Скандий - Scandium

Скандий,  21 сбн
Скандий сублимированный дендритным и кубическим размером 1 см3.jpg
Скандий
Произношение / С к æ н д я ə м / ( СКАН -dee-əm )
Появление серебристо-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Sc) 44,955 908 (5)
Скандий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
-

Sc

Y
кальцийскандийтитан
Атомный номер ( Z ) 21 год
Группа группа 3
Период период 4
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Ar ] 3d 1 4s 2
Электронов на оболочку 2, 8, 9, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1814  К (1541 ° С, 2806 ° F)
Точка кипения 3109 К (2836 ° С, 5136 ° F)
Плотность (около  rt ) 2,985 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 2,80 г / см 3
Теплота плавления 14,1  кДж / моль
Теплота испарения 332,7 кДж / моль
Молярная теплоемкость 25,52 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 1645 1804 г. (2006) (2266) (2613) (3101)
Атомные свойства
Состояния окисления 0, +1, +2, +3амфотерный оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 1,36
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 162  пм
Ковалентный радиус 170 ± 19 часов
Радиус Ван-дер-Ваальса 211 вечера
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии скандия
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура гексагональной плотной упаковкой (ГЦК)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура скандия
Тепловое расширение α, поли: 10,2 мкм / (м⋅K) (при комнатной температуре )
Теплопроводность 15,8 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление α, поли: 562 нОм⋅м (при комнатной температуре, рассчитано)
Магнитный заказ парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость 315,0 × 10 -6  см 3 / моль (292 К)
Модуль для младших 74,4 ГПа
Модуль сдвига 29,1 ГПа
Объемный модуль 56,6 ГПа
коэффициент Пуассона 0,279
Твердость по Бринеллю 736–1200 МПа
Количество CAS 7440-20-2
История
Именование после Скандинавии
Прогноз Дмитрий Менделеев (1871)
Открытие и первая изоляция Ларс Фредрик Нильсон (1879)
Основные изотопы скандия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
44 м 2 сбн син 58,61 ч ЭТО 44 сбн
γ 44 сбн
ε 44 Ca
45 сбн 100% стабильный
46 сбн син 83,79 г β - 46 Ti
γ -
47 сбн син 80,38 г β - 47 Ti
γ -
48 сбн син 43,67 ч β - 48 Ti
γ -
Категория Категория: Скандий
| использованная литература

Скандий - это химический элемент с символом Sc и атомным номером 21.

Серебристо-белый металлический элемент d-блока , он исторически классифицировался как редкоземельный элемент вместе с иттрием и лантаноидами . Он был открыт в 1879 году путем спектрального анализа минералов эвксенита и гадолинита из Скандинавии .

Скандий присутствует в большинстве месторождений соединений редкоземельных элементов и урана , но его добывают из этих руд лишь на нескольких рудниках по всему миру. Из-за низкой доступности и трудностей получения металлического скандия, что было впервые сделано в 1937 году, приложения для скандия не были разработаны до 1970-х годов, когда было обнаружено положительное влияние скандия на алюминиевые сплавы , и его использование в таких сплавах. остается его единственным основным приложением. Мировая торговля оксидом скандия составляет 15–20 тонн в год.

По свойствам соединения скандия занимают промежуточное положение между алюминием и иттрием . Диагональная связь существует между поведением магния и скандия, так же как между бериллием и алюминием. В химических соединениях элементов 3-й группы преобладающая степень окисления +3.

Характеристики

Химические характеристики

Скандий - мягкий металл серебристого цвета. При окислении воздухом он приобретает слегка желтоватый или розоватый оттенок . Он подвержен атмосферным воздействиям и медленно растворяется в большинстве разбавленных кислот . Не реагирует со смесью 1: 1 азотной кислоты ( HNO
3
) и 48% фтористоводородной кислоты ( HF ), возможно, из-за образования непроницаемого пассивного слоя . Скандиевые стружки воспламеняются в воздухе ярким желтым пламенем, образуя оксид скандия .

Изотопы

В природе скандий встречается исключительно в виде изотопа 45 Sc, ядерный спин которого равен 7/2; это его единственный стабильный изотоп. Было охарактеризовано двадцать пять радиоизотопов , наиболее стабильным из которых является 46 Sc с периодом полураспада 83,8 дня; 47 сбн, 3,35 сут; позитронно - излучатель 44 Sc , 4 ч; и 48 сбн, 43,7 часа. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4 часов, а у большинства из них период полураспада менее 2 минут. Этот элемент также имеет пять ядерных изомеров , наиболее стабильным из которых является 44m2 Sc ( t 1/2 = 58,6 ч).

Изотопы скандия варьируются от 36 Sc до 60 Sc. Первичная мода распада при массах ниже, чем единственный стабильный изотоп, 45 Sc, - это захват электронов , а первичная мода при массах выше этого - бета-излучение . Первичные продукты распада при атомной массе ниже 45 Sc - это изотопы кальция, а первичные продукты распада с более высокой атомной массой - изотопы титана .

Вхождение

В земной коре скандий не редкость. Оценки варьируются от 18 до 25 частей на миллион, что сопоставимо с содержанием кобальта (20–30 частей на миллион). Скандий занимает лишь 50-е место по распространенности на Земле (35-е место по содержанию в коре), но на Солнце он занимает 23-е место по распространенности . Однако скандий редко встречается и в следовых количествах содержится во многих минералах . Редкие минералы из Скандинавии и Мадагаскара, такие как тортвейтит , эвксенит и гадолинит, являются единственными известными концентрированными источниками этого элемента. Торвейтит может содержать до 45% скандия в виде оксида скандия .

Стабильная форма скандия создается в сверхновых через r-процесс . Кроме того , скандий создается путем расщепления космических лучей из более богатых железных ядер.

  • 28 Si + 17n → 45 Sc (r-процесс)
  • 56 Fe + p → 45 Sc + 11 C + n (расщепление космических лучей)

Производство

Мировое производство скандия составляет порядка 15-20 тонн в год в виде оксида скандия . Спрос примерно на 50% выше, а производство и спрос продолжают расти. В 2003 г. только три рудника производили скандий: урановые и железные рудники в Желтых Водах на Украине , редкоземельные рудники в Баян-Обо , Китай , и апатитовые рудники на Кольском полуострове , Россия ; с тех пор многие другие страны построили предприятия по производству скандия, в том числе 5 тонн / год (7,5 тонн / год Sc
2
О
3
) компании Nickel Asia Corporation и Sumitomo Metal Mining на Филиппинах . В Соединенных Штатах NioCorp Development надеется привлечь 1 миллиард долларов для открытия ниобиевого рудника на своем участке в Элк-Крик на юго-востоке Небраски, который может производить до 95 тонн оксида скандия в год. В каждом случае скандий является побочным продуктом экстракции других элементов и продается как оксид скандия.

Для получения металлического скандия оксид превращают во фторид скандия, а затем восстанавливают металлическим кальцием .

На Мадагаскаре и в регионе Ивеланд - Эвье в Норвегии находятся единственные месторождения полезных ископаемых с высоким содержанием скандия, торвейтита (Sc, Y).
2
(Si
2
О
7
), но они не используются. Минеральный колбекит ScPO
4
· 2H 2 O
имеет очень высокое содержание скандия, но не доступен в более крупных месторождениях.

Отсутствие надежного, безопасного, стабильного и долгосрочного производства ограничивает коммерческое применение скандия. Несмотря на такой низкий уровень использования, скандий дает значительные преимущества. Особенно многообещающим является упрочнение алюминиевых сплавов с содержанием скандия всего 0,5%. Оксид циркония, стабилизированный скандием, пользуется растущим рыночным спросом на использование в качестве высокоэффективного электролита в твердооксидных топливных элементах .

Цена

ГС США сообщает , что, с 2015 по 2019 в США, цена небольших количеств скандия слитка была $ 107 до $ 134 на грамм, а оксид скандия $ 4 до $ 5 за грамм.

Соединения

В химии скандия почти полностью преобладает трехвалентный ион Sc 3+ . Радиусы ионов M 3+ в таблице ниже показывают, что химические свойства ионов скандия имеют больше общего с ионами иттрия, чем с ионами алюминия. Отчасти из-за этого сходства скандий часто классифицируют как лантаноидоподобный элемент.

Ионные радиусы (пм)
Al Sc Y Ла Лу
53,5 74,5 90,0 103,2 86,1

Оксиды и гидроксиды

Оксид Sc
2
О
3
и гидроксид Sc (OH)
3
являются амфотерными :

Sc (OH)
3
+ 3 ОН-
[Sc (OH)
6
]3−
(скандат-ион)
Sc (OH)
3
+ 3 часа+
+ 3 часа
2
O
[Sc (H
2
O)
6
]3+

α- и γ-ScOOH изоструктурны своим аналогам из гидроксида алюминия . Решения Sc3+
в воде кислые из-за гидролиза .

Галогениды и псевдогалогениды

В галогениды SCX
3
, где X = Cl , Br или I , хорошо растворимы в воде, но ScF
3
нерастворим. Во всех четырех галогенидах скандий 6-координирован. Галогениды - это кислоты Льюиса ; например, ScF
3
растворяется в растворе, содержащем избыток фторид-иона с образованием [ScF
6
] 3−
. Координационное число 6 типично для Sc (III). В более крупных ионах Y 3+ и La 3+ обычно встречаются координационные числа 8 и 9. Трифлат скандия иногда используется в качестве катализатора кислоты Льюиса в органической химии .

Органические производные

Скандий образует серию металлоорганических соединений с циклопентадиенильными лигандами (ЦП), аналогично поведению лантаноидов. Одним из примеров является димер с хлорной мостиковой связью [ScCp
2
Cl]
2
и родственные производные пентаметилциклопентадиенильных лигандов.

Необычные состояния окисления

Соединения, которые содержат скандий в степенях окисления, отличных от +3, редки, но хорошо охарактеризованы. Сине-черный состав CsScCl
3
один из самых простых. Этот материал имеет пластинчатую структуру, которая демонстрирует обширную связь между центрами скандия (II). Гидрид скандия изучен недостаточно, хотя, по-видимому, он не является солевым гидридом Sc (II). Как наблюдается для большинства элементов, двухатомный гидрид скандия наблюдался спектроскопически при высоких температурах в газовой фазе. Бориды и карбиды скандия нестехиометричны , что характерно для соседних элементов.

Более низкие степени окисления (+2, +1, 0) наблюдались также в органоскандиевых соединениях.

История

Дмитрий Менделеев , которого называют отцом периодической таблицы , предсказал существование элемента экаборон с атомной массой от 40 до 48 в 1869 году. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в минералах эвксените и гадолините в 1879 г. Нильсон приготовил 2 грамма оксида скандия высокой чистоты. Он назвал элемент скандий от латинского Scandia, что означает «Скандинавия». Нильсон, очевидно, не знал о предсказании Менделеева, но Пер Теодор Клев узнал переписку и уведомил Менделеева.

Металлический скандий был произведен в первый раз в 1937 году путем электролиза в виде эвтектической смеси калия , лития и хлоридов скандия , при 700-800 ° С . Первый фунт металлического скандия чистотой 99% был произведен в 1960 году. Производство алюминиевых сплавов началось в 1971 году после получения патента в США. Алюминиево-скандиевые сплавы также были разработаны в СССР .

Лазерные кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната (GSGG) использовались в стратегических оборонных приложениях, разработанных для Стратегической оборонной инициативы (SDI) в 1980-х и 1990-х годах.

Красные звезды-гиганты возле Галактического центра

В начале 2018 года на основе данных спектрометра были собраны свидетельства значительного содержания скандия, ванадия и иттрия в звездах красных гигантов в Ядерном звездном скоплении (NSC) в Центре Галактики . Дальнейшие исследования показали, что это была иллюзия, вызванная относительно низкой температурой (ниже 3500 К) этих звезд, маскирующей сигналы обилия, и что это явление наблюдалось у других красных гигантов.

Приложения

Детали МиГ-29 изготовлены из сплава Al-Sc.

Добавление скандия к алюминию ограничивает рост зерен в зоне нагрева сварных алюминиевых компонентов. Это имеет два положительных эффекта: осажденный Al
3
Sc
образует более мелкие кристаллы, чем в других алюминиевых сплавах , и объем зон без выделений на границах зерен упрочняющихся при старении алюминиевых сплавов уменьшается. Al
3
Осадок Sc представляет собой когерентный осадок, который упрочняет алюминиевую матрицу за счет приложения полей упругой деформации, которые препятствуют перемещению дислокаций (т.е. пластической деформации). Al
3
Исключительно для этой системы
Sc имеет равновесную структуру сверхрешетки L1 2 . Тонкая дисперсия наноразмерного осадка может быть достигнута с помощью термообработки, которая также может упрочнить сплавы путем упрочнения. Последние разработки включают добавление переходных металлов, таких как Zr, и редкоземельных металлов, таких как Er, для образования оболочек, окружающих сферический Al.
3
Sc
осадок, уменьшающий укрупнение. Эти оболочки определяются коэффициентом диффузии легирующего элемента и снижают стоимость сплава из-за того, что меньшее количество Sc частично замещается Zr при сохранении стабильности и меньшем количестве Sc, необходимом для образования осадка. Это сделало Ала
3
Sc в
некоторой степени конкурирует с титановыми сплавами и имеет широкий спектр применений. Однако похожие по легкости и прочности титановые сплавы дешевле и используются гораздо шире.

Сплав Al
20
Ли
20
Mg
10
Sc
20
Ti
30
прочный, как титан, легкий, как алюминий, и твердый, как некоторая керамика.

Основное применение скандия по весу - это алюминиево-скандиевые сплавы для второстепенных компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности МиГ-21 Микояна-Гуревича и МиГ-29 .

Некоторые элементы спортивного инвентаря, изготовленные из легких и высококачественных материалов, изготовлены из скандий-алюминиевых сплавов, в том числе бейсбольные биты , палки для палаток, рамы и компоненты велосипедов . Палки для лакросса также изготавливаются из скандия. Американская компания-производитель огнестрельного оружия Smith & Wesson производит полуавтоматические пистолеты и револьверы с рамой из сплава скандия и цилиндрами из титана или углеродистой стали.

Стоматологи используют лазеры на иттрий-скандий-галлиевом гранате , легированном эрбием -хромом ( Er, Cr: YSGG ), для препарирования полостей и в эндодонтии.

Первые металлогалогенные лампы на основе скандия были запатентованы General Electric и производились в Северной Америке, хотя сейчас они производятся во всех основных промышленно развитых странах. Примерно 20 кг скандия (в виде Sc
2
О
3
) ежегодно используется в США для газоразрядных ламп высокой интенсивности. Металлогалогенные лампы одного типа , похожие на ртутные , изготавливаются из трииодида скандия и йодида натрия . Эта лампа белого света , источник с высоким индексом цветопередачи , что достаточно напоминает солнечный свет , чтобы обеспечить хорошее цветовое воспроизведение с ТВ - камерами. Во всем мире в металлогалогенных лампах / лампах используется около 80 кг скандия в год.

Радиоактивный изотоп 46 Sc используется в нефтеперерабатывающих заводах в качестве агента трассировки. Трифлат скандия - это каталитическая кислота Льюиса, используемая в органической химии .

Здоровье и безопасность

Элементарный скандий считается нетоксичным, хотя обширные испытания соединений скандия на животных не проводились. Средняя летальная доза (ЛД 50 ) уровни хлорида скандия для крыс, были определены , как 755 мг / кг для внутрибрюшинного и 4 г / кг для перорального введения. В свете этих результатов с соединениями скандия следует обращаться как с соединениями средней токсичности.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки