Sкандий, със символ на елемента Sc и атомен номер 21, е лесно разтворим във вода, може да взаимодейства с гореща вода и лесно потъмнява на въздух. Основната му валентност е +3. Често се смесва с гадолиний, ербий и други елементи, с нисък добив и съдържание от приблизително 0,0005% в земната кора. Скандият често се използва за направата на специално стъкло и леки високотемпературни сплави.
В момента доказаните запаси от скандий в света са само 2 милиона тона, като 90~95% от тях се съдържат в бокситови, фосфоритови и железни титаниеви руди, а малка част - в уранови, торийови, волфрамови и редкоземни руди, разпространени главно в Русия, Китай, Таджикистан, Мадагаскар, Норвегия и други страни. Китай е много богат на скандиеви ресурси, с огромни минерални запаси, свързани със скандий. Според непълна статистика, запасите от скандий в Китай са около 600 000 тона, които се съдържат в находища на боксит и фосфорит, порфирови и кварцово-жилни волфрамови находища в Южен Китай, находища на редкоземни метали в Южен Китай, находища на редкоземни железни руди Баян Обо във Вътрешна Монголия и находища на ванадиево-титаниево-магнетитови руди Панджихуа в Съчуан.
Поради недостига на скандий, цената му също е много висока и в пика си цената му се е увеличила до 10 пъти по-висока от цената на златото. Въпреки че цената на скандия е паднала, тя все още е четири пъти по-висока от цената на златото!
Откриване на историята
През 1869 г. Менделеев забелязва разлика в атомната маса между калций (40) и титан (48) и предсказва, че тук има и неоткрит междинен елемент с атомна маса. Той предсказва, че неговият оксид е X ₂ O Å. Скандий е открит през 1879 г. от Ларс Фредерик Нилсон от университета в Упсала в Швеция. Той го извлича от мината за черно рядко злато, сложна руда, която съдържа 8 вида метални оксиди. Той е извличалЕрбиев(III) оксидот черна рядка златна руда и полученаИтербиев(III) оксидот този оксид, а има и друг оксид на по-лек елемент, чийто спектър показва, че е неизвестен метал. Това е металът, предсказан от Менделеев, чийто оксид еSc₂O₃Самият метал скандий е произведен отСкандиев хлоридчрез електролитно топене през 1937 г.
Менделеев
Електронна конфигурация
Електронна конфигурация: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Скандият е мек, сребристобял преходен метал с точка на топене 1541 ℃ и точка на кипене 2831 ℃.
В продължение на значителен период от време след откриването му, използването на скандий не е било демонстрирано поради трудността му при производство. С нарастващото усъвършенстване на методите за разделяне на редкоземни елементи, сега съществува зрял технологичен процес за пречистване на скандиеви съединения. Тъй като скандият е по-малко алкален от итрия и лантанида, хидроксидът е най-слабият, така че смесеният минерал от редкоземни елементи, съдържащ скандий, ще бъде отделен от редкоземния елемент чрез метода на „стъпково утаяване“, когато скандиевият(III) хидроксид се третира с амоняк след прехвърляне в разтвор. Другият метод е отделянето на скандиев нитрат чрез полярно разлагане на нитрата. Тъй като скандиевият нитрат е най-лесният за разлагане, скандият може да бъде отделен. Освен това, цялостното извличане на съпътстващия скандий от уранови, торийови, волфрамови, калайни и други минерални находища също е важен източник на скандий.
След получаване на чисто скандиево съединение, то се превръща в ScCl Å и се стопява съвместно с KCl и LiCl. Разтопеният цинк се използва като катод за електролиза, което води до утаяване на скандий върху цинковия електрод. След това цинкът се изпарява, за да се получи метален скандий. Това е лек сребристо-бял метал с много активни химични свойства, който може да реагира с гореща вода, за да генерира водороден газ. Така че металният скандий, който виждате на снимката, е запечатан в бутилка и защитен с аргонов газ, в противен случай скандият бързо ще образува тъмножълт или сив оксиден слой, губейки блестящия си метален блясък.
Приложения
Осветителна индустрия
Употребата на скандия е концентрирана в много ярки посоки и не е преувеличено да го наречем Син на светлината. Първото магическо оръжие на скандия се нарича скандиево-натриева лампа, която може да се използва за осветяване на хиляди домакинства. Това е метал-халогенна електрическа лампа: крушката е пълна с натриев йодид и скандиев трийодид, като едновременно се добавят скандиево и натриево фолио. По време на високоволтов разряд, скандиевите йони и натриевите йони съответно излъчват светлина с характерните си дължини на вълната на излъчване. Спектралните линии на натрия са 589,0 и 589,6 nm, две известни жълти светлини, докато спектралните линии на скандия са 361,3~424,7 nm, серия от излъчване на близка ултравиолетова и синя светлина. Тъй като те се допълват взаимно, общият произведен цвят на светлината е бяла светлина. Именно защото скандиево-натриевите лампи се характеризират с висока светлинна ефективност, добър цвят на светлината, енергоспестяване, дълъг експлоатационен живот и силна способност за разпръскване на мъгла, те могат да бъдат широко използвани за телевизионни камери, площади, спортни съоръжения и пътно осветление и са известни като източници на светлина от трето поколение. В Китай този тип лампи постепенно се популяризират като нова технология, докато в някои развити страни този тип лампи са широко използвани още в началото на 80-те години на миналия век.
Второто магическо оръжие на скандия са слънчевите фотоволтаични клетки, които могат да събират светлината, разсеяна по земята, и да я превръщат в електричество, за да захранват човешкото общество. Скандият е най-добрият бариерен метал в металните изолатори, полупроводниковите силициеви слънчеви клетки и слънчевите клетки.
Третото му магическо оръжие се нарича γ A лъчев източник. Това магическо оръжие може да свети ярко само по себе си, но този вид светлина не може да се възприеме с просто око, това е поток от високоенергийни фотони. Обикновено извличаме 45Sc от минерали, което е единственият естествен изотоп на скандий. Всяко ядро на 45Sc съдържа 21 протона и 24 неутрона. 46Sc, изкуствен радиоактивен изотоп, може да се използва като източник на γ лъчение или като трасерни атоми, които могат да се използват и за лъчетерапия на злокачествени тумори. Има и приложения като итриево-галиево-скандиево-гранатов лазер.Скандиев флуоридСтъклено инфрачервено оптично влакно и катодно-лъчева тръба със скандиево покритие в телевизията. Изглежда, че скандият се ражда с яркост.
Сплавна промишленост
Скандият в елементарната си форма се използва широко за легиране на алуминиеви сплави. С добавянето на няколко хилядни от скандия към алуминия се образува нова фаза Al3Sc, която играе метаморфозна роля в алуминиевата сплав и променя значително структурата и свойствата на сплавта. Добавянето на 0,2%~0,4% Sc (което е наистина подобно на съотношението на добавяне на сол към пържени зеленчуци у дома, необходимо е само малко количество) може да повиши температурата на рекристализация на сплавта със 150-200 ℃ и значително да подобри якостта при високи температури, структурната стабилност, заваръчните характеристики и устойчивостта на корозия. Също така може да се избегне феноменът на крехкост, който лесно се появява при продължителна работа при високи температури. Високоякостните и високожилни алуминиеви сплави, новите високоякостни, устойчиви на корозия заваряеми алуминиеви сплави, новите високотемпературни алуминиеви сплави, високоякостните, устойчиви на неутронно облъчване алуминиеви сплави и др. имат много атрактивни перспективи за развитие в аерокосмическата индустрия, авиацията, корабите, ядрените реактори, леките превозни средства и високоскоростните влакове.
Скандият е отличен модификатор за желязо, а малко количество скандий може значително да подобри якостта и твърдостта на чугуна. Освен това, скандият може да се използва и като добавка за високотемпературни волфрамови и хромови сплави. Разбира се, освен за направата на сватбени дрехи за други, скандият има висока точка на топене и плътността му е подобна на тази на алуминия, и се използва и в леки сплави с висока точка на топене, като например скандиево-титаниева сплав и скандиево-магнезиева сплав. Поради високата си цена обаче, той обикновено се използва само във висок клас производствени индустрии, като космически совалки и ракети.
Керамичен материал
Скандият, едно вещество, обикновено се използва в сплави, а неговите оксиди играят важна роля в керамичните материали по подобен начин. Тетрагоналният циркониев керамичен материал, който може да се използва като електроден материал за твърдооксидни горивни клетки, има уникално свойство, при което проводимостта на този електролит се увеличава с повишаване на температурата и концентрацията на кислород в околната среда. Кристалната структура на този керамичен материал обаче не може да съществува стабилно и няма промишлена стойност; необходимо е добавяне на някои вещества, които могат да фиксират тази структура, за да се запазят първоначалните ѝ свойства. Добавянето на 6~10% скандиев оксид е подобно на бетонна структура, така че цирконият може да се стабилизира върху квадратна решетка.
Съществуват и инженерни керамични материали, като например високоякостен и устойчив на висока температура силициев нитрид, като уплътнители и стабилизатори.
Като уплътнител,Скандиев оксидМоже да образува огнеупорна фаза Sc2Si2O7 на ръба на фините частици, като по този начин намалява високотемпературната деформация на инженерната керамика. В сравнение с други оксиди, той може по-добре да подобри високотемпературните механични свойства на силициевия нитрид.
Каталитична химия
В химическото инженерство скандият често се използва като катализатор, докато Sc2O3 може да се използва за дехидратация и деоксидация на етанол или изопропанол, разлагане на оцетна киселина и производство на етилен от CO и H2. Pt-Al катализаторът, съдържащ Sc2O3, е също важен катализатор за пречистване и рафиниране на тежки масла чрез хидрогениране в нефтохимическата промишленост. При каталитични крекинг реакции като кумол, активността на Sc-Y зеолитовия катализатор е 1000 пъти по-висока от тази на алуминиево-силикатния катализатор; в сравнение с някои традиционни катализатори, перспективите за развитие на скандиевите катализатори ще бъдат много добри.
Ядрена енергетика
Добавянето на малко количество Sc2O3 към UO2 във високотемпературно ядрено гориво за реактори може да предотврати трансформация на решетката, увеличаване на обема и напукване, причинени от превръщането на UO2 в U3O8.
Горивна клетка
По подобен начин, добавянето на 2,5% до 25% скандий към никел-алкални батерии ще увеличи експлоатационния им живот.
Селскостопанско развъждане
В селското стопанство, семена като царевица, цвекло, грах, пшеница и слънчоглед могат да бъдат третирани със скандиев сулфат (концентрацията обикновено е 10⁻³~10⁻⁶mol/L, различните растения ще имат различна концентрация) и е постигнат действителният ефект от насърчаване на покълването. След 8 часа сухото тегло на корените и пъпките се е увеличило съответно с 37% и 78% в сравнение с разсада, но механизмът все още е в процес на проучване.
От вниманието на Нилсен към дълга на данните за атомната маса до днес, скандият е влязъл в полезрението на хората само от сто или двадесет години, но почти е стоял на пейката в продължение на сто години. Едва бурното развитие на материалознанието в края на миналия век му вдъхва жизненост. Днес редкоземните елементи, включително скандият, са се превърнали в горещи звезди в материалознанието, играейки постоянно променящи се роли в хиляди системи, носейки все повече удобство в живота ни всеки ден и създавайки икономическа стойност, която е още по-трудна за измерване.
Време на публикуване: 29 юни 2023 г.