СКАНДИЙ

Скандий химический элемент

СКАНДИЙ

Этот серебристый металл почти так же легок, как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в 60 раз больше, чем серебра, но стоит он намного дороже золота.

До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов периодической системы. Ныне с его помощью решена одна из важных проблем вычислительной техники.

Экабор Менделеева

1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев разослал в научные учреждения России и других стран первое изображение «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это был отдельный листок, мало похожий на известную теперь всему миру менделеевскую таблицу. Таблица появилась двумя годами позже.

В 1871 г. ее клетки, предназначенные для 21, 31 и 32-го элементов, занимали вопросительные знаки. Но рядом с ними, как и в других клетках, стояли цифры атомных весов.

Элемент № 21 Менделеев предложил предварительно назвать экабором, «производя это название от того, что он следует за бором, а слог эка производится от санскритского слова, означающего один».

Два других получили названия экасилиция и экаалюминия. В том же 1871 г. в статье, опубликованной в журнале Русского химического общества, Менделеев подробно описал свойства всех трех «эков».

(Статья дана в приложении к этому тому, поэтому здесь цитируем ее предельно кратко.)

«Экабор, — писал он, — в отдельности должен представлять металл… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа.

Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел.

Он будет, конечно, растворяться в кислотах.»

Открытие экабора произошло еще при жизпи Д. И. Менделеева, в 1879 г. Шведский химик Ларс Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора. В честь Скандинавии Нильсон назвал этот элемент скандием.

Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделить этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей. Сравнительно чистый металлический скандий (94-98%) был получен лишь в 1937 г.

Скандий не так редок, как рассеян..

Почти полвека потратили ученые на выделение элемента № 21. Почему это произошло? скандия в земной коре составляет 2,240-3%. Это значит, что в земле его немного меньше, чем свинца, но почти в 500 раз больше, чем ртути.

Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандии распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым.

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 по 1952 г.

, 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 чешскими учеными.

Первая стадия — обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твердый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем ее высушивают и прокаливают в газовой печи при 600-700°С.

В результате получают светлорозовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твердой 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 еще серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.

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

Получение металлического скандия из окисла — не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее 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°С и идет в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600°С. Полученный металлический скандий и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. примесь в нем — от 3 до 5% тантала.

Последняя стадия очистки — вакуумная дистилляция. Температура 1650-1750°С, давление 10-5 мм ртутного столба. После окончания операции в слитке будет около 95% скандия.

Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99% — еще более сложный многоступенчатый процесс.

Несмотря на это, ученые 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.

О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в 40-х годах прошлого века всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.

Блеск и нищета элемента № 21 Чем же ценен скандий?

Прежде всего он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°С. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539°С.

Плотность стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5-7,9 г/см3, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°С, на 9° ниже, чем скандий). Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента № 21.

Кроме того, он    обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью.

Благодаря этим свойствам скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость.

Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титаноалюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в алюминий увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав…

Искали применения скандию и в ядерной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры цены сводили на нет достоинства элемента № 21. Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным.

У этого невзрачного, очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но с середины 60-х гг. окись скандия используют в составе ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин некоторых типов.

Получают окись скандия при комплексной переработке бокситов, оловянных, урановых, вольфрамовых и титановых руд. Сам же скандий (и сплавы на его основе) по-прежнему остается металлом будущего: хорош, конечно, но слишком дорог.

Впрочем, специалисты не исключают, что этому металлу в будущем удастся пройти тот же путь, который во второй половине XX в. прошел его сосед по менделеевской таблице — титан.

Интересное о скандии

  • Менделеев предсказал в 1870-1871 гг. Экабор
  • Атомный вес 44. Молекула окиси состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода.
  • Удельный вес оклей 3,5.
  • Окись нерастворима в щелочах.
  • Соли бесцветны.
  • Углекислый экабор нерастворим в воде.
  • Кристаллы двойной сернокислой соли экабора и калия по форме непохожи на квасцы.
  • Едва ли может быть открыт спектральным анализом.
  • Нильсон обнаружил в 1879 г. Скандий
  • Атомный вес 44,1.
  • Молекула окиси состоит из двух атомов скандия и трех атомов кислорода.
  • Удельный вес окиси 3,86.
  • Окись нерастворима в щелочах. Соли бесцветны. Углекислый скандий нерастворим в воде.
  • Кристаллы двойной сернокислой соли скандия и калия по форме непохожи на квасцы.
  • Не был открыт спектральным анализом.

УТВЕРДИТЕЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА.

«Утвердителями», «укрепителями» периодической системы элементов называл Менделеев ученых, которые своими открытиями подтвердили прогнозы, сделанные им на основе периодического закона.

В первую очередь эти «титулы» заслужили трое ученых, обнаруживших в минералах предсказанные Менделеевым элементы: экаалюминий, экабор, экасилиций.

Первым из «утвердителей» был, как известно, французский химик Лекок де Буабодран — в 1875 г. он нашел в цинковой обманке экаалюминий — галлий.

Нильсон был вторым. Четыре года спустя после открытия Буабодрана ему посчастливилось обнаружить в минерале ауксените предсказанный Менделеевым экабор. А еще через семь лет немецкий ученый Клеменс Винклер впервые получил экасилиций — германий.

Швед Ларе Фредерик Нильсон, уроженец сурового острова Готланд, был разносторонне образованным ученым — в Упсальском университете он изучал химию, геологию, биологию.

Кроме первоклассного образования и природной одаренности, его успехам в науке способствовали еще два крайне важных обстоятельства — работа в молодости под руководством замечательного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса и открытие Менделеевым периодического закона, вооружившее ученых всего мира картой химического континента.

Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента № 21 — скандия, было установление в 1884 г. правильного атомного веса бериллия (совместно с шведским химиком О. Петерсоном).

Последние 17 лет своей жизни Нильсон занимал профессор скую кафедру в Стокгольмской сельскохозяйственной академии. Он сделал немало для повышения урожайности полей в Швеции и особенно на своем родном острове Готлапд.

СКАНДИЙ И ФОСФОРЫ. Фосфорами (не путать с фосфором) называются вещества, способные довольно долго светиться в темноте. Одно из таких веществ — сульфид цинка ZnS.

Если облучить его инфракрасными лучами, он начинает светиться и еще долго светится после прекращения облучения. Установлено, что добавка скандия к сульфиду цинка, активированному медью, дает более яркое свечение, чем обычно.

Скандий увеличивает свечение и других фосфоров, в частности окиси магния MgO.

ЧТОБЫ ВОЗДУХ БЫЛ ЧИЩЕ. При производстве пластмасс, инсектицидов и растворителей выделяются довольно значительные количества хлористого водорода. Это ядовитый газ, выброс которого в атмосферу недопустим.

Конечно, можно было бы связывать его водой и вырабатывать соляную кислоту, но получение кислоты таким методом, мягко говоря, влетало бы в копеечку.

Больших затрат требовало и разложение HCl электролизом, хотя метод каталитического разложения хлористого водорода был предложен более 100 лет назад. Катализатором служила хлористая медь. Однако эффективным этот процесс был лишь при 430-475°С.

А при этих условиях катализатор улетучивается… Выход был найден: к основному катализатору — хлористой меди — добавили микроколичества хлоридов иттрия, циркония, тория, урана и скандия.

На таком катализаторе температура разложения хлористого водорода снизилась до 330-400°С, и улетучивание хлористой меди стало значительно меньше. Новый катализатор служит гораздо дольше старого, и воздух над химическими заводами надежно очищается от вредного хлористого водорода.

СКАНДИЙ В УСТЬЕ ТЕМЗЫ. Радиоактивный изотоп скандия с атомной массой 46 в 1954-1955 гг. использовали для определения движения ила в устье Темзы. Соль, содержавшую скандий-46, смешивали с толченым стеклом и опускали на морское дно в контейнере.

Там контейнер открывался, и смесь, плотность которой соответствовала плотности ила, рассыпалась по дну. Излучение отмечали с катера специальным прибором.

Скандий-46 выбрали потому, что он обладает достаточно интенсивным излучением и идеальным для такого рода исследований периодом полураспада — 83,9 суток. Что же оказалось? Большая часть грязи, выносимой Темзой в море, в скором времени возвращается обратно в русло реки.

Пришлось разрабатывать новую технику очистки устья реки от наносов. Изучение движения ила и гальки в море с помощью изотопа скандия проводилось также в Польше и Франции.

ОДИН И ОДИННАДЦАТЬ. Скандий-46 — один из одиннадцати искусственных радиоактивных изотопов элемента №    21. Другие радиоизотопы скандия практического применения пока не нашли. Природный скандий состоит из единственного изотопа — скандия-45.

Скандий

СКАНДИЙ

Скандий — химический элемент с символом Sc и порядковым номером в Периодической системе 21. Серебристо-белый металл, относится к группе переходных металлов, он иногда классифицируется как редкоземельный элемент вместе с иттрием и лантаноидами. Он был открыт в 1879 году с помощью спектрального анализа минералов евксениту и гадолинит с Скандинавии.

Скандий присутствует в большинстве минералов редкоземельных элементов и урана, но его добывают из этих руд только на нескольких заводах по всему миру.

Из-за низкой доступности и трудности в получении металлического скандия, который впервые был выделен в 1937 году, только в 1970-х годах он стал иметь промышленное значение.

Положительный эффект от легирования скандием алюминиевых сплавов был открыт в 1970-х годах, и его использование в таких сплавах остается его единственным значительным использованием.

Свойства соединений скандия являются промежуточными между свойствами алюминия и иттрия. Есть некоторые параллели между поведением магния и скандия, равно как между бериллием и алюминием. В химических соединениях элемента скандий проявляет валентность +3.

1. История

Дмитрий Менделеев, создатель периодической системы, предсказал существование элемента «Екабор» с атомной массой между 40 и 48 в 1869 году. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в минералах евксенит и гадолинит. Нильсон достал 2 грамма оксида скандия высокой чистоты.

[1] [2] Он назвал элемент Скандий, от латинского названия Scandia что означает «Скандинавия». Нильсон видимо не знал о предсказании Менделеева, но другой химик Пер Теодор Клеве подтвердил переписки и предсказания Менделеева.

[3] Металлический скандий был получен впервые в 1937 году путем электролиза с эвтектических смеси, при 700-800 ? C, в смеси хлоридов калия, лития и скандия. [4] Первый фунт 99% металлического скандия был получен в 1960 году.

Использовать скандий для легирования алюминиевых сплавов начали после 1971 года [5] Алюминий-скандиевые сплавы также изучали в СССР [6]

1.1. Распространение

По поширенистью среди элементов в земной коре ( Кларком), скандий не очень редким. Его кларк — примерно от 18 до 25 ppm, что сопоставимо с распространением кобальта (20-30 ppm). Скандий за распространением занимает 35-е место среди самых распространенных в земной коре, и 23-есть за распространением елелемент на Солнце).

[7] Однако, скандий очень распыленным среди многих полезных ископаемых ( минералов [8] [9], угля, торфа и сланцев) Редкие минералы из Скандинавии и Мадагаскара [10], такие как тортвейтит, евксенит, и гадолинит являются единственными природными источниками концентрированного скандия.

Тортвейтит может содержать до 45% скандия в форме оксида скандия (земли «скандия»). [9]

1.2. Изотопы

В природе скандий содержится исключительно в виде изотопа 45 Sc, имеющая спин ядра 7/2.

Тринадцать радиоизотопов было описано, наиболее стабильный из которых 46 Sc с периодом полураспада 83,8 суток, 47 Sc с периодом полураспада 3,35 суток, и 48 Sc с периодом полураспада 43,7 часов.

Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4 часов, большинство — менее 2 минуты. Этот элемент имеет также пять ядерных изомеров наиболее стабильный из которых 44m Sc (t ? = 58,6 h). [11]

Изотопы скандия в диапазоне атомных масс 36 Sc — 60 Sc.

Основным путем распада изотопов с массой менее у природного стабильного изотопа 45 Sc, является K-захвата, а основным видом распада изотопов тяжелее 45-й является бета-распад.

Обычно, продуктом разложения изотопов с весом менее 45 Sc являются изотопы кальция а продуктом разложения изотопов с весом больше 45 Sc являются изотопы титана. [11]

2. Производство

Мировое производство скандия находится на уровне всего (!) 2 тонны в год в виде оксида скандия. За время холодной войны в России накопился значительный запас первичного скандия. В 2003 году только три месторождения, поставляли скандий: урановые и железные рудники в г.

Желтые Воды в Украина, месторождения редких земель в Баян О, Китай и апатитовых шахтах на Кольском полуострове, Россия. В любом случае, обычно, скандий является побочным продуктом при добыче других элементов [12] и продается в виде окиси скандия. Производство металлического скандия находится в около 10 кг в год.

[12] [13] Подобно редкоземельных металлов скандий после несколько сложный процесс отделения от попутных элементов, переводят в оксид скандия, затем с помощью HF в фторид. После чего восстанавливают кальцием. Остальные кальция из сплава отгоняют в вакууме, и получают чистый скандий.

Только Мадагаскар и регион Ивланд, Норвегия имеют месторождения полезных ископаемых с высоким содержанием скандия, тортвейтиту (Sc, Y) 2 (Si 2 O 7) и кольбекиту ScPO 4 ? 2Н 2 О, но они не эксплуатируются.

[13] При отсутствии надежной, безопасной, стабильной и долгосрочной перспективе производства, ограничивает коммерческое применение скандия. Несмотря на низкий уровень использования, скандий обеспечивает значительные перспективы использования.

Особенно перспективным является легирования алюминиевых сплавов 0,5% звеньями скандия, что значительно повышает эксплуатационные качества материала. Рыночный спрос на кубический диоксид циркония, стабилизированный скандием постоянно растет, так как используется в качестве электролита высокой эффективности в твердотельных оксидных топливных элементов.

3. Аналитические реакции

Скандий как элемент, не имеющий хромофорных свойств имеет малое количество химических реакций для его качественного определения. На сейчас не известно ни одной аналитической реакции, которая бы давала возможность легко и надежно определить скандий на фоне смеси других элементов. Наибольшее значение для качественного открытия скандия имеют следующие реакции:

  • С ализариновым красным S, пурпурин и хинизарином скандий образует окрашенные комплексы. Варьируя pH среды и используя разницу в цветах комплексов, эти красители позволяют выявить скандий на фоне большого количества таких элементов как Y, La, Ce, Al, Zr, Th.
  • С «реагентом-ДОТРИХАФ» был разработан метод экспресс-определения скандия, поскольку он является наиболее селективным из многих исследованных.
  • С салицилальсемикарбазоном и некоторыми другими реагентами скандий образует комплексы, легко поддающиеся экстракции и интенсивно флуоресцируют. Реакции не обладают высокой селективности. Поэтому применяются в комбинации с методом тонкослойной и бумажной хроматографии.
  • Фениларсонова кислота образует осадок с скандием в уксуснокислого среде. Осадок растворяется в минеральных кислотах, в отличие от фениларсонатив Ti, Zr, Hf, Sn. Таким образом, скандий можно обнаружить в присутствии этих элементов. Для качественного открытия скандия используются другие реагенты и методы.

Количественное определение скандия производится с помощью титриметрический, гравиметрических и других химических методов после отделения скандия от других элементов. Но сейчас предпочтение отдается спектрометрическим методам анализа на скандий.

[14]

4. Применение

Некоторые части МиГ-29 сделаны из зплаву Al-Sc. [15]

Добавление скандия к алюминию ограничивает чрезмерный рост металлического зерна в зоне нагрева в сварных частях из алюминиевых сплавов.

Это влечет два следующих положительных эффектов: осаждение интерметаллида Al 3 Sc обеспечивает формирование меньших кристаллов в сплаве Al-Sc чем у других сплавах алюминия [15] и снижение объема межкристаллической зон [15] Оба эти эффекты повышают эксплуатационные качества сплавов.

Однако, сплавы титана, подобные по весу и прочности, есть более дешевые и используются шире. [16] Основное применение скандия (если считать по весу использованного металла) в алюминиевых сплавах для некоторых компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности, МиГ-21 и МиГ-29. [15]

Некоторые элементы спортивного оборудования, требующих использования высокопрочных материалов, иногда производят из скандий-алюминиевых сплавов, в том числе бейсбольные биты, [17] и велосипедные [18] рамы и другие детали. Американская компания-производитель огнестрельного оружия Smith & Wesson производит револьверы с корпусом из сплава скандия и цилиндрами из титана или из углеродистой стали. [19] [20]

Примерно 20 kg (в виде Sc 2 O 3) скандия используется ежегодно в США для производства газоразрядных ламп высокой интенсивности. [21] Йодид скандия, вместе с йодидом натрия, добавляют в специальный тип ртутных ламп, так называемых металло-галогенных ламп.

Эта лампа является источником белого света с высоким индексом цветопередачи, что весьма напоминает солнечный свет и обеспечивает хорошую цветопередачу телекамера. [22] Примерно 80 кг скандия в год используется для создания таких ламп (в целом по миру).

Первые металло-галогенные лампы на основе скандия было запатентовано General Electric и первоначально производились в Северной Америке, хотя они сейчас производятся во всех крупных промышленно развитых странах. Радиоактивный изотоп 46 Sc используется в нефтеперерабатывающей промышленности как маркировочных агент.

[21] Трифлат (трифторметансульфонат) скандия является Кислотой Льюиса и используется как катализатор в органическом синтезе. [23]

5. Здоровье и безопасность

Скандий считается нетоксичным и было проведено довольно мало испытаний его соединений на животных. [24] Летальная доза (LD 50) для хлорида скандия (III) для крыс были определены как 4 мг / кг при внутрибрюшинному введении и 755 мг / кг при оральном. [ 25] В свете этих результатов соединения скандия должны рассматриваться как соединение слабой токсичности.

Примечания

  1. Nilson, Lars Fredrik Sur L'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac — gallica.bnf.fr / ark :/ 12148/bpt6k30457/f639.table / / Comptes Rendus. — 88. — (1879): 642-647.
  2. Nilson, Lars Fredrik Ueber Scandium, ein neues Erdmetall / / Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. — 12. — (1879) (1): 554-557. DOI : 10.1002/cber.187901201157 — dx.doi.org/10.1002/cber.187901201157.
  3. Cleve, Per Teodor Sur Le Scandium — gallica.bnf.fr / ark :/ 12148/bpt6k3046j/f432.table / / Comptes Rendus. — 89. — (1879): 419-422.
  4. Fischer Werner, Br?nger, Karl; Grieneisen, Hans ?ber das metallische Scandium / / Zeitschrift f?r anorganische und allgemeine Chemie.

Скандий — Применение

СКАНДИЙ
01 марта 2011

1. Скандий

2. Нахождения в природе
3. Получение4. Применение

Скандий — моноизотопный элемент, в природе встречается только один стабильный изотоп скандий-45.

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.

Сплавы скандия

Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке — 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, 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 надёжность 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 обстоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированные гафнием.

Важной и практически не изученной 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. 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 выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше 700 кг/мм.

Сверхтвёрдые материалы

Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов.

Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость, что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза, нитрида бора,, сплава бор-углерод-кремний, и существенно больше чем у карбида бора, карбида кремния, микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около 53,4 ГПа. Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости.

Так, например, бериллид скандия 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.

Микроэлектроника

Оксид скандия имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз из-за снижения остаточной индукции с 2 — 3 КГаусс до 0,8 — 1 КГаусс.)

Источники света

Порядка 80 кг скандия 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.

Изотопы скандия

Радиоактивный изотоп Sc используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов и лечения раковых опухолей.

Изотоп скандий-47 является одним из лучших источников позитронов.

Ядерная энергетика

В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия — прекрасный замедлитель нейтронов, и мишень в мощных и компактных нейтронных генераторах.

Диборид скандия применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также 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.

Лазерные материалы

Высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов.

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 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, в смесях с гелием-3 лазерный термоядерный микровзрыв уже получен.

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, 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.

Рентгеновские зеркала

Скандий широко применяется для производства многослойных рентгеновских зеркал. Теллурид скандия очень перспективный материал для производства термоэлементов.

В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы скандия с рением, рутением, железом,.

Огнеупорные материалы

Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы 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 армированных нитевидными кристаллами оксида алюминия для увеличения прочности), а также 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 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.

Что такое Скандий

СКАНДИЙ

Скандий — Редкоземельный химический элемент, серебристо-белый металл, не встречающийся в природе в свободном состоянии.

Скандий в Энциклопедическом словаре:

Скандий — (лат. Scandium) — Sc, химический элемент III группы периодическойсистемы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится кредкоземельным элементам. Назван от Скандинавского п-ова (лат.

Scandia),где был открыт. Плотность 3,02 г/см3, tпл 1541.С.

Компонент легких сплавовс высокими прочностью и коррозионной устойчивостью, катализаторвысокотемпературной пара-орто-конверсии водорода, нейтронный фильтр вядерной технике.

Значение слова Скандий по словарю Ушакова:

СКАНДИЙ
скандия, мн. нет, м. (хим.). Редкий металл, не встречающийся в природе в свободном состоянии, а существующий только в окиси, имеющей вид белого порошка. (От названия полуострова Скандинавия.)

Значение слова Скандий по словарю Брокгауза и Ефрона:

Скандий (хим.. Scandium. Sc = 44, если О = 16) — принадлежат к числу церитовых и гадолинитовых металлов (см.). Вместе с ummpиeм (Yttrium, Y = 89), лантаном (см.) и ummepбием (Ytterbium, Yb = 173) он составляет более основную подгруппу третьей группы периодической системы элементов. типический элемент этой группы, как известно, бор.

Впервые (в 1879 г.) С. был найден Нильсоном и вскоре затем Клеве в эвксените и гадолините. Самый элемент благодаря редкости минералов, его содержащих (они встречаются на Скандинавском полуо-ве), до сих пор не изолирован, но свойства окиси и ее производных вполне установлены и оказались тождественными с указанными (в 1869 г.) Д. И. Менделеевым для экабора (см.

Периодическая законность хим. элем.). Окись С. Sc 2O3 — основание более сильное, чем окись алюминия, неспособное соединяться со щелочами. Соли окиси с различными кислотами, ScX 3, не окрашены. из их растворов щелочи осаждают студенистый гидрат окиси Sc(OH)3, который при нагревании теряет воду, превращаясь в белый, похожий на магнезию порошок окиси.

Двойная соль Sc 2(SO4)3&#8729.3K2SO4 нерастворима в крепком водном растворе сернокислого калия. Подобная двойная соль иттербия (свободный металл также неизвестен, присутствие его в гадолините установлено в 1878 г. Мариньяком) растворима в указанном реактиве, что и дает возможность разделять соединения Se и Yb.

пользуются, кроме того, тем обстоятельством, что из азотнокислых солей Sc и Yb первая легче разлагается при нагревании, превращаясь в нерастворимую основную соль.

Металлический иттрий — серый порошок, способный разлагать воду даже на холоду, лучше при нагревании — получен Клеве при электролизе расплавленной смеси хлористого иттрия, YCl 3, с поваренной солью, а также при нагревании этой смеси с металлическим натрием. С.Колотов. &#916. .

Определение слова «Скандий» по БСЭ:

Скандий (лат. Scandium)
Sc, химический элемент III группы периодической системы Менделеева: атомный номер 21, атомная масса 44,9559. лёгкий металл с характерным жёлтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом. Известен один природный стабильный изотоп 45Sc.

Из 10 искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46Sc с периодом полураспада 84 сут. С. был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 и выделен в 1879 Л. Ф. Нильсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.
Распространение в природе. Среднее содержание С. в земной коре (кларк) 2,2·10&minus.3% по массе.

В горных породах содержание С. различно: в ультраосновных 5·10&minus.4, в основных 2,4·10&minus.3, в средних 2,5·10&minus.4, в гранитах и сиенитах 3·10&minus.4. в осадочных породах (1-1,3)·10&minus.4.
С. концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала С.

— тортвейтит и стерреттит. они встречаются чрезвычайно редко. В целом С. — типичный рассеянный элемент, слабый мигрант (см. также Рассеянных элементов руды). С. в морской воде 4·10&minus.5 г/л.Физические и химические свойства. С. существует в двух кристаллических модификациях: &alpha. и &beta.. при обычной температуре устойчива &alpha.

-модификация с гексагональной решёткой (а = 3,3080 Е и с = 5,2653 Е), выше 1350°C — &beta.-модификация с кубической объёмноцентрированной решёткой.

Плотность С. в а-форме при 25°C 3,020 г/смі, атомной радиус 1,64 Е, ионный радиус 0,75 Е, tпл 1539 ± 5°C, tкип 2700°C, выше 1600°C летуч. При 25°C удельная теплоёмкость 25,158 кдж/(кг.

К) [6,01 ккал/ (г·°C)], удельное электрическое сопротивление (54-70,7)·10&minus.6 ом·см, С. слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236-10&minus.6 (20°C). Sc — первый переходный элемент с одним 3d электроном.

конфигурация внешних электронов атома 3d14sІ.

С.- мягкий металл, в чистом состоянии легко поддаётся обработке — ковке, прокатке, штамповке.
По хим. поведению сходен с др. переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti3+, Fe3+, Мп3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам. На воздухе покрывается защитной окисной плёнкой толщиной до 600
&#x1FA., заметное окисление начинается при 250°C. При взаимодействии с водородом (450°C) образуется гидрид ScH2, с азотом (600-800°C) — нитрид ScN, с галогенами (400-600°C) — соединения типа ScCI3. С. реагирует также с бором и кремнием при температуре выше 1000°C. Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения С. резко падает и с 0,001 н. растворами он не реагирует). Соли соляной, серной, азотной, роданистоводородной и уксусной кислот хорошо растворяются в воде, а соли фосфорной, щавелевой и плавиковой кислот мало растворимы. некоторой летучестью обладают ацетилацетонат и его фторпроизводные. На С. практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO3 и HF (1: 1). В воде соединения С. заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и pH среды, например Sc (CO3)&minus.2, Sc (SO4)3-3. Основные соли в растворе легко переходят в аморфную гидроокись.
Получение и применение. С. преимущественно в виде окислов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Окислы хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический С. (выход &sim. 99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10&minus.6 н/мІ (10&minus.6 мм рт. cm.) при 1600-1700°C.
Масштабы применения С. весьма ограничены. Окись С. идёт на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы С., обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракето- и самолётостроении, а ряд соединений С. может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамических производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях.
Лит.: Борисенко Л. Ф., Скандий, М, 1961. Фаворская Л. В., Химическая технология скандия, А.-А., 1969. Коган Б. И., Названова В. А., Скандий, М., 1961. Справочник но редким металлам, пер. с англ., М., 1965. Vickery R. С., The chemistry of yttrium and scandium, Oxf., 1960.
Л. Н. Комиссарова

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть