Scandium | |||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Calcium | Titan → | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||
Udseende af et simpelt stof | |||||||||||||||||||||||||||||||||
skandium prøve | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Atom egenskaber | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Navn, symbol, nummer | Scandium / Scandium (Sc), 21 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe , punktum , blok |
3 (forældet 3), 4, d-element |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Atommasse ( molær masse ) |
44.955912(6) [1] a. e. m. ( g / mol ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronisk konfiguration |
[Ar] 3d 1 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius | 162 kl | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Kemiske egenskaber | |||||||||||||||||||||||||||||||||
kovalent radius | 144 kl | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waals radius | 211 kl | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Ion radius | (+3e) 72.3 kl | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativitet | 1,36 (Pauling-skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrodepotentiale | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationstilstande | 0, +3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Ioniseringsenergi (første elektron) |
630,8 (6,54) kJ / mol ( eV ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Termodynamiske egenskaber af et simpelt stof | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Tæthed ( i.a. ) | 2,99 g/cm³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Smeltetemperatur | 1814 K ; 1540,85°C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Kogetemperatur | 3 110 K ; 2836,85°C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. fusionsvarme | 15,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. fordampningsvarme | 332,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Molær varmekapacitet | 25,51 [2] J/(K mol) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Molært volumen | 15,0 cm³ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Krystalgitteret af et simpelt stof | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Gitterstruktur | Sekskantet (α-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Gitterparametre | a=3,309 c=5,268 (a-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
c / a -forhold | 1.592 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Andre egenskaber | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Varmeledningsevne | (300 K) 15,8 W/(m K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS nummer | 7440-20-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
længst levede isotoper | |||||||||||||||||||||||||||||||||
|
21 | Scandium |
sc44,9559 | |
3d 1 4s 2 |
Scandium ( kemisk symbol - Sc , fra lat. Sc andium ) er et kemisk grundstof af den 3. gruppe (ifølge den forældede klassifikation - en sideundergruppe af den tredje gruppe, IIIB) i den fjerde periode af det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev , med atomnummer 21.
Det simple stof scandium er et let overgangsmetal af sjældne jordarters sølvfarve med en karakteristisk gul nuance . Det findes i to krystallinske modifikationer: α-Sc med et sekskantet gitter af magnesiumtypen , β-Sc med et kubisk kropscentreret gitter , overgangstemperatur α↔β 1336 °C [2] .
Scandium er et monoisotopisk grundstof med kun én stabil isotop , scandium-45 , der findes i naturen .
Det gennemsnitlige indhold af skandium i jordskorpen er 10 g/t. Yttrium, lanthan og lanthanider er i kemiske og fysiske egenskaber tæt på skandium. I alle naturlige forbindelser udviser scandium såvel som dets analoger aluminium, yttrium, lanthan en positiv valens svarende til tre, derfor deltager det ikke i redoxprocesser. Scandium er et sporstof og findes i mange mineraler. Der er 2 kendte skandiummineraler: tortveitit (Sc, Y) 2 Si 2 O 7 (Sc 2 O 3 op til 53,5%) og sterrettit ( colbeckit Sc[PO 4 ] 2H 2 O (Sc 2 O 3 op til 39,2 Relativt. lave koncentrationer blev fundet i cirka 100 mineraler.
På grund af det faktum, at skandiums egenskaber er tæt på Mg , Al , Ca , Mn 2+ , Fe 2+ , TR ( sjældne jordarters grundstoffer ), Hf , Th , U , Zr , dissiperes dets hovedmasse i mineraler indeholdende disse elementer. Der er en isovalent substitution af scandium for elementer fra TR-gruppen, især i i det væsentlige yttriummineraler ( xenotime , Sc-Y-associationen i tortveitit og substitutionen af Al i beryl ). Den heterovalente erstatning af Fe 2+ og magnesium i pyroxener , amfiboler, olivin og biotit med scandium er bredt udviklet i basiske og ultrabasiske bjergarter, og udskiftningen af zirconium sker i de sene stadier af den magmatiske proces og i pegmatitter.
De vigtigste scandiumbærermineraler er: fluorit (op til 1 % Sc 2 O 3 ), baddeleyit (op til 0,35 %), kassiterit (0,005-0,2 %), wolframit (0-0,4 %), ilmenorutil (0 , 0015-0,3 %). % ) . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ På nuværende tidspunkt (2021) kendes 21 mineraler, som er scandiumets egen fase: allendeit , bazzit (scandium beryl, 3–14,44%) , bonacinaite , kaskandite , davisite , eringaite , heftetjernite , gervisite , enaite , campelite , kangit kolbekit , christiansenit , nioboheftetjernit , ophthedalite , panguite , pretulit , scandiobabingtonite , tortveite , shahdaraite- (Y ) , warkite . Under dannelsen af magmatiske bjergarter og deres venederivater spredes scandium i sin hovedmasse hovedsageligt i mørkfarvede mineraler af magmatiske bjergarter og er let koncentreret i individuelle mineraler af postmagmatiske formationer. De højeste (30 g/t Sc 2 O 3 ) koncentrationer af skandium er forbundet med ultramafiske og basiske bjergarter, hvor hovedrollen spilles af jern-magnesianske mineraler ( pyroxen , amfibol og biotit ). I bjergarter af mellemsammensætning er det gennemsnitlige indhold af Sc 2 O 3 10 g/t, i sure bjergarter er det 2 g/t. Her er scandium også spredt i mafiske mineraler ( hornblende , biotit) og etableres i muskovit , zircon og sphen . Koncentrationen i havvand er 0,00004 mg/l [3] . Scandium er også til stede i kul , og til udvinding heraf er det muligt at forarbejde højovnsjernstøberislagger, som er startet i de senere år i en række udviklede lande.
Grundstoffet blev forudsagt af D. I. Mendeleev (som ekabor) i en artikel dateret 11. december (29. november, gammel stil) 1870 [4] , og opdaget i 1879 af den svenske kemiker Lars Nilsson . Nilsson opkaldte grundstoffet efter Skandinavien ( latin: Scandia ).
Scandium er et let , sølvfarvet metal med en karakteristisk gul nuance. Det eksisterer i to krystallinske modifikationer: α-Sc med et hexagonalt magnesium-type gitter (a=3,3085 Å; c=5,2680 Å; z=2; rumgruppe P6 3 /mmc ), β-Sc med et kubisk kropscentreret gitter , temperatur α↔β overgang 1336 °C, ΔH overgang 4,01 kJ/mol. Smeltepunkt 1541 °C, kogepunkt 2837 °C. Scandium er et blødt metal, med en renhed på 99,5% og højere (i fravær af O 2 ) og kan let bearbejdes [2] .
De kemiske egenskaber af scandium ligner dem for aluminium. I de fleste forbindelser udviser scandium en oxidationstilstand på +3. Et kompakt metal i luft er dækket fra overfladen med en oxidfilm. Når den opvarmes til rød varme, reagerer den med fluor, ilt, nitrogen, kulstof, fosfor. Ved stuetemperatur reagerer det med klor, brom og jod. Reagerer med fortyndede stærke syrer; koncentrerede oxiderende syrer og HF passiveres. Reagerer med koncentrerede alkaliske opløsninger.
Sc 3+ ionen er farveløs, diamagnetisk, koordinationstallet i vandige opløsninger er 6. Som i tilfældet med aluminium er scandiumhydroxid amfotert og opløses både i et overskud af syrer og i et overskud af alkalier; reagerer ikke med fortyndet ammoniakopløsning. Scandiumchlorid, bromid, iodid og sulfat er meget opløselige i vand, opløsningen har en sur reaktion på grund af delvis hydrolyse, mens hydreringen af vandfri salte ledsages af en hurtig frigivelse af varme. Scandiumfluorid og fosfat er uopløselige i vand, men fluorid vil opløses i nærværelse af et overskud af fluoridioner til dannelse af ScF 6 3- . Carbid, nitrid, phosphid, sulfid og scandiumcarbonat hydrolyseres fuldstændigt af vand. Organiske skandiumforbindelser er termisk relativt stabile, men reagerer voldsomt med vand og luft. De er hovedsageligt bygget med Sc-C σ-bindinger og er repræsenteret af alkylderivater og polymere cyclopentadienider.
Forbindelser med de laveste oxidationstilstande af scandium (+2, +1, 0) er også kendte. En af de enkleste er det mørkeblå faste stof CsScCl3 . I dette stof præsenteres bindinger mellem skandiumatomer [5] . Scandiummonohydrid ScH er observeret spektroskopisk ved høje temperaturer i gasfasen [6] . Også de laveste oxidationstilstande af scandium blev fundet i organometalliske forbindelser [7] [8] [9] [10] .
Scandium udvindes som et biprodukt ved udvinding af andre mineraler.
Omkring 90 % af verdens skandiumproduktion produceres på Bayan-Obo- forekomsten (Kina). Scandiumreserverne på forekomsten er anslået til 140 tusinde tons Scandium er her hovedsageligt koncentreret i aegirine , hvor dets gennemsnitlige indhold er 210 g/t. Det er et biprodukt i udvindingen af jern og sjældne jordarter .
Andre væsentlige skandiumaflejringer:
Tortveitit-bærende pegmatitter er kendt i Madagaskar (Befanamo- og Berero-regionerne, delvist udvundet før 1950'erne) og i USA ( Ravalli County, Montana). [11] Scandium er også til stede i kul , og formodentlig er det for dets udvinding muligt at behandle højovnsjernstøberislagger.
I 1988 var produktionen af scandiumoxid i verden:
Land | Produktionsvolumen, ikke mindre end, kg/år |
---|---|
Kina | halvtreds |
Frankrig | 100 |
Norge | 120 |
USA | 500 |
Japan | tredive |
Kasakhstan | 700 |
Ukraine | 610 |
Rusland | 958 |
Scandium kan kaldes et metal fra det 21. århundrede , og en kraftig stigning i dets produktion, prisvækst og efterspørgsel forudsiges på grund af forarbejdning af en enorm mængde kul (især forarbejdning af russisk kul) til flydende brændstof.
I 2015-2019 den gennemsnitlige pris var $107-$134 pr. gram metallisk scandium og $4-$5 pr. gram Sc 2 O 3 [16]
Anvendelsen af scandium i form af en mikrolegeringsurenhed har en væsentlig effekt på en række praktisk vigtige legeringer, f.eks. øger tilsætning af 0,4 % scandium til aluminium-magnesium-legeringer trækstyrken med 35 %, og flydespændingen vha. 65-84%, og samtidig forbliver den relative forlængelse på niveauet 20-27%. Tilsætningen af 0,3-0,67% til krom øger dets modstandsdygtighed over for oxidation op til en temperatur på 1290 ° C og har en lignende, men endnu mere udtalt effekt på varmebestandige legeringer af "nichrom"-typen, og i dette område brug af scandium er meget mere effektivt end yttrium. Scandiumoxid har en række fordele til fremstilling af højtemperaturkeramik i forhold til andre oxider, f.eks. øges styrken af scandiumoxid ved opvarmning og når et maksimum ved 1030°C, samtidig har scandiumoxid en minimum termisk ledningsevne og den højeste modstand mod termisk stød . Yttrium scandate er et af de bedste materialer til strukturer, der arbejder ved høje temperaturer. En vis mængde scandiumoxid forbruges konstant til produktionen af germanate briller til optoelektronik.
Hovedanvendelsen af scandium med hensyn til volumen er dets anvendelse i aluminium-scandium legeringer, der anvendes i sportsudstyr (motorcykler, cykler, baseballbat osv.) og flykonstruktion - hvor som helst højstyrke materialer er påkrævet. Når det er legeret med aluminium, giver scandium yderligere styrke og duktilitet.
For eksempel øger legering af en aluminium-magnesiumlegering AMg6 med scandium i fravær af yderligere hærdning trækstyrken fra 32 til 36 kgf / mm 2 , og flydespændingen - fra 16 til 24 kgf / mm 2 (efter 30% hærdning , de samme indikatorer er henholdsvis 42 og 33 kgf/mm 2 for AMg6NPP versus 45 og 36 kgf/mm 2 for legering 01570N) [17] . Til sammenligning er trækstyrken af rent scandium omkring 400 MPa (40 kgf/mm 2 ), for titanium, for eksempel, 250-350 MPa, og for ulegeret yttrium, 300 MPa. Brugen af scandiumlegeringer i luftfart og civil raket vil reducere transportomkostningerne betydeligt og dramatisk øge driftssystemernes pålidelighed, mens det samtidig med et fald i priserne på scandium og dets anvendelse til produktion af bilmotorer vil også øge deres ressourcer og delvist effektivitet betydeligt. Det er også meget vigtigt, at scandium styrker hafnium -doterede aluminiumslegeringer .
Et vigtigt og praktisk talt uudforsket anvendelsesområde for scandium er det faktum, at doping af rent aluminium med scandium ligesom aluminiumsdoping med yttrium også øger ledningernes elektriske ledningsevne. , og effekten af skarp hærdning har store udsigter til brugen af en sådan legering til transmission af elektricitet (krafttransmissionsledninger). Scandium-legeringer er de mest lovende materialer i produktionen af styrede missiler. En række specielle scandium-legeringer, scandium-bundne kompositter er meget lovende inden for cyborg -skeletdesign . I de senere år er scandiums (og delvist yttrium og lutetium) vigtige rolle blevet afsløret i produktionen af nogle sammensætningsmæssigt superstærke martensionsstål , hvoraf nogle prøver har vist styrker på over 700 kg/mm 2 (over 7000 MPa).
Noget scandium bruges til at legere varmebestandige nikkel-chrom-jernlegeringer ( nichrom og fechral ) for dramatisk at øge levetiden, når det bruges som varmevikling til modstandsovne.
Scandium bruges til at fremstille superhårde materialer. Så f.eks. hæver legering af titaniumcarbid med scandiumcarbid mikrohårdheden (2 gange), hvilket gør dette nye materiale til det fjerde i hårdhed efter diamant (ca. 98,7-120 GPa), bornitrid ( borazon ), (ca. 77- 87 GPa), bor-carbon-silicium-legering (ca. 68-77 GPa), og betydeligt mere end borcarbid (43,2-52 GPa), siliciumcarbid (37 GPa). Mikrohårdheden af en legering af scandiumcarbid og titaniumcarbid er omkring 53,4 GPa (for titaniumcarbid, for eksempel 29,5 GPa). Af særlig interesse er legeringer af scandium med beryllium , som har unikke egenskaber med hensyn til styrke og varmebestandighed.
Så f.eks. har scandium beryllide (1 atom af scandium og 13 atomer af beryllium) den højeste gunstige kombination af tæthed, styrke og højt smeltepunkt, og er velegnet til rumfartsteknik i mange henseender og overgår i denne henseende den bedste titanium- baseret legeringer kendt af menneskeheden, og en række kompositmaterialer (herunder en række materialer baseret på kulstof og bor filamenter).
Scandiumoxid (smeltepunkt 2450 °C ) spillede en vigtig rolle i produktionen af supercomputere: ferriter med lav induktion, når de bruges i informationslagringsenheder kan øge dataudvekslingshastigheden flere gange på grund af et fald i resterende induktion fra 2-3 kGauss til 0, 8-1 kGauss.
Omkring 80 kg scandium (som en del af Sc 2 O 3 ) om året bruges til at producere højintensive belysningselementer . Scandiumiodid tilsættes kviksølvgaslamper, som producerer meget realistiske kilder til kunstigt lys, tæt på sollys, som giver god farvegengivelse ved optagelse på et fjernsynskamera.
Den radioaktive isotop 46 Sc (halveringstid 83,83 dage) bruges som et "mærke" i olieraffineringsindustrien til at kontrollere metallurgiske processer og strålebehandling af kræftsvulster.
Scandium-47 isotopen (halveringstid 3,35 dage) er en af de bedste kilder til positroner.
I den nukleare industri bruges scandiumhydrid og deuterid med succes - fremragende neutronmoderatorer og et mål (booster) i kraftige og kompakte neutrongeneratorer.
Scandiumdiborid (smeltepunkt 2250 °C) bruges som en komponent i varmebestandige legeringer såvel som et materiale til katoder af elektroniske enheder. Scandium beryllide bruges i atomindustrien som neutronreflektor, og især dette materiale, såvel som yttrium beryllide, er blevet foreslået som neutronreflektor i konstruktionen af en atombombe.
Scandiumoxid kan spille en vigtig rolle i medicin ( proteser af høj kvalitet ).
Scandium bruges i højtemperatur superledningsudstyr, lasermaterialeproduktion (SHGG). Gallium-scandium-gadolinium granat (GSHG), når det var dopet med krom- og neodymioner , gjorde det muligt at opnå 4,5 % effektivitet og registrere parametre i frekvenstilstanden til at generere ultrakorte impulser, hvilket skaber meget optimistiske forudsætninger for at skabe superkraftige lasersystemer for at producere termonukleare mikroeksplosioner, der allerede er baseret på ren deuterium (inertial fusion) i den nærmeste fremtid. Det forventes f.eks[ af hvem? ] at lasermaterialer baseret på HSHG og scandiumborater i de næste 10-13 år vil tage en ledende rolle i udviklingen og udstyringen af aktive forsvars-lasersystemer til fly og helikoptere i udviklede lande, og sideløbende hermed vil udviklingen af storskala termonuklear kraftteknik ved hjælp af helium-3, i blandinger med helium-3, er der allerede opnået en termonuklear lasermikroeksplosion.
Scandiumoxid i en legering med holmiumoxid anvendes til fremstilling af siliciumbaserede fotokonvertere som belægning. Denne belægning har et bredt gennemsigtighedsområde (400–930 nm), og reducerer den spektrale lysreflektionskoefficient fra silicium til 1–4 %, og når den påføres en sådan modificeret fotocelle, øges kortslutningsstrømmen med 35–70 %, hvilket , til gengæld, giver dig mulighed for at øge udgangseffekten af fotokonvertere med 1,4 gange.
Scandium chromite bruges som et af de bedste og mest holdbare materialer til fremstilling af elektroder til MHD generatorer; præoxideret krom tilsættes den keramiske hovedmasse og sintres, hvilket giver materialet øget styrke og elektrisk ledningsevne. Sammen med zirconiumdioxid som et elektrodemateriale til MHD-generatorer har scandiumchromit en højere modstandsdygtighed over for erosion af cæsiumforbindelser (brugt som et plasmadannende additiv).
Scandium er meget udbredt til fremstilling af flerlags røntgenspejle (sammensætninger: scandium-wolfram, scandium-chrom, scandium-molybdæn). Scandium telluride er et meget lovende materiale til fremstilling af termoelementer (høj termisk emf, 255 μV/K, lav densitet og høj styrke).
I de senere år har ildfaste legeringer (intermetalliske forbindelser) af scandium med rhenium (smeltepunkt op til 2575 ° C), ruthenium (smeltepunkt op til 1840 ° C), jern (smeltepunkt op til 1600 ° C), ( varmebestandighed, moderat tæthed osv.).
Scandiumoxid (smeltepunkt 2450 °C) spiller en vigtig rolle som et særligt ildfast materiale i produktionen af stålstøbningsdyser til udstøbning af højlegeret stål; med hensyn til stabilitet i en flydende metalstrøm overgår scandiumoxid alle kendte og brugte materialer (for eksempel den mest stabile yttriumoxid ringere end scandiumoxid med 8,5 gange) og på dette område, kan man sige, uerstattelige. Dens udbredte anvendelse hindres kun af en meget høj pris, og til en vis grad er en alternativ løsning på dette område brugen af yttriumskandater forstærket med aluminiumoxid-whiskers for at øge styrken), samt brugen af scandiumtantalat.
Scandiumoxid spiller en vigtig rolle i produktionen af cubic zirconia, hvor det er den bedste stabilisator.
Scandiumborat, samt yttriumborat, anvendes i den radioelektroniske industri som matrix for fosfor.
Scandium spiller ingen biologisk rolle [18] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Scandium forbindelser | |
---|---|
|
Periodisk system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Elektrokemisk aktivitet serie af metaller | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |