Скандий является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 21 и условным обозначением Sc. Скандий представляет собой мягкий серебристо-белый редкоземельный металл, который является первым из группы переходных металлов.
Открытие
Дмитрий Иванович Менделеев предположил существование нового элемента, который он назвал «экабор» с атомной массой от 40 до 48 еще в 1869 году. Шведский химик Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили данный элемент в минералах эвксените и гадолините в 1879 году. Группе ученых удалось получить 2 грамма оксида скандия высокой чистоты, и они приняли решение назвать его Скандий в честь Скандинавии.
Металлический скандий был впервые получен в 1937 году методом электролиза эвтектической смеси хлоридов калия, лития и скандия при температуре 700 – 800 °С . Первый фунт металлического скандия с чистотой 99% был произведен только в 1960 году. Производство алюминиевых сплавов началось в 1971 году по патенту США. В СССР также разрабатывались алюминиево-скандиевые сплавы, которые продолжают производиться и использоваться до нынешних времен.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1541 ° С |
| Точка кипения | 2730°С |
| Плотность при Н.У. | 2,985 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 2.5 |
| Критическая точка | – |
| Мол. теплота плавления | 1,8 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 332,7 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,51 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 15,0 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 21 |
| Атомная масса | 44,95 |
| Электронная конфигурация | 3d¹4s² |
| Радиус атома | 162 пм |
| Ковалентный радиус | 144 пм |
| Степени окисления | 0, +3 |
| Радиус иона | 72,3 пм |
| Электроотрицательность | 1,36 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 630,8 кДж/моль |
| Изотопы | ⁴⁴Sc; ⁴⁵Sc; ⁴⁶Sc; ⁴⁷Sc; ⁴⁸Sc; |
Интересное:
Добыча и производство
Ежегодное мировое производство оксида скандия оценивается экспертами всего в 40 тонн, а металлического скандия около 400 килограммов. Основным сырьем для производства этого металла является достаточно редкий минерал тортвейтит. По состоянию на 2003 год производсво скандия было организовано только в трех местах на планете в числе которых урановый рудник на Украине, редкоземельные рудники Баян-Обо в Китае и апатитовые рудники на Кольском полуострове в Российской Федерации.
Чистый химический элемент получают путем преобразования оксида скандия во фторид, а после восстанавливают его металлическим кальцием с формулой химической реакции:
Sc2 O3 + 6HF → 2ScF3 + 3H2O
2ScF3 + 3Ca → 3CaF2 + 2Sc
Кроме тортвейтита, относительно большим содержанием скандия отмечается минерал колбекит, но в крупных месторождениях он не встречается.
Интересное:
Применение
Применение такого химического элемента как скандий достаточно ограничено из-за его редкости. Его применения затрагивают металлургию, производство микроэлектроники, источников света и лазеров, а так же в медицине и энергетике, но стоит отметить узкую направленность.
В металлургии скандий применяется в качестве микролегириующей смеси. Добавление 0,4 % скандия к сплавам алюминий-магний повышает временное сопротивление разрыву 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 значительно эффективнее иттрия. Кроме всего вышеперечисленного, одним из главных современных применений скандия является производство суперсплавов. В пример можно привести сплав Al20Li20Mg10Sc20Ti30 , который по прочности аналогичен титану. Он такой же легкий, как алюминий, и твердый, как некоторые виды керамики.
Другими важными применениями скандия является производство микроэлектроники, а в частности производства суперкомпьютеров. Ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз из-за снижения остаточной индукции. При производстве осветительных приборов иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкие к солнечному. Они обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру и используются преимущественно на съемочных площадках и спортивных стадионах.
Другими известными применениями является производство высококачественных зубных протезов (медицина). Радиоактивный изотоп ⁴⁶Sc используется на нефтеперерабатывающих заводах в качестве индикатора. Трифлат скандия представляет собой каталитическую кислоту Льюиса, используемую в органической химии.
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.
Интересное:
Безопасность
Элементарный металлический скандий считается нетоксичным веществом, но глобальные испытания соединений скандия на животных не проводились. Средняя летальная доза (LD 50 ) хлорида скандия для крыс была определена как 755 мг/кг при внутрибрюшинном введении и 4 г/кг при пероральном введении. В свете этих результатов с соединениями скандия следует обращаться как с соединениями умеренной токсичности. Организм обращается со скандием аналогично галлию, с такими же опасностями, связанными с его плохо растворимым гидроксидом .