Sкандий, със символ на елемент Sc и атомен номер 21, е лесно разтворим във вода, може да взаимодейства с гореща вода и лесно потъмнява във въздуха. Основната му валентност е +3. Често се смесва с гадолиний, ербий и други елементи, с нисък добив и съдържание от приблизително 0,0005% в кората. Скандият често се използва за производството на специално стъкло и леки високотемпературни сплави.
Понастоящем доказаните запаси от скандий в света са само 2 милиона тона, 90~95% от които се съдържат в боксит, фосфорит и железни титанови руди и малка част в уран, торий, волфрам и редкоземни руди, главно разпространен в Русия, Китай, Таджикистан, Мадагаскар, Норвегия и други страни. Китай е много богат на ресурси от скандий, с огромни запаси от минерали, свързани със скандий. Според непълни статистики запасите от скандий в Китай са около 600 000 тона, които се съдържат в находища на боксит и фосфорит, порфирови и кварцови жилищни волфрамови находища в Южен Китай, находища на редкоземни метали в Южен Китай, находище на рядкоземна желязна руда Баян Обо в Вътрешна Монголия и находище на ванадиев титанов магнетит Panzhihua в Съчуан.
Поради недостига на скандий, цената на скандия също е много висока и в пика си цената на скандия беше надута до 10 пъти цената на златото. Въпреки че цената на скандия е паднала, тя все още е четири пъти по-висока от цената на златото!
Откриване на история
През 1869 г. Менделеев забелязва празнина в атомната маса между калция (40) и титана (48) и предсказва, че тук има и неоткрит елемент с междинна атомна маса. Той прогнозира, че неговият оксид е X ₂ O Å. Скандият е открит през 1879 г. от Ларс Фредерик Нилсън 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 извлякълЕрбиев(III) оксидот черна рядка златна руда и полученаИтербиев(III) оксидот този оксид и има друг оксид на по-лек елемент, чийто спектър показва, че е неизвестен метал. Това е металът, предсказан от Менделеев, чийто оксид еSc2O3. Самият 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 ℃.
За значителен период от време след откриването му употребата на скандий не е демонстрирана поради трудностите при производството му. С нарастващото подобрение на методите за разделяне на редкоземни елементи, сега има зрял поток от процеси 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 метод на „етапно утаяване“, когато скандиевият (III) хидроксид се третира с амоняк след това се прехвърлят в разтвор. Другият метод е да се отдели скандиев нитрат чрез полярно разлагане на нитрата. Тъй като скандиевият нитрат е най-лесният за разлагане, скандият може да бъде отделен. В допълнение, цялостното възстановяване на съпътстващия скандий от уран, торий, волфрам, калай 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 скандия 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 газ аргон, в противен случай скандият бързо ще образува тъмно жълт или сив оксиден слой, губейки блестящия си метален блясък.
Приложения
Осветителна индустрия
Използването на скандий е концентрирано в много ярки посоки и не е преувеличено да го наречем Синът на светлината. Първото магическо оръжие на скандия се нарича скандиево-натриева лампа, която може да се използва за осветяване на хиляди домакинства. Това е метална халогенна електрическа лампа: крушката е пълна с натриев йодид и скандиев трийодид, като скандий и натриево фолио се добавят едновременно. По време на високоволтов разряд, скандиевите йони и натриевите йони съответно излъчват светлина с техните характерни емисионни дължини на вълната. 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 почти ултравиолетови и сини светлинни емисии. Тъй като те взаимно се допълват, общият произведен светлинен цвят е бяла светлина. Именно защото скандиево-натриевите лампи имат характеристиките на висока светлинна ефективност, добър цвят на светлината, пестене на енергия, дълъг експлоатационен живот и силна способност за разбиване на мъгла, те могат да бъдат широко използвани за телевизионни камери, площади, спортни обекти и пътно осветление, и са известни като светлинни източници 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.
Второто магическо оръжие на скандия са слънчевите фотоволтаични клетки, които могат да събират светлината, разпръсната по земята, и да я превръщат в електричество, което да задвижи човешкото общество. Скандият е най-добрият бариерен метал в металните изолационни полупроводникови силициеви слънчеви клетки и слънчеви клетки.
Третото му магическо оръжие се нарича γ A източник на лъчи, това магическо оръжие може да свети ярко само по себе си, но този вид светлина не може да бъде получена с просто око, това е високоенергиен фотонен поток. Обикновено извличаме 45Sc от минерали, които са единствените естествени изотопи на скандия. Всяко ядро 45Sc съдържа 21 протона и 24 неутрона. 46Sc, изкуствен радиоактивен изотоп, може да се използва като източници на γ радиация или маркерни атоми също могат да се използват за лъчетерапия на злокачествени тумори. Има и приложения като итриев галиев скандиев гранатов лазер,Скандиев флуоридстъклени инфрачервени оптични влакна и електронно-лъчеви тръби с покритие от скандий на телевизията. Изглежда, че скандият се ражда с яркост.
Производство на сплави
Скандият в неговата елементарна форма се използва широко за легиране на алуминиеви сплави. Докато няколко хилядни от скандия се добавят към алуминия, ще се образува нова фаза Al3Sc, която ще играе ролята на метаморфизъм в алуминиевата сплав и ще промени структурата и свойствата на сплавта значително. Добавянето на 0,2% ~ 0,4% Sc (което наистина е подобно на съотношението на добавяне на сол за разбъркване на пържени зеленчуци у дома, необходимо е само малко) може да повиши температурата на прекристализация на сплавта със 150-200 ℃ и значително да подобри високата -температурна якост, структурна стабилност, заваряване и устойчивост на корозия. Може също така да избегне феномена на крехкост, който лесно възниква при продължителна работа при високи температури. Алуминиева сплав с висока якост и висока якост, нова устойчива на корозия алуминиева сплав с висока якост, заваряема алуминиева сплав, нова високотемпературна алуминиева сплав, устойчива на неутронно облъчване алуминиева сплав с висока якост и др., имат много атрактивни перспективи за развитие в космическото пространство, авиацията, корабите, ядрени реактори, леки превозни средства и високоскоростни влакове.
Скандият също е отличен модификатор за желязо и малко количество скандий може значително да подобри здравината и твърдостта на чугуна. Освен това скандият може да се използва и като добавка за високотемпературни волфрамови и хромови сплави. Разбира се, в допълнение към направата на сватбени дрехи за други, скандият има висока точка на топене и плътността му е подобна на алуминия и се използва също в леки сплави с висока точка на топене, като скандиево-титанова сплав и скандиево-магнезиева сплав. Въпреки това, поради високата си цена, той обикновено се използва само в производствени индустрии от висок клас като космически совалки и ракети.
Керамичен материал
Скандият, едно вещество, обикновено се използва в сплави и неговите оксиди играят важна роля в керамичните материали по подобен начин. Тетрагоналният циркониев керамичен материал, който може да се използва като електроден материал за твърди оксидни горивни клетки, има уникално свойство, при което проводимостта на този електролит се увеличава с повишаване на температурата и концентрацията на кислород в околната среда. Но самата кристална структура на този керамичен материал не може да съществува стабилно и няма промишлена стойност; Необходимо е да се добавят някои вещества, които могат да фиксират тази структура, за да се запазят нейните първоначални свойства. Добавянето на 6~10% скандиев оксид е като бетонна структура, така че цирконийът може да бъде стабилизиран върху квадратна решетка.
Има и инженерни керамични материали като силициев нитрид с висока якост и устойчивост на висока температура 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 дехидратиране и дезоксидиране на етанол или изопропанол, разлагане на оцетна киселина и производство на етилен от CO и H2. Катализаторът Pt Al, съдържащ Sc2O3, също е важен катализатор за пречистване на хидрогениране на тежки масла и процеси на рафиниране в нефтохимическата промишленост. При реакции на каталитичен крекинг като кумол, активността на Sc-Y зеолитен катализатор е 1000 пъти по-висока от тази на алуминиев силикатен катализатор; В сравнение с някои традиционни катализатори, перспективите за развитие на скандиевите катализатори ще бъдат много ярки.
Ядрена енергетика
Добавянето на малко количество Sc2O3 към UO2 в ядреното гориво на високотемпературен реактор може да избегне трансформацията на решетката, увеличаването на обема и напукването, причинено от превръщането на UO2 в U3O8.
Горивна клетка
По същия начин, добавянето на 2,5% до 25% скандий към никелови алкални батерии ще увеличи техния експлоатационен живот.
Селскостопанско развъждане
В селското стопанство семена като царевица, цвекло, грах, пшеница и слънчоглед могат да бъдат третирани със скандиев сулфат (концентрацията обикновено е 10-3~10-8mol/L, различните растения ще имат различен) и действителният ефект от насърчаване на покълването е постигнато. 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 навлязъл в зрението на хората само от сто или двадесет години, но почти е стоял на пейката в продължение на сто години. Едва бурното развитие на материалната наука в края на миналия век му донесе жизненост. Днес редкоземните елементи, включително скандий, са се превърнали в горещи звезди в науката за материалите, играейки непрекъснато променящи се роли в хиляди системи, внасяйки 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