Скандій

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Скандій (Sc)
Атомний номер 21
Зовнішній вигляд
простої речовини
помірно м'ягкий,
сріблясто-білий метал
Scandium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
44,95591 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 162 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
630,8(6,54) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Ar] 3d1 4s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 144 пм
Радіус іона (+3e)72,3 пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,36
Електродний потенціал n/a
Ступені окиснення 3
Термодинамічні властивості
Густина 2,99 г/см³
Питома теплоємність 0,556 Дж/(K моль)
Теплопровідність 15,8 Вт/(м К)
Температура плавлення 1814 K
Теплота плавлення 15,8 кДж/моль
Температура кипіння 3104 K
Теплота випаровування 332,7 кДж/моль
Молярний об'єм 15,0 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки гексагональна
Період ґратки 3,310 Å
Відношення c/a 1,594
Температура Дебая n/a K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Скандійхімічний елемент з символом Sc та порядковим номером в Періодичній системі 21.

Загальний опис[ред.ред. код]

Сріблясто-білий метал, відноситься до групи перехідних металів, він іноді класифікується як рідкісноземельний елемент разом з ітрієм та лантаноїдами. Густина 3,020; tплав 1541 оС; tкип 2850 оС. Існує у двох кристалічних модифікаціях: α-Sc з гексагональною ґраткою типу магнію, β-Sc з кубічною об’ємноцентрованою ґраткою, температура переходу α↔β 1336 °C.

Його було відкрито у 1879 році за допомогою спектрального аналізу мінералів евксеніту та гадолініту зі Скандинавії.

Скандій присутній в більшості мінералів рідкісноземельних елементів та урану, але його видобувають з цих руд тільки на кількох заводах по всьому світу. Через низьку доступність і труднощі у отриманні металевого скандію, який вперше було виділено у 1937 році, тільки у 1970-х роках він став мати промислове значення. Позитивний ефект від легування скандієм алюмінієвих сплавів було відкрито в 1970-х роках, і його використання в таких сплавах залишається його єдиним значним використанням.

Властивості сполук скандію є проміжними між властивостями алюмінію та ітрію. Є деякі паралелі між поведінкою магнію і скандію, так само як між берилієм і алюмінієм. У хімічних сполуках елементу скандій проявляє валентність +3.

Історія[ред.ред. код]

Дмитро Менделєєв, творець періодичної системи, передбачив існування елемента "Екабор" з атомною масою між 40 і 48 в 1869 році. Ларс Фредрік Нільсон і його команда виявили цей елемент в мінералах евксеніт та гадолініт. Нільсон видобув 2 грами оксиду скандію високої чистоти.[1][2] Він назвав елемент Скандій, від латинської назви Scandia що означає "Скандинавія". Нільсон мабуть не знав про передбачення Менделєєва, але іншій хімік Пер Теодор Клеве підтвердив листування і передбачення Менделєєва.[3] Металевий скандій був отриманий вперше в 1937 році шляхом електролізу з евтектичних суміші, при 700-800 °C, в суміші хлоридів калію, літію та скандію.[4] Перший фунт 99% металічного скандію був отриманий в 1960 році. Використовувати скандій для легування алюмінієвих сплавів почали після 1971 року[5] Алюміній-скандієві сплави також вивчали в СРСР[6]

Поширення[ред.ред. код]

За поширеністю серед елементів у земній корі (кларком), скандій не є дуже рідкісним. Його кларк - приблизно від 18 до 25 ppm, що співставно із розповсюдженням кобальту (20–30 ppm). В інших вимірах - в земній корі за різними даними10-3-6•10-4 % (мас). Скандій за поширенням займає 35-е місце серед найпоширеніших в земній корі, та 23-є за поширенням елелемент на Сонці).[7] Однак, скандій є дуже розпиленим серед багатьох корисних копалин (мінералів[8] [9], вугілля, торфу та сланців) Рідкісні мінерали зі Скандинавії та Мадагаскару[10] , такі як тортвейтит, евксеніт, та гадолініт є єдиними природними джерелами концентрованого скандію. Тортвейтіт може містити до 45% скандію у формі оксиду скандію (землі "скандіа").[9]

Понад 100 мінералів містять від 0,001 до 0,6% Sc2O3.

Ізотопи[ред.ред. код]

У природі скандій міститься виключно у вигляді ізотопу 45Sc, що має спін ядра 7/2. Тринадцять радіоізотопів було описано, найбільш стабільний з яких 46Sc з періодом напівжиття 83,8 діб, 47Sc з періодом піврозпаду 3,35 діб, та 48Sc з періодом піврозпаду 43,7 годин. Всі інші радіоактивні ізотопи мають період піврозпаду менш ніж 4 годин, більшість - менш ніж 2 хвилини. Цей елемент має також п'ять ядерних ізомерів найбільш стабільний з яких 44mSc (t½ = 58,6 h).[11]

Ізотопи скандію в діапазоні атомних мас 36Sc — 60Sc. Основним шляхом розпаду ізотопів з масою менш ніж у природного стабільного ізотопу 45Sc, є K-захоплення, а основним видом розпаду ізотопів, важчих за 45-й є бета-розпад. Зазвичай, продуктом розкладу ізотопів з вагою меншою 45Sc є ізотопи кальцію а продуктом розкладу ізотопів з вагою більшою 45Sc є ізотопи титану.[11]

Одержання[ред.ред. код]

Одержання скандію базується на попутному його вилученні у вигляді оксидів при гідро- і пірометалургійній переробці деяких – вольфрамітових, каситеритових, рідкісноземельних (евксенітових, ксенотимових і інш.), частково уранових (давидитових, бранеритових) концентратів, а також фосфатизованих кісткових залишків. Вміст Sc2O3 у фосфоритах доходить до 0,04%; крім того, він нагромаджується в золі кам'яного вугілля. С. може бути добутий попутно при переробці титаномагнетитових і цирконових концентратів, з відходів виробництва алюмінію і золи вугілля. Рентабельно вилучати його з відходів переробки вольфрамітових концентратів при вмісті в них 0,04-0,05 % Sc, а також з шлаків від переробки каси¬теритових концентратів при вмісті в них 0,1% Sc. При цьому кількість цирконію не повинна перевищувати 0,3%.

Виробництво[ред.ред. код]

У середині ХХ ст. виробництво і споживання скандію не перевищувало перших сотень кг. Різке його збільшення відмічається з 1980-х років. Найбільші країни-споживачі скандію: США, Японія, Франція.

Сучасне світове виробництво скандію знаходиться на рівні 2 тонни на рік у вигляді оксиду скандію. За часи холодної війни у Росії накопичився значний запас первинного скандію. У 2003 році тільки три родовища, поставляли скандій: уранові і залізні рудники у м. Жовті Води в України, родовища рідкісних земель у Баян Про, Китай і апатитових шахтах на Кольському півострові, Росія. У будь якому разі, зазвичай, скандій є побічним продуктом при видобуванні інших елементів [12] і продається у вигляді окису скандію. Виробництво металевого скандію знаходиться в близько 10 кг на рік.[12][13] Подібно до рідкісноземельних металів скандій після дещо складного процесу відділення від попутних елементів, переводять у оксид скандію, потім за допомогою HF у флуорид. Після чого відновлюють кальцієм. Решту кальцію із сплаву відганяють у вакуумі, та отримують чистий скандій. Лише Мадагаскар та регіон Івланд, Норвегія мають родовища корисних копалин з високим вмістом скандію, тортвейтиту (Sc, Y)2 (Si2O7) і кольбекіту ScPO4·2Н2О, але вони не експлуатуються.[13]

За умов відсутності надійної, безпечної, стабільної та довгострокової перспективі виробництва, обмежує комерційне застосування скандію. Незважаючи на низький рівень використання, скандій забезпечує значні перспективи використання. Особливо перспективним є легування алюмінієвих сплавів 0,5%-ами скандію, що значно підвищує експлуатаційні якості матеріалу. Ринковий попит на кубічний діоксид цирконію, стабілізований скандієм постійно зростає, так як використовується у якості електроліту високої ефективності в твердотілих оксидних паливних елементів.

Аналітичні реакції[ред.ред. код]

Скандій як елемент, що не має хромофорних властивостей має малу кількість хімічних реакцій для його якісного визначення. На зараз не відомо жодної аналітичної реакції, яка б давала можливість легко та надійно визначити скандій на фоні суміші інших елементів. Найбільше значення для якісного відкриття скандію мають наступні реакції:

  • З Алізариновим червоним S, пурпурином та хінізаріном скандій утворює забарвлені комплекси. Варіюючи pH середовища, та використовуючи різницю в кольорах комплексів, ці барвники дозволяють виявити скандій на фоні великої кількості таких елементів як Y, La, Ce, Al, Zr, Th.
  • З "реагентом-ДОТРІХАФ" було розроблено метод експрес-визначення скандію, оскільки він є найбільш селективним із багатьох досліджених.
  • З саліцілальсемікарбазоном та деякими іншими реагентами скандій утворює комплекси, що легко піддаються екстракції та інтенсивно флуоресціюють. Реакції не мають високої селективності. Тому застосовуються у комбінації з методом тонкошарової та паперової хроматографії.
  • Феніларсонова кислота утворює осад із скандієм у оцтовокислому середовищі. Осад розчиняється у мінеральних кислотах, на відміну від феніларсонатів Ti, Zr, Hf, Sn. Таким чином, скандій можна виявити у присутності цих елементів. Для якісного відкриття скандію використовуються інші реагенти та методи.

Кількісне визначення скандію проводиться за допомогою титриметричних, гравіметричних та інших хімічних методів після відокремлення скандію від інших елементів. Але зараз перевага віддається спектрометричним методам аналізу на скандій.

[14]

Застосування[ред.ред. код]

Деякі частини МІГ-29 зроблені зі зплаву Al-Sc.[15]

Додавання скандію до алюмінію обмежує надмірне зростання металевого зерна у зоні нагріву у зварних частинах з алюмінієвих сплавів. Це має наслідком два наступних позитивних ефекти: осадження інтерметаліду Al3Sc забезпечує формування менших кристалів у сплаві Al-Sc ніж у інших сплавах алюмінію[15] та зниження об'єму міжкристалічних зон[15] Обидва ці ефекти підвищують експлуатаційні якості сплавів. Однак, сплави титану, подібні за вагою та міцністю, є більш дешеві та використовуються ширше.[16]

Основне застосування скандію (якщо рахувати за вагою використаного металу) в алюмінієвих сплавах для деяких компонентів аерокосмічної промисловості. Ці сплави містять від 0,1% до 0,5% скандію. Вони використовувалися в російських військових літаках, зокрема, МіГ-21 та МіГ-29.[15]

Деякі елементи спортивного обладнання, які потребують використання високоміцних матеріалів, іноді виробляють зі скандій-алюмінієвих сплавів, у тому числі бейсбольні бити,[17] та велосипедні[18] рами та інші деталі. Американська компанія-виробник вогнепальної зброї Smith & Wesson виробляє револьвери з корпусом зі сплаву скандію та циліндрами з титану або з вуглецевої сталі.[19][20]

Приблизно 20 kg (у вигляді Sc2O3) скандію використовується щорічно в США для виробництва газорозрядних ламп високої інтенсивності .[21] Йодид скандію, разом із йодидом натрію, додають у спеціальний тип ртутних ламп, так званих метало-галогенних ламп. Ця лампа є джерелом білого світла з високим індексом передачі кольору, що досить нагадує сонячне світло та забезпечує гарну передачу кольору телекамера.[22] Приблизно 80 кг скандію на рік використовується для створення таких ламп (загалом по світу). Перші метало-галогенні лампи на основі скандію було запатентовано General Electric і спочатку вироблялися у Північній Америці, хоча вони зараз виробляються у всіх великих промислово розвинених країнах. Радіоактивний ізотоп 46Sc використовується у нафтопереробній промисловості як маркірувальний агент.[21] Тріфлат (трифторметансульфонат) скандію є Кислотою Льюїса та використовується як каталізатор у органічному синтезі.[23]

Здоров'я та безпека[ред.ред. код]

Скандій вважається нетоксичним і було проведено досить мало випробувань його сполук на тваринах.[24] Летальна доза (LD50) для хлориду скандію(III) для щурів були визначені як 4 мг/кг при внутрибрюшинному введенні та 755 мг/кг при оральному.[25] У світлі цих результатів сполуки скандію повинні розглядатися як з'єднання слабкої токсичності.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Nilson, Lars Fredrik Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac // Comptes Rendus, 88 (1879) С. 642–647.
  2. Nilson, Lars Fredrik Ueber Scandium, ein neues Erdmetall // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 12 (1879) (1) С. 554–557. — DOI:10.1002/cber.187901201157.
  3. Cleve, Per Teodor Sur le scandium // Comptes Rendus, 89 (1879) С. 419–422.
  4. Fischer Werner, Brünger, Karl; Grieneisen, Hans Über das metallische Scandium // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 231 (1937) (1–2) С. 54–62. — DOI:10.1002/zaac.19372310107.
  5. "Aluminum scandium alloy" Burrell, A. Willey Lower U.S. Patent 3 619 181 1971
  6. Zakharov V. V. Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys // Metal Science and Heat Treatment, 45 (2003) (7/8). — DOI:10.1023/A:1027368032062.
  7. Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. с. 4–28. ISBN 9780849304859. 
  8. Bernhard, F. (2001). «Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria». Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema. ISBN 9026518463. 
  9. а б Kristiansen Roy Scandium – Mineraler I Norge // Stein, (2003) С. 14–23. Архівовано з джерела 8 жовтня 2010.
  10. von Knorring O., Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa // Geological Journal, 22 (1987). — DOI:10.1002/gj.3350220619.
  11. а б Audi Georges The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties // Nuclear Physics A, 729 Atomic Mass Data Center (2003) С. 3–128. — Bibcode:2003NuPhA.729....3A. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  12. а б Deschamps, Y. «Scandium». mineralinfo.com. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2008-10-21. 
  13. а б «Mineral Commodity Summaries 2008: Scandium». United States Geological Survey. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2008-10-20. 
  14. Л. Н. Комиссарова. Неорганическая и аналитическая химия скандия. - Едиториал УРСС, 2006г. - ISBN 5-8360-0533-8
  15. а б в г Ahmad Zaki The properties and application of scandium-reinforced aluminum // JOM, 55 (2003) (2). — Bibcode:2003JOM....55b..35A. — DOI:10.1007/s11837-003-0224-6.
  16. Schwarz, James A.; Contescu, Cristian I.; Putyera, Karol (2004). Dekker encyclopédia of nanoscience and nanotechnology, Volume 3. CRC Press. с. 2274. ISBN 0824750497. 
  17. Bjerklie Steve A batty business: Anodized metal bats have revolutionized baseball. But are finishers losing the sweet spot? // Metal Finishing, 104 (2006) (4). — DOI:10.1016/S0026-0576(06)80099-1.
  18. «Easton Technology Report : Materials / Scandium». EastonBike.com. Архів оригіналу за 2008-11-14. Процитовано 2009-04-03. 
  19. James, Frank (15 December 2004). Effective handgun defense. Krause Publications. с. 207–. ISBN 9780873498999. Процитовано 8 June 2011. 
  20. Sweeney, Patrick (13 December 2004). The Gun Digest Book of Smith & Wesson. Gun Digest Books. с. 34–. ISBN 9780873497923. Процитовано 8 June 2011. 
  21. а б Hammond, C.R. in CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th ed., Section 4; The Elements
  22. Simpson, Robert S. (2003). Lighting Control: Technology and Applications. Focal Press. с. 108. ISBN 9780240515663. 
  23. Kobayashi Shu, Manabe, Kei Green Lewis acid catalysis in organic synthesis // Pure Appl. Chem., 72 (2000) (7) С. 1373–1380. — DOI:10.1351/pac200072071373.
  24. Horovitz, Chaim T.; Birmingham, Scott D. (1999). Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer. ISBN 9780306456572. 
  25. Haley Thomas J., Komesu, L.; Mavis, N.; Cawthorne, J.; Upham, H. C. Pharmacology and toxicology of scandium chloride // Journal of Pharmaceutical Sciences, 51 (1962) (11). — DOI:10.1002/jps.2600511107. — PMID:13952089.

Література[ред.ред. код]