Скандий

Скандий / Scandium (Sc)
Атомный номер 21
Внешний вид умеренно мягкий, серебристо-белый металл
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
44,95591 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 162 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
630,8 (6,54) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Ar] 3d1 4s2
Химические свойства
Ковалентный радиус 144 пм
Радиус иона (+3e) 72,3 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,36
Электродный потенциал 0
Степени окисления 3
Термодинамические свойства
Плотность 2,99 г/см³
Удельная теплоёмкость 0,556 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 15,8 Вт/(м·K)
Температура плавления 1 814 K
Теплота плавления 15,8 кДж/моль
Температура кипения 3 104 K
Теплота испарения 332,7 кДж/моль
Молярный объём 15,0 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки гексагональная
Период решётки 3,310 Å
Отношение c/a 1,594
Температура Дебая n/a K

Содержание

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.

Получение

Наиболее богатый скандием минерал — тортвейтит — один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за 40 с лишним лет, с 1911 но 1952 гг., на норвежских рудниках было добыто всего 23 кг тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности добыча тортвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла 50 кг. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы — стерреттит, кольбекит, больцит.

Зато в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чехословацкими учёными.

Первая стадия — обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твёрдый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем её высушивают и прокаливают в газовой печи при 600—700 °C. В результате получают светло-розовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твёрдой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь окиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо — методом эфирной экстракции.

Затем следует ещё серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.

Очищенную окись скандия ещё раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при 1100 °C и превращают в окись.

Получение металлического скандия из окисла — не менее трудоёмкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая её фтористым водородом или бифторидом аммония NH4F • HF. Чтобы переход Sc2O3 в ScF3 был полным, реакцию проводят дважды.

Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при 850 °C и идёт в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600 °C. Полученный металлический скандии и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем — от 3 до 5 % тантала.

Последняя стадия очистки — вакуумная дистилляция. Температура 1650—1750 °C, давление 10—5 мм рт. ст. После окончания операции в слитке будет около 95 % скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99 % — ещё более сложный многоступенчатый процесс.

Несмотря на это, учёные идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последнее время важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд. Следует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей и проблему разработки технологии извлечения скандия при переработке углей на искуственное жидкое топливо.

Мировые ресурсы скандия

При развитии технологии скандия стоит учесть что важнейшим вопросом его технологии является полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объем добычи будет возрастать. Основные руды-носители и объем попутного скандия:

  • Бокситы — 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн,
  • Урановые руды — 50 млн тонн в год, попутный скандий 50—500 тонн в год,
  • Ильмениты — 2 млн тонн в год, попутный скандий 20—40 тонн в год,
  • Вольфрамиты — попутный скандий около 30—70 тонн в год,
  • Касситериты — 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20—25 тонн в год,
  • Цирконы — 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5—12 тонн в год.

Итого налицо ресурсы которые по большей части совершенно не используются(!) и при том ресурсы большие. В этой же связи стоит указать на каменноугольный скандий, и как первый шаг его добычи — переработка доменных чугунолитейных шлаков начавшаяся 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 объемы скандия/оксида скандия в США, Японии, Франции, это в большей степени вторичный металл и металл закупленный на мировом рынке. В определенной степени в ближайшие годы ожидается значительный объем поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии. Следует отметить так же что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это так же перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.

Цены

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. К сожалению, очень высокие цены на скандий будут сохраняться довольно долго(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). Их снижение (порядка уровня цен на чистый бериллий) произойдёт по мере насыщения промышленности и разработки технологий утилизации скандия уже в середине и во второй половине XXI столетия.

Применение

Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.

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.

Производство ферритов

Оксид скандия (температура плавления 2450°C) имеет важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ (ферриты с малой индукцией).

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.

Сплавы скандия

Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в аэрокосмической промышленности, 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 надежность 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 обсоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированые гафнием. Важной и практически не изученой 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 от части иттрия и лютеция) выявилась в произведстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали почность свыше 700 кг/мм (свыше 7000 Мпа)!

Сверхтвердые 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).

Ядерная энергетика

В атомной промышленности с успехом применяется гидрид- и дейтерид скандия — прекрасный замедлитель нейтронов в 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.

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.

Скандий-галлиевая связка является одним из лучших металлических клеев и специальных покрытий.

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 армированых 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.

См. также

Соединения скандия

Ссылки

Литература

  • Коган. Б. И., Названова. В. А. Скандий.М.,Изд-во АН УССР, 1963. 304 с. с илл.


Периодическая система элементов
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home