На какие металлы наносился скандий. История открытия скандия

1. История открытия скандия

скандий атом квантовый минерал

Впервые существование скандия предсказал Д.И. Менделеев. На основании периодического закона он пришел к убеждению, что бора и алюминия кроме галлия должен существовать еще один аналог - экабор.

В 1871 году в статье «Периодическая законность химических элементов» Д.И. Менделеев писал: «Элемент этот предлагают предварительно назвать экабором, производя это название от того, что он следует за бором как первый элемент четных групп, а слог эка производится от санскритского слова, обозначающего один… Экабор в отдельности должен представлять металл… при этом удельный вес этого металла должен быть близок к 3,0… 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».

Проходит восемь лет, и шведский химик Нильсон в одном из очень редких минералов обнаруживает новый элемент, которому в честь полуострова Скандинавии присваивает название скандия. После изучения нового элемента Нильсон дал описание свойств скандия. Каково же было удивление Нильсона, когда он, сравнивая характеристику скандия с экабором Менделеева, установил почти полное сходство этих характеристик. «Не остается никакого сомнения, что в скандии открыт экабор…», - писал Нильсон и далее, потрясенный этим событием, подчеркивал: «Так подтверждаются самым наглядным образом мысли русского химика, позволившие не только предвидеть существование названного простого тела, но и наперед указать его важнейшие свойства».

Для сравнения приводим некоторые данные, которыми Д.И. Менделеев характеризовал скандий (экабор) до его открытия и Нильсон - после изучения свойств открытого им элемента.

Атомный вес 45

Окись экабора состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода.

Удельный вес окиси 3,5.

Сернокислая соль экабора состоит из двух атомов эка-бора и трех остатков серной кислоты.

Двойные сернокислые соли не будут по форме кристаллов похожи на квасцы.

Атомный вес 45,1.

Окись скандия состоит из двух атомов скандия и трех атомов кислорода.

Удельный вес окиси 3,8.

Сернокислая соль скандия состоит из двух атомов скандия и трех остатков серной кислоты,

Двойная сернокислая соль скандия и калия не похожа по форме своих кристаллов на квасцы.

Как видно из приведенных характеристик, между ними нет заметной разницы. Скандий был вторым из числа химических элементов, открытых после предсказания их существования и свойств Д.И. Менделеевым на основе периодического закона. Скандий - наглядное подтверждение справедливости этого важнейшего закона естествознания.

2. Электронное строение скандия

Порядковый номер элемента Z = 21 обозначает: заряд ядра атома элемента (скандия): 21 Sc - 21 p 1 1 - +21; число протонов p 1 1: 21 Sc - 21 p 1 1 ; число электронов e: 21 Sc - 21e; число нейтронов n 1 0 = Ar - Z = 65 - 21 = 44 - 44n 1 0

Формула состава атома

или в виде сокращенной записи: 3d 1 4s 2

Электронная формула в виде квантовых ячеек

Скандий - d - элемент. Электронное строение атома заканчивается s - электронами, поэтому элемент будет проявлять металлические свойства.
Формула высшего оксида - Sc 2 O 3 , гидроксида - Sc(OH) 3 обладают слабыми основными свойствами. Соединений с водородом не образует.
Порядковый номер 34 имеет селен Se. Элемент находится в IV периоде, значит в атоме имеется 4 энергетических уровня. Он находится в главной подгруппе VI группы; его валентные электроны распределены на 4s и 4p-подуровнях.

3. Химические свойства скандия

Химически скандий довольно активен, проявляет степень окисления +3. При этом первыми теряются 4S2-электроны и лишь затем Зd-электроны. С водой он не взаимодействует даже при нагревании, но хорошо растворяется в кислотах с образованием солей Sc3+. По солеобразующей способности скандий сходен со щелочноземельными металлами; подобно кальцию, образует труднорастворимые карбонат, фосфат, фторид и малорастворимый сульфат, тогда как хлорид и нитрат скандия хорошо растворимы. Особенности соединений скандия связаны с их амфотерностью: соли в растворах несколько гидролизованы. В водном растворе ион скандия гидратирован с образованием комплексного иона 3+, а при действии щелочи на растворы его солей выпадает нерастворимый гидроксид Sc(OH) 3, осаждение его начинается уже при рН = 4,8 Электроположительный характер скандия обусловил его высокое сродство к неметаллам. На воздухе он, подобно алюминию, покрывается толстой (150-600А) защитной пленкой оксида Sc2O3 и лишь выше 200-250 °С пленка теряет свои защитные свойства и идет дальнейшее окисление скандия;

4Sc + 3 O2 = 2Sc203 + ~1500 кдж

Чистый оксид получается разложением гидроксида при нагревании:

2Sc(OH) 3 Sc203 + 3p0

Он слабо растворяется в кислотах, а с водой образует белый осадок гидроксида. Особенностью соединений скандия является амфотерность - следствие близости к алюминию и малого ионного радиуса 0,83 А. Амфотерность проявляется в способности скандия растворяться (правда, с трудом) в щелочах с образованием комплексного гидроксоскандата:

Sc(OH) 3 + 3 NaOH = Na3 ,

В кислотах гидроксид растворяется легко:

Sc(OH) 3 + 3 HN08 = Sc(N03) 3 + 3 p0

Скандий при нагревании легко реагирует с галогенами и другими неметаллами:

2Sc + 3CI2 = 2ScCl3 + 1800 кдж

Обычно же галогениды получают осаждением солей

Sc(N03) 3 + 3 HF = ScF3 + 3 HN03

или прокаливанием оксида SC2O3 с углем в токе хлора. Галоидные соли скандия - сравнительно тугоплавкие соединения, способные образовывать устойчивые комплексные соединения типа M, MІ , Mі (где Г-F, в меньшей степени, С1), а также аналогичные квасцам двойные Сульфаты M и Mі (правда, они отличаются от квасцов своей стереометрической структурой). Существование степеней окисления скандия, отличных от +3, не вполне выяснено. В твердом виде были получены соединения скандия, в которых его степень окисления формально равна +2 - карбид ScC2 (состоящий, по предположению, из ионов Sc2+ и С2~2), гидрид Scp, субхлорид ScCl2. Все эти соединения обладают очень высокой электропроводностью, которая объясняется только тем, что в них присутствуют hohl^Sc3* и свободные электроны (формально Sc2+ = Sc3+ + e). Правда, есть основания предполагать, что при электролизе растворов Sc3+ в качестве промежуточных продуктов образуются ионы Sc2+, но весьма неустойчивые.

4. Нахождение скандия в природе

В природе соединения скандия присутствуют во многих минералах, содержащих иттрий, лантан, лантаноиды и другие элементы в преобладающих количествах. Эти минералы довольно редки - они встречаются в Скандинавии, на Урале, в Бразилии и реже в США и Австралии. Из собственных минералов скандия известны только стеретит Sc(P04) * 2Н2О и найденный в Норвегии и на Мадагаскаре тортвейтит Sc2 (Si2О7), несколько загрязненные в основном иттрием. Но тортвейтит интересен и другим: единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf 4+ и Sc 3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония. Однако и они очень редки. С 1911 по 1952 г. тортвейтита было найдено всего 22 кг, а за все время, даже учитывая возросший интерес к скандию, едва ли больше 100 кг. Поэтому скандий относится к группе редкоземельных. Впрочем, он скорее рассеянный элемент - имеет кларк 6 *10 -4 (его гораздо больше, чем золота), но содержание в земной коре не вполне четко определено. Природный скандий является «чистым» элементом - он состоит только из одного нерадиоактивного изотопа 45 Sc. Искусственно получено еще 14 уже радиоактивных изотопов, из которых наиболее устойчив р-активный 46 Sc, период полураспада которого 84 дня.

5. Технологии извлечения скандия

В настоящее время основными производителями скандия (оксида скандия) в мире являются следующие страны: Россия, Китай, Украина и Казахстан. Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.

Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них 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.

Существуют следующие технологии извлечения скандия: электролиз расплава хлорида скандия, с помощью которого получают наиболее чистый металлический скандий; существует способ извлечения скандия из скандийсодержащих растворов путем экстракции твердым экстрагентом (ТВЭКСом); в настоящее время металлический скандий получают путем восстановления фторида скандия металлическим кальцием в атмосфере азота.

6. Применение скандия

По своим свойствам скандий имеет перспективы применения в ядерной энергетике, ракетостроении, авиации и др. У этого элемента редкое и счастливое сочетание свойств, однако его применение до недавнего времени сдерживалось высокой стоимостью металлического скандия. Рассмотрим основные области применения скандия и его соединений:

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 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 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 (мотоциклы, бейсбольные биты и т.п.) - везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. 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. Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. В последние годы важная роль скандия (и отчасти иттрия и лютеция) выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше 700 кг/ммІ (свыше 7000 МПа).

Сверхтвёрдые материалы

Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. 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).

Микроэлектроника

Оксид скандия (температура плавления 2450 °C) 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.

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.

Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут) является одним из лучших источников позитронов.

Ядерная энергетика.

В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия - прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.

Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) 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 (высококачественные зубные протезы).

Лазерные материалы.

Высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов (ГСГГ).

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.

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 устойчивый оксид иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области, можно сказать, незаменим.

Заключение

В заключение следует отметить, что скандий - довольно интересный элемент, начиная с истории его открытия и заканчивая химическими свойствами и применением. 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. 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. Скандий имеет довольно широкую область применения, что не может не мотивировать науку на создание и разработку новых способов добычи и извлечения этого элемента.

Список литературы

скандий атом строение минерал

1. Менделеев Д.И. Периодическая законность химических элементов М, Журн. Русск. физ.-хим. общ-ва, 1871.

2. Прокофьева H. Б., Бучаченко M. С. Бучаченко Издательство «Наука» 117864 ГСП-7, Москва, B-S85, Профсоюзная ул., 90 2-я типография издательства «Наука» 121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 10

3. Фигуровский H.А. Ф49 История химии: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по хим. и биол. спец. - M.: Просвещение, 1979. - 311 с, ил.

4. Шалинец Александр Борисович Провозвестники атомного века. Элементы III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Пособие для учащихся. М., «Просвещение», 1975. 192 с. с ил.

Подобные документы

Фазовые равновесия и переходы. Калориметрические методы исследования. Термодинамические характеристики плавления трис-2,2,6,6-тетраметил-4-фторгептан-3,5-дионат скандия, его использование для получения оксида скандия, имеющего применение в электрофизике.

курсовая работа , добавлен 16.11.2012

История открытия железа. Положение химического элемента в периодической системе и строение атома. Нахождение железа в природе, его соединения, физические и химические свойства. Способы получения и применение железа, его воздействие на организм человека.

презентация , добавлен 04.01.2015

Электронная формула молибдена. Объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента. Валентные подуровни. Наборы квантовых чисел. Прогноз величины степени окисления. Характеристика соединений с неметаллами. Оксиды. Применение.

курсовая работа , добавлен 24.06.2008

Вещества с ионным типом связи. Двухосновные бескислородные кислоты. Продукт реакции пропена с хлором. Максимальный радиус атома среди элементов VI A группы. Химическая связь между молекулами воды. Число электронных слоев и d-электронов в атоме скандия.

тест , добавлен 31.10.2012

История открытия водорода. Общая характеристика вещества. Расположение элемента в периодической системе, строение его атома, химические и физические свойства, нахождение в природе. Практическое применение газа для полезного и вредного использования.

презентация , добавлен 19.05.2014

Органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород и водород. Общая формула химического состава углеводов. Строение и химические свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов. Основные функции углеводов в организме человека.

презентация , добавлен 23.10.2016

Представление о строении метана (молекулярная, электронная и структурная формулы). Физические свойства, нахождение в природе, тип химической связи и пространственное строение молекулы и атома углерода в трёх валентных состояниях, понятие гибридизации.

дипломная работа , добавлен 31.03.2009

История производства и использования железа. Общая характеристика элемента, строение атома. Степени окисления и примеры соединений, основные реакции. Нахождение железа в природе, применение. Содержание железа в земной коре. Биологическая роль железа.

презентация , добавлен 09.05.2012

Строение атома оксида серы, его молекулярная формула, валентность, тип кристаллической решетки. Нахождение в природе сернистого газа SO2. Его физические и химические свойства. Получение сернистого газа в промышленности и в лабораторных условиях.

презентация , добавлен 13.05.2015

Общая характеристика химического элемента. Химическая активность фтора. Взаимодействие с большинством неметаллов. История открытия фтора. Нахождение в природе. Производство тефлона, фторопластов, фторкаучуков, фторсодержащих органических веществ.

Скандий (лат. Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 21, атомная масса 44,9559; легкий металл с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом. Известен один природный стабильный изотоп 45 Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46 Sc с периодом полураспада 84 сут. Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Распространение Cкандия в природе. Среднее содержание Скандия в земной коре (кларк) 2,2·10 -3 % по массе. В горных породах содержание Скандия различно: в ультраосновных 5·10 -4 , в основных 2,4·10 -3 , в средних 2,5·10 -4 , в гранитах и сиенитах 3·10 -4 ; в осадочных породах (1-1,3)·10 -4 . Скандий концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала Скандия - тортвейтит и стерреттит; они встречаются чрезвычайно редко. В целом Скандий - типичный рассеянный элемент, слабый мигрант. Содержание Скандия в морской воде 4·10 -5 г/л.

Физические свойства Cкандия. Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С - β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой. Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см 3 , атомной радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t пл 1539 °С, t кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) , удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10 -6 ом·см; Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10 -6 (20 °С). Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке - ковке, прокатке, штамповке.

Химические свойства Cкандия. Sc - первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d 1 4s 2 . По химические поведению сходен с других переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti 3+ , Fe 3+ , Mn 3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам. На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой толщиной до 600Å, заметное окисление начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH 2 , с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) -соединения типа SсСl 3 ; Скандий реагирует также с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С. Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия 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 Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO 3 и HF (1: 1). В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО 3) 2 - , Sc (SO 4) 3 3- . Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

Получение Cкандия. Скандий преимущественно в виде оксидов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10 -6 н/м 2 (10 -6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

Применение Cкандия. Оксид Скандия идет на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46 Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы Скандия, обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракето- и самолетостроении, а ряд соединений Скандия может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамическом производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «ХИМИЯ»

на тему: «Химический элемент - Скандий»

Подготовил студент

4 ЭФ 2 Тарасов С.В.

Научный руководитель:

Патрушева О.А.

МОСКВА 2010

· История Скандия и происхождение его названия

· Физические свойства Скандия

· Химические свойства Скандия

· Мировые ресурсы Скандия

· Распространение Скандия в природе

· Получение и производство Скандия

· Применение Скандия

· Металлургия

· Сплавы скандия

· Сверхтвёрдые материалы

· Микроэлектроника

· Источники света

· Изотопы скандия

· Ядерная энергетика

· Медицина

· Лазерные материалы

· Производство солнечных батарей

· МГД-генераторы

· Рентгеновские зеркала

· Огнеупорные материалы

· Производство фианитов

· Люминофоры

· Литература

История Скандия и происхождение его названия

Ска́ндий - элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементовД. И. Менделеева, с атомным номером 21 и атомной массой 44,9559, обозначается символом Sc (лат. Scandium ). Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) - легкий металл серебристого цвета с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом.

Известен один природный стабильный изотоп 45 Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46 Sc с периодом полураспада 84 сут.

Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С - β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой. Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см 3 , атомный радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t пл 1539 °С, t кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) , удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10 -6 ом·см;

Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10 -6 (20 °С). Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке - ковке, прокатке, штамповке.

Sc - первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d 1 4s 2 . По химическому поведению сходен с другими переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti 3+ , Fe 3+ , Mn 3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам.

На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой толщиной до 600Å, заметное окисление начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH 2 , с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) - соединения типа SсСl 3 .

Также Скандий реагирует с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С.

В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО 3) 2 - , Sc (SO 4) 3 3- . Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия 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 Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO 3 и HF (1: 1).

Колоссальные ресурсы скандия сосредоточены 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. В определённой степени в ближайшие годы ожидается значительный объём поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии.

Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.

Распространение Cкандия в природе

Известно два собственных минерала Скандия: тортвейтит (Sc, Y)2 Si 2 O 7 (Sc2O3 до 53,5%) и стерреттит Sc 2H 2 O (Sc 2 O 3 до 39,2%), но встречаются они чрезвычайно редко.

Скандий является типичным рассеянным элементом и слабым мигрантом и входит в состав многих минералов.

По химическим и физическим свойствам к скандию близки иттрий, лантан и лантаноиды. Во всех природных соединениях скандий, так же как и его аналоги алюминий, иттрий, лантан, проявляет положительную валентность, равную трём, поэтому в окислительно-восстановительных процессах он участия не принимает.

В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в тёмноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований.

Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1% Sc2O3), касситерит (0,005-0,2%), вольфрамит (0-0,4%), ильменорутил (0,0015-0,3%), торианит (0,46% Sc2O3), самарскит (0,45%), виикит (1,17%), ксенотим (0,0015-1,5%), берилл (0,2%), баццит (скандиевый берилл, 3-14,44%). Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов

Так как, в горных породах содержание Скандия различно, и в связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn 2 +,Fe 2 +, TR, Hf, Th, U, Zr, то главная его масса рассеивается в минералах, содержащих эти элементы.

Наиболее высокие (30 г/т Sc 2 O 3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит), в которых широко развито гетеровалентное замещение скандием Fe 2 + и магния, а замещение циркония – в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

В породах среднего состава среднее содержание Sc 2 O 3 - 10 г/т, в кислых – 2 г/т, здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене.

Также имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc – Y в тортвейтите и замещение Al в берилле).

Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать.

Скандий преимущественно в виде оксидов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10 -6 н/м 2 (10 -6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

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.

Применение Скандия

Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов 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 как 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 – это легкий серебристый металл с желтоватым отливом. И хотя это довольно редкий элемент, он содержится во многих минералах. Дело в том, что по своим свойствам скандий близок к магнию, кальцию, алюминию, железу и редкоземельным элементам, поэтому в минералах он их нередко замещает. Известно около сотни минералов, в которых можно встретить скандий. Собственно скандиевыми минералами являются только два: тортвейтит (Sc, Y)₂Si₂O₇ и стерреттит Sc(PO₄) 2H₂O.

Как был открыт скандий

Существование скандия было предсказано Д.И. Менделеевым в 1869 году, когда в обнаружился пробел между кальцием (20-й элемент) и титаном (22-й элемент). Для нового элемента Менделеев предложил название «экабор». В 1879 году шведский химик Ларс Фредерик Нильсон методом спектрометрии обнаружил новый элемент в минерале эвксените, содержащего различные редкие элементы. Ученый назвал новый элемент в честь Скандинавии. Однако Нильсону удалось получить небольшое количество оксида скандия, слиток же скандия был окончательно получен лишь в 1937 году. В Земной коре скандия содержится совсем немного, поэтому добыча его представляет собой сложный и трудоемкий процесс.

Где применяется скандий

Основной областью применения скандия является создание сплавов и керамик. Небольшие добавки (доли процента) скандия значительно повышают сопротивление на разрыв магний-алюминиевых сплавов, повышают устойчивость к окислению хрома и нихрома. Керамика с добавлением оксида скандия обладает устойчивостью к высоким температурам и термоудару. Стали, легированные скандием, суперпрочны и пригодны для длительной работы при высоких температурах. Алюминиево-скандиевые сплавы нашли свое применение в аэрокосмической отрасли, в частности, из него сделаны детали Российских военных самолетов МиГ-21 и МиГ-29. Оксид скандия применяется при создании суперкомпьютеров с большой скоростью обмена данными. Соединения скандия могут применяться в производстве лазеров, солнечных батарей, МГД-генераторов. Композиты скандия и вольфрама, хрома, молибдена используются для создания рентгеновских зеркал.