Характеристика 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.

Экабор

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.

Скандий

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): 21Sc - 21 p11 - +21; число протонов p11:21Sc - 21 p11; число электронов e: 21Sc - 21e; число нейтронов n10= Ar - Z = 65 - 21 = 44 - 44n10

Формула состава атома

6521Sc (21 p11; 44n10; 21e)состав ядра

Скандий находится в IV периоде; номер периода обозначает число энергетических уровней - 4.

Скандий расположен в побочной подгруппе. Следовательно, его валентные электроны будут находится на 4s- и 3d-подуровнях.

Электронная формула скандия

21Sc1s2 2s2 2p6 3s2 3p63d1 4s2[Ar]

или в виде сокращенной записи: [Ar] 3d14s2

Электронная формула в виде квантовых ячеек

21Sc [Ar]

Скандий - d - элемент. Электронное строение атома заканчивается s - электронами, поэтому элемент будет проявлять металлические свойства.
Формула высшего оксида - Sc2O3, 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 [Sc(H20) 6] 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;

Sc + 3 O2 = 2Sc203 + ~1500 кдж

Чистый оксид получается разложением гидроксида при нагревании:

Sc(OH) 3 Sc203 + 3H20

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 [Sc(OH) 6],

В кислотах гидроксид растворяется легко:

Sc(OH) 3 + 3 HN08 = Sc(N03) 3 + 3 H20

Скандий при нагревании легко реагирует с галогенами и другими неметаллами:

Sc + 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[Scr4], M² [Scr5], M³ [Scr6] (где Г-F, в меньшей степени, С1), а также аналогичные квасцам двойные Сульфаты M [Sc(S04) 2] и M³ [Sc(S04) 3] (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 ScH2, 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 Hf4+ и Sc3+ 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 45Sc. Искусственно получено еще 14 уже радиоактивных изотопов, из которых наиболее устойчив р-активный 46Sc, 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/мм² (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.

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