных отношений появилась возможность обратить эти запасы в наличные. Многие ли сумели этой возможностью воспользоваться — неизвестно, но сплетни о том, что есть спрос на дорогие металлы, распространились со скоростью степного пожара. Если красная ртуть — вещество скорее вымышленное, а осмий-187 — чрезвычайно специальное, то скандий — пусть редкий, но всем понятный легирующий элемент специальных сплавов.
Об операции «скандий—красная ртуть—осмий-187» есть несколько мнений. По одной, самой безобидной, западные партнеры таким образом искали поставщиков ценного сырья из-за железного занавеса. По другой — ее организовали спецслужбы для выявления каналов контрабанды и утечки гостайны.
Конспирологи утверждают: таким способом по фиктивным контрактам в СССР были завезены деньги для оплаты подрывных действий — фиктивно вывозить металл, два килограмма которого тянут на полмиллиона долларов, легче, чем вагоны с алюминием. Впрочем, это могло быть банальным разворовыванием советских запасов, например, в результате перепродажи металла по заниженной цене. Стоил же скандий и тогда, и сейчас очень дорого, в чем можно убедиться, пролистав упомянутый американский отчет: один грамм скандия, например, в форме дендритов (их получают, осаждая чистый металл из пара) стоил в 2011 году 199 долларов (примерно в четыре раза дороже золота), а в 2007-м — 208 долларов. Это не сильно отличается от 191 доллара — стоимости грамма тех же дендритов чистотой 99,99% в 1994 году.
Во всей этой истории совершенно непонятно, кому нужен скандий, если производство материалов на его основе невелико и все поставщики столь хорошо известны, что обращаться к черному рынку не имеет смысла. Есть мнение, что вся процедура связана с обманом банкиров. Дорогой металл — отличное средство залога, если же он тебе достался дешево, а то и бесплатно, то можно с легким сердцем взять под него кредит, переложив на банкиров головную боль, связанную с последующей продажей дорогого, но мало кому нужного вещества. Не исключено, что советский скандий до сих пор обращается в этой далекой от материаловедения сфере.
Скандий как бивни слона
Если представлять инопланетян подобными человеку, то напрашивается версия о посещении Земли с корыстными целями, например для добычи необходимых им материалов. Тогда в земной коре должна ощущаться нехватка некоторых элементов. Инертные газы и неметаллы вряд ли могли привлечь внимание инопланетной геологоразведки, а вот как насчет металлов?
На рисунке представлена зависимость их содержания в земной коре от порядкового номера в Периодической таблице (количества протонов). Зависимость хорошо укладывается в нормальное распределение, и только скандий значительно выпадает.
Источник: dzen.ru
Скандий
Области знаний: Общие вопросы химии Символ: Sc Атомный номер: 21 Группа элементов: Переходные металлы Относительная атомная масса: 44,955912 а. е. м. Радиус атома: 164 пм Электроотрицательность: 1,36 ед. по шкале Полинга Агрегатное состояние: Твёрдое Плотность при н. у.: 2,989 г/см³ Температура плавления: 1541 °C Температура кипения: 2840 °C
Химические элементы Химические элементы
Скандий
Ска́ндий (лат. Scandium, от лат. Scandia – Скандинавия ), Sc, химический элемент III группы короткой формы (3-й группы длинной формы) периодической системы , атомный номер 21, атомная масса 44,955912; относится к редкоземельным элементам (РЗЭ). В природе один стабильный изотоп 45 Sc; искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 36–44 и 46–60, наиболее долгоживущий 46 Sc ( период полураспада Т1/2 83,81 сут, β-распад ). Концентрация скандия в земной коре 2,5·10 –3 % по массе, в океанской воде 6·10 –7 мг/дм 3 . Известно более 100 минералов, содержащих скандий; собственные очень редкие минералы – тортвейтит (Sc,Y)2Si2O7 и неcколько других силикатов . Существование скандия предсказал Д. И. Менделеев в 1870 г.; элемент открыт шведским химиком Л. Ф. Нильсоном в 1879 г.; название произошло от лат. Scandia – Скандинавия.
Конфигурация внешних электронных оболочек атома скандия 3d 1 4s 2 ; устойчивая степень окисления +3, редко +2; энергии ионизации Sc 0 → Sc 1+ → Sc 2+ → Sc 3+ соответственно равны 6,5616, 12,80 и 24,76 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,36; атомный радиус 164 пм, ионный радиус Sc 3+ 89 пм ( координационное число 6) и 101 пм (координационное число 8). Скандий – серебристый мягкий металл , легко поддающийся механической обработке; существует в двух кристаллических модификациях – гексагональной (до 1336 °C) и объёмноцентрированной кубической; при комнатной температуре плотность 2989 кг/м 3 ; tпл 1541 °C, tкип 2840 °C; слабый парамагнетик .
По химическим свойствам близок к алюминию и РЗЭ, высокоактивен, на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида, при нагревании окисляется до Sc2O3, с Н2 образует гидрид ScHx (x⩽2), c N2 – нитрид ScN, c галогенами и галогеноводородами – тригалогениды. Легко взаимодействует с минеральными кислотами (кроме HF); со многими металлами образует сплавы и интерметаллиды .
Cкандий получают из отходов обогащения и переработки руд U, РЗЭ, Ti, W. Очищенный Sc2O3 фторируют , полученный ScF3 восстанавливают Ca, металлический скандий очищают перегонкой в вакууме. По оценкам, мировое производство скандия (металла и соединений) 2–8 т в год (2015).
Скандий применяют в основном для легирования сплавов на основе Al, используемых в авиастроении, ракетостроении и для деталей космических аппаратов. Дисперсные Al3Sc, Al3(Sc,Zr), введённые в Al (0,1–0,5 % Sc), улучшают структуру зёрен, повышают термическую устойчивость сплава и позволяют проводить его сварку. Из сплавов изготавливают спортивный инвентарь. Добавки ScI3 повышают эффективность мощных ртутных ламп.
Раков Эдуард Григорьевич . Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2015.
Источник: bigenc.ru
Скандий: что это?
Скандий (scandium (лат)) – это химический элемент 3 группы IV периода периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 21. Относится к редкоземельным металлам, по свойствам напоминает алюминий. В природе в чистом виде не встречается. Его получают как побочный продукт при добыче прочих полезных ископаемых.
Scandium называют элементом XXI века. Он применяется в металлургии, промышленности, медицине для диагностики и лечения раковых заболеваний.
Описание металла
Скандий – это редкий серебристый металл с желтым отливом. Именно он этот оттенок делает его узнаваемым и проявляется только при контакте чистового вещества с воздухом.
Металл не обладает магнитными свойствами, довольно хрупок. В природе существует только в виде одного изотопа с атомной массой Sc45. Все прочие получены искусственно и имеют срок полураспада до 83 дней.
История открытия
На момент составления и презентации Д.И. Менделеевым периодической системы этот элемент не был известен, получен и исследован. Но обнаруженные закономерности позволили ученому сделать предложение о существовании скандия. В статье от 11 декабря 1870 года Д.И. Менделеев предсказал его и назвал «Екабор».
Скандий был открыт и получен через 9 лет Ларсом Нильсоном. Элемент назван в честь Скандинавского полуострова (Scandia на латыни). Самые большие объемы скандия, который входит в состав минерала тортвейтита, обнаружены в Норвегии и на Мадагаскаре.
Физико-химические свойства
Scandium относится к переходным элементам и проявляет как металлические, так и неметаллические свойства. Его физические характеристики представлены в таблице.
Таблица1. Физические свойства Sc.
| Масса/радиус атома | 45а.е.м/ 162 пм |
| Электронная конфигурация последнего энергетического уровня | 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 |
| Валентность/степень окисления | III (+3) |
| Плотность | 2,99 г/см³ |
| Удельная теплота плавления | 15,8 кДж/моль |
| Температура плавления/кипения (градусов Цельсия) | 1 540,85 / 2 836,85 |
| Теплопроводность (Вт) | 15,8 |
| Период полураспада | Природный изотоп стабилен, полученные искусственным путем – от 43 до 83 суток в зависимости от массы атома. |
Scandium существует в 2 кристаллических решетках (в зависимости от его температуры) – гексагональной и кубической. Это мягкий металл, легко поддается обработке.
Химические свойства скандия
Валентность скандия – ІІІ, поэтому он имеет переходные свойства. Вещество легко вступает в химические реакции в присутствии кислорода воздуха.
Scandium реагирует с кислородом, фосфором и фтором при температуре красного каления с образованием оксида, фосфида и фторида. Вступает в реакцию с прочими галогенами (хлор, бром, йод) при 25 градусах Цельсия и нормальном атмосферном давлении. На воздухе быстро образует пленку из окислов.
Таблица 2. Химические свойства Sc.
| Взаимодействие 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 находится либо в виде катионов Sc 3+ (ведет себя как металл), либо в составе анионов [ScF4] — , [ScF5] 2- (кислотные остатки) аналогично алюминию. Участия в реакциях окисления-восстановления не принимает. Реагирует с концентрированными щелочами с образованием Sc (OH)3.
Как представлен в природе
В чистом виде scandium в природе не встречается. В 1 тонне полезных ископаемых содержится максимум 10 г этого металла. Он близок к лантаноидам и редкоземельным элементам, рассеян в рудах, содержащих вещества этих групп. ТОП-5 стран, занимающихся добычей Sc, смотрите в таблице.
Таблица 3. Добыча скандия в мире.
| РФ | 958 кг |
| Казахстан | 700 кг |
| Украина | 610 кг |
| США | 500 кг |
| Норвегия | 120 кг |
Основные минералы-носители этого редкоземельного элемента:
Незначительное количество редкоземельного металла находится в каменном угле. Но добывают его только при переработке угольного шлака.
Методы получения
Химически чистого scandium в природе не существует. Он является побочным продуктом (примесью) при добыче железа и редкоземельных элементов.
- 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 его восстановления из его солей (хлорида и фторида) при помощи металлического кальция, магния в инертной атмосфере в молибденовых тиглях.
Важная информация
Реакция идет при температуре в 850 градусов. На последнем этапе ее повышают до 1600 градусов. При этом происходит разделение шлака и скандия.
Далее происходит его плавка и возгонка в вакууме. Таким образом избавляются от летучих соединений. На выходе получают металл, который содержит 95% чистого скандия.
При переработке различных видов сырья для извлечения Sc преимущественно используют метод экстракции.
Технологическая схема получения 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 разработан способ получения металла при помощи восстановления его алюминием. Процесс начинается при температуре в 810 градусов, при нагреве до 930 градусов начинается его восстановление.
Области применения
Скандий называют металлом будущего. Его свойства широко применяются в различных отраслях народного хозяйства.
Металлургия
Scandium используется как легирующая добавка. Он повышает прочность на разрыв железных сплавов на 35%, а текучесть – до 84%. Добавка к хрому в количестве до 0,67% повышает его устойчивость к кислороду воздуха. Окисление хромовых сплавов начинается при температуре 1290 градусов. В этой области Scandium эффективней иттрия.
Оксид скандия, скандат иттрия применяется в производстве жаропрочной керамики. Такие приборы обладают высокой прочностью к термоударам. Кроме того, окислы скандия используются при производстве высокоточной оптики.
Главные отрасли по потреблению соединений элемента – это изготовление высокопрочных сплавов на основе алюминия, самолетостроение. Легирование увеличивает прочность и ковкость алюминия. Это помогает улучшить надежность приборов и систем, снижает стоимость перевозок.
Небольшое количество скандия применяется для легирования нихромов и фехрали. Это увеличивает срок эксплуатации нагревательных элементов, выполненных из сплавов на основе хрома и железа.
Полезная информация
Легирующие свойства соединений скандия используются для получения сверхтвердых сплавов и материалов. Некоторые из них занимают 4 место по твердости после алмаза.
Бериллид скандия – сверхпрочный материал с высокой температурой плавления, что позволяет применять его в аэрокосмической технике. По эксплуатационным свойствам он превосходит сплавы на основе титана, композитов на основе бора и углерода.
Оксид скандия применяется в производстве оборудования для разливки высоколегированных сталей. По степени устойчивости к потоку расплава он превышает все известные высокопрочные сплавы. Для снижения себестоимости стали чаще всего применяют скандат иттрия, армированный кристаллами окисла алюминия.
Микроэлектроника и источники света
Благодаря высокой температуре плавления, Sc2О3 используется при производстве электро-вычислительных машин. Соль йодоводородной кислоты добавляют в лампы, их спектр излучения становится максимально близким к солнечному свету.
Ядерная энергетика
Гидриды скандия используются в качестве замедлителя нейтронов, бустеров в генераторах. А диборит – для отражателя нейтральных частиц в ядерном оружии. Радиоактивный изотоп применяется в терапии раковых опухолей. А изотоп с атомной массой 47 единиц – лучший источник позитивно заряженных частиц.
Инновационные технологии
Соединения скандия и гольмия используются в фотопреобразователях солнечных батарей. Это прозрачный материал снижает светоотражение кремневой основы элементов панелей, что повышает их мощность на 140%.
Также металл применяется для производства рентгеновских зеркал, интерметаллических тугоплавких соединений.
Ювелирное дело и производства люминофоров
Оксиды скандия используются при производстве фианитов, которые имитируют драгоценные камни. А его бораты – это матрица для получения люминофоров, стекла и керамики.
Перспективы использования скандия
Промышленное использование скандия, соединений на его основе тормозит высокая себестоимость производства этого металла.
Перспективы использования элемента при условии снижения его цены:
- авиастроение – снижение себестоимости перевозок, увеличения срока эксплуатации самолетов;
- автомобилестроение – его свойства способствуют увеличению ресурса двигателя, повышению его КПД;
- транспортировка электроэнергии – легирование повышает электропроводность проводов ЛЭП;
- производство управляемых снарядов;
- в робототехнике, конструировании скелетов киборгов;
- легирующие свойства используются в производстве высокопрочных марагеновых сталей, которые применяются в атомной энергетике;
- изготовление электродов МГД-генераторов;
- сплавы с легирующими добавками применяются в аэрокосмической промышленности.
Цена
Себестоимость добычи и производства скандия, его соединений очень высокая. Его цена зависит от степени чистоты продукта и составляет от 450000 до 900 000 рублей/1 кг. А стоимость оксида Sc составляет 5 долларов за 1 г.
В XXI веке прогнозируется быстрый рост производства и увеличение спроса на редкоземельный металл.
Владислав Суркин
В моём личном блоге я познакомлю вас с особенностями разных драгоценных камней, влиянием зодиакальных камней в отношении каждого знака зодиака, а также целебными свойствами некоторых из них.
Источник: 1kamni.ru