Скандий металл или неметалл

Обновлено: 03.05.2024

Sc, химический элемент III группы периодической системы Менделеева: атомный номер 21, атомная масса 44,9559; лёгкий металл с характерным жёлтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом. Известен один природный стабильный изотоп 45 Sc. Из 10 искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46 Sc с периодом полураспада 84 сут. С. был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 и выделен в 1879 Л. Ф. Нильсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Распространение в природе. Среднее содержание С. в земной коре (кларк) 2,2․10 -3 % по массе. В горных породах содержание С. 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 . С. концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала С. — тортвейтит и стерреттит; они встречаются чрезвычайно редко. В целом С. — типичный рассеянный элемент (См. Рассеянные элементы), слабый мигрант (см. также Рассеянных элементов руды). Содержание С. в морской воде 4․10 -5 г/л.

Физические и химические свойства. С. существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решёткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С — β-модификация с кубической объёмноцентрированной решёткой. Плотность С. в а-форме при 25 °С 3,020 г/см 3 , атомной радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75 Å, t_пл 1539 ± 5 °С, t_kип 2700 °C, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоёмкость 25,158 кдж/(кг . К) [6,01 ккал/ (г․°С)], удельное электрическое сопротивление (54—70,7) . 10 -6 ом․см, С. слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236-10 -6 (20 °С). Sc — первый переходный элемент с одним 3d электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d 1 4s 2 .

По хим. поведению сходен с др. переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti 3+ , Fe 3+ , Мп 3+ ), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам (См. Редкоземельные элементы). На воздухе покрывается защитной окисной плёнкой толщиной до 600Ǻ, заметное окисление начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH₂, с азотом (600—800 °С) — нитрид ScN, с галогенами (400—600 °С) — соединения типа ScCI₃; С. 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 С. 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 С. практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO₃ и HF (1: 1). В воде соединения С. заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и pH среды, например Sc (CO₃) - ₂, Sc (SO₄) 3- ₃. Основные соли в растворе легко переходят в аморфную гидроокись.

Получение и применение. С. преимущественно в виде окислов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Окислы хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический С. (выход Скандий 99,5°о) 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. cm.) при 1600—1700 °С.

Масштабы применения С. весьма ограничены. Окись С. идёт на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46 Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы С., обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракето- и самолётостроении, а ряд соединений С. может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамических производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях.

Лит.: Борисенко Л. Ф., Скандий, М, 1961; Фаворская Л. В., Химическая технология скандия, А.-А., 1969; Коган Б. И., Названова В. А., Скандий, М., 1961; Справочник но редким металлам, пер. с англ., М., 1965; Vickery R. С., The chemistry of yttrium and scandium, Oxf., 1960.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

скандий

СКА́НДИЙ -я; м. Химический элемент (Sc), металл серого цвета, обладающий высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

(лат. Scandium), химический элемент III группы периодической системы, относится к редкоземельным элементам. Название от Скандинавского полуострова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см 3 , t_пл 1541°C. Компонент лёгких сплавов с высокими прочностью и коррозионной устойчивостью, катализатор высокотемпературной пара-орто-конверсии водорода, нейтронный фильтр в ядерной технике.

СКА́НДИЙ (лат. Scandium, в честь Скандинавии — родины Л. Ф. Нильсона), Sc (читается «скандий»), химический элемент с атомным номером 21, атомная масса 44,9559. Природный скандий состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 45. Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 1 4s 2 . Степени окисления +1, +2, +3 (валентность I, II, III). Скандий — редкоземельный элемент. Расположен в группе IIIВ периодической системы элементов, в 4-м периоде. Радиус атома 0,164 нм, радиус иона Sc 3+ 0,089 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации 6,562, 12,8, 24,8, 74,2, 93,9 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,3.
Первым существование скандия предположил в 1871 Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) . Он предложил название «экабор» и в журнале Русского химического общества описал некоторые свойства нового элемента. Открыт скандий был в 1879 шведским химиком Л. Ф. Нильсоном (см. НИЛЬСОН Ларс Фредерик) при исследовании иттербия (см. ИТТЕРБИЙ) . Первый образец чистого скандия (выше 94%) был получен в 1937.
Содержание скандия в земной коре 1·10 -3 % по массе. Sc — рассеянный элемент. Известно более 120 минералов, содержащих Sc. Наиболее важные собственные минералы Sc: баццит Sc₂Be₃Si₆O ₁₈ и эггонит ScPO ₄ ·2H₂O. В незначительных концентрациях Sc содержится в речных, подземных и морских водах. Обычно сопутствует вольфраму,олову, алюминию, титану и ванадию.
При получении скандия на отходы от переработки W, Sn, Al, Ti и V действуют кислотами или щелочами. Дальнейшую очистку Sc проводят экстракционными методами. Для глубокой очистки Sc перегоняют в глубоком вакууме. Металлический Sc получают методом кальцийтермического восстановления фторида скандия:
2ScF₃+3Ca=3CaF₂+2Sc
или его оксида: Sc₂O₃+3Ca=3CaO+2Sc
Скандий — серебристый металл с желтым отливом. До 1336°C устойчива a-модификация Sc с гексагональной решеткой типа решетки магния (см. МАГНИЙ) , а = 0,33085 нм, с = 0,52680 нм, плотность 2,989кг/дм 3 . Выше 1336°C устойчива b-модификация с кубической объемно центрированной решеткой. Температура плавления 1541°C, кипения 2837°C. На воздухе Sc при комнатной температуре устойчив, из-за плотной защитной оксидной пленки Sc₂O₃. Интенсивная реакция Sc с кислородом (см. КИСЛОРОД) начинается при 200—250°C. При взаимодействии Sc₂O₃ с щелочами и оксидами щелочноземельных металлов образуются скандиаты NaScO₂ или CaSc₂O_4. Оксид скандия образует смешанные оксиды 2Sc₂O₃·3ZrO₂.
Скандий при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) , водородом (см. ВОДОРОД) , азотом (см. АЗОТ) , серой (см. СЕРА) и фосфором (см. ФОСФОР) . Оксид Sc₂О₃ обладает слабоосновными свойствами, ему отвечает аморфное основание Sc(ОН)_3·nH₂O, кристаллический гидроксид Sc(ОН)₃ и ScО(OН). По свойствам гидроксиды скандия похожи на гидроксид алюминия. Хлорид скандия ScCl₃, нитрат Sc(NO₃)₃, перхлорат Sc(ClO₄)₃, сульфат Sc₂(SO₄)₃ и некоторые другие в водных растворах гидролизованы и выделяются из растворов в виде гидратов. Скандий используется как легирующая добавка. Оксид скандия применяют в производстве ферритов (см. ФЕРРИТЫ) , искусственных гранатов (см. ГРАНАТЫ (синтетические)) , как компонент керамических материалов. Ортофосфат скандия — основа флуоресцирующих составов.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Полезное

Смотреть что такое "скандий" в других словарях:

СКАНДИЙ — церитовый и гадолинитовый металл, из группы бора, открыт в 1879 г. Нильсоном. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. скандий (назв. по месту открытия scandi(navia)) хим. элемент, символ Sc (лат. scandium) … Словарь иностранных слов русского языка

СКАНДИЙ — (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541шC. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879 … Современная энциклопедия

СКАНДИЙ — (лат. Scandium) Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам. Назван от Скандинавского п ова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см³, tпл… … Большой Энциклопедический словарь

СКАНДИЙ — (символ Sc), серебристо белый элемент III группы периодической таблицы, металл. Был предсказан (под названием экабор) Д. МЕНДЕЛЕЕВЫМ. Открыт в 1879 г. Встречается в тортвейтите и в небольших количествах в других минералах. Является ковким… … Научно-технический энциклопедический словарь

Скандий — Sc (от лат. Scandia Cкандинавия * a. scandium; н. Skandium; ф. scandium; и. escandio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева; относится к редкоземельным элементам, ат.н. 21, ат. м. 44,9559. Природный C. представлен одним… … Геологическая энциклопедия

СКАНДИЙ — СКАНДИЙ, скандия, мн. нет, муж. (хим.). Редкий металл, не встречающийся в природе в свободном состоянии, а существующий только в окиси, имеющей вид белого порошка. (От названия полуострова Скандинавия.) Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 … Толковый словарь Ушакова

СКАНДИЙ — (Scandium), So, хим. элемент III группы периодич. системыэлементов, ат. номер 21, ат. масса 44,95591, редкоземельный элемент. Вприроде представлен одним стабильным нуклидом 45Sс. Конфигурациявнеш. электронных оболочек 3s2p6d14s2.Энергии… … Физическая энциклопедия

скандий — сущ., кол во синонимов: 3 • металл (86) • экабор (1) • элемент (159) Словарь синонимов ASIS. В.Н … Словарь синонимов

скандий — Sc Химический элемент, добывается из отходов производства напр. урана [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы Sc EN scandium … Справочник технического переводчика

Скандий — (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541°C. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

СКАНДИЙ — хим. элемент, символ Sc (лат. Scandium), ат. н. 21, ат. м. 44,96, относится к редкоземельным элементам; серебристый металл с характерным жёлтым отливом, плотность 3020 кг/м3, tпл = 1541 °С, проявляет достаточно высокую хим. активность. В природе… … Большая политехническая энциклопедия

Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом

Скандий / Scandium (Sc), 21

1,36 (шкала Полинга)

a=3,309 c=5,268 (α-Sc) Å

Ска́ндий (лат. Scandium ; обозначается символом Sc) — элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 21. Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния, β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C [1] .

Содержание

Нахождения в природе

Месторождения

Самые значительные месторождения тортвейтита (минерала, наиболее богатого скандием) расположены на Мадагаскаре и в Норвегии [2] .

История

Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-бор) и открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии.

Физические свойства

Скандий — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния (a=3,3085 Å; с=5,2680 Å; z=2; пространственная группа P6₃/mmc), β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C, ΔH перехода 4,01 кДж/моль. Температура плавления 1541 °C, температура кипения 2837 °C. Скандий — мягкий металл, с чистотой 99,5 % и выше (в отсутствие O₂) легко поддается механической обработке [1] .

Химические свойства

Геохимия и минералогия

Среднее содержание скандия в земной коре 10 г/т. Близки по химическим и физическим свойствам к скандию 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. Скандий является рассеянным элементом и входит в состав многих минералов. Собственно скандиевых минералов известно 2: тортвейтит (Sc, Y)₂ Si₂O₇ (Sc₂O₃ до 53,5 %) и стерреттит Sc[PO₄] • 2H₂O (Sc₂O₃ до 39,2 %). Относительно небольшие концентрации обнаружены примерно в 100 минералах. В связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn 2+ , Fe 2+ , TR (редкоземельным элементам), Hf, Th, U, Zr, главная масса его рассеивается в минералах, содержащих эти элементы. Имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc — Y в тортвейтите и замещение Al в берилле). Гетеровалентное замещение скандием Fe 2+ и магния в пироксенах, амфиболах, оливине, биотите широко развито в основных и ультраосновных породах, а замещение циркония — в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

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 %). 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. Наиболее высокие (30 г/т Sc₂O₃) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc₂O₃ 10 г/т, в кислых — 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене. Концентрация в морской воде 0,00004 мг/л [3] .

Получение

Следует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей и проблему разработки технологии извлечения скандия при переработке углей на искусственное жидкое топливо.

Мировые ресурсы скандия

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

— 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн; руды — 50 млн тонн в год, попутный скандий 50—500 тонн в год; — 2 млн тонн в год, попутный скандий 20—40 тонн в год; — попутный скандий около 30—70 тонн в год; — 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20—25 тонн в год; — 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5—12 тонн в год.

Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов, собственные его минералы (тортвейтит, джервисит) очень редки [4] .

Скандий присутствует в каменном угле и для его добычи можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков, которая была начата в последние годы в ряде развитых стран.

Производство и потребление скандия

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.

В 1988 году производство оксида скандия в мире составило:

Страна	Объём добычи, не менее, кг/год
Китай	50
Франция	100
Норвегия	120
США	500
Япония	30
Казахстан	700
Украина	610
Россия	958

Следует учесть колоссальные ресурсы скандия 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. Публикуемые в печати объёмы скандия/оксида скандия в США, Японии, Франции — это в большей степени вторичный металл и металл, закупленный на мировом рынке. 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.

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. Последние пять лет цены на металлический скандий на мировом рынке колеблются от 12 до 20 тыс. долл за один кг (время от времени наблюдаются резкие скачки цен на скандий и его оксид, мало объяснимые с точки зрения специалистов). [источник не указан 476 дней]

Применение

Скандий — моноизотопный элемент, в природе встречается только один стабильный изотоп 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 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. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 Мпа (40 кг/мм), у титана например 250—350 МПа, а у нелегированного иттрия 300 Мпа. 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. Очень важно и то обстоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированные гафнием. Важной и практически не изученной областью применения скандия является то обстоятельство что подобно легированию иттрием алюминия, легирование чистого алюминия скандием также повышает электропроводность проводов, и эффект резкого упрочнения имеет большие перспективы для применения такого сплава для транспортировки электроэнергии (ЛЭП). Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. Ряд специальных сплавов скандия, композитов на скандиевой связке весьма перспективен в области конструирования скелета киборгов. 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/мм 2 (свыше 7000 МПа).

Сверхтвёрдые материалы

Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость (в 2 раза), что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза (около 98,7 — 120 ГПа), нитрида бора (боразона), (около 77—87 ГПа), сплава бор-углерод-кремний (около 68—77 ГПа), и существенно больше чем у карбида бора(43,2 — 52 ГПа), карбида кремния (37 ГПа), микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около 53,4 ГПа (у карбида титана например 29,5 ГПа). 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 из-за снижения остаточной индукции с 2 — 3 КГаусс до 0,8 — 1 КГаусс.)

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.

Изотопы скандия

Радиоактивный 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 — прекрасный замедлитель 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). Галлий-скандий-гадолиниевый гранат при легировании его ионами хрома и неодима позволил получить 4,5 % КПД и рекордные параметры в частотном режиме генерации сверхкоротких импульсов, что даёт весьма оптимистичные предпосылки для создания сверхмощных лазерных систем для получения термоядерных микровзрывов уже на основе чистого дейтерия (инерциальный синтез) уже в самом ближайшем будущем. Так например ожидается [кем?] что в ближайшие 10—13 лет лазерные материалы на основе ГСГГ и боратов скандия займут ведущую роль в разработке и оснащении лазерными системами активной обороны для самолётов и вертолётов в развитых странах, и параллельно с этим развитие крупной термоядерной энергетики с привлечением гелия-3 (добываемого на Луне [источник не указан 917 дней] ), в смесях с гелием-3 лазерный термоядерный микровзрыв уже получен.

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.

МГД-генераторы

Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-генераторов, к основной керамической массе добавляют предварительно окисленный хром и спекают, что придаёт материалу повышенную прочность и электропроводность. Наряду с диоксидом циркония как электродным материалом для МГД-генераторов, хромит скандия обладает более высокой стойкостью к эрозии соединениями цезия (используемого в качестве плазмообразующей добавки).

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

Производство фианитов

Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором.

Некоторое количество скандия расходуется для легирования жаростойких сплавов никеля с хромом и железом (нихромы и фехрали) для резкого увеличения срока службы при использовании в качестве нагревательной обмотки для печей сопротивления.

Люминофоры

Борат скандия, равно как и борат иттрия применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.

Скандий – полезные свойства и особенности металла

Глобальная добыча этого металла измеряется килограммами, стоимость – тысячами долларов за кг. Скандий называют металлом третьего тысячелетия.

Что представляет собой

Скандий – это элемент № 21 периодической системы Д. И. Менделеева:

Чистый скандий – почти невесомое вещество серебристого цвета с желтоватым отливом, по которому его можно отличить от других легких металлов.
Относится к группе редкоземельных металлов. Первый по атомному номеру не лантаноид из «редкоземельной триады» скандий-иттрий-лантан.
Структура кристаллической решетки представлена двумя видами в зависимости от температуры (рубеж – 1336°C).
По составу это моноизотоп – скандий-45.

Международное обозначение-символ – Sc (Scandium).

Биологического значения не имеет.

Как был открыт

Первым в истории науки существование элемента предсказал Дмитрий Менделеев. Он назвал вещество эка-бором, «вычислил» его атомную массу, свойства.

Через девять лет (в 1879 году) гипотезу Менделеева подтвердил шведский ученый Ларс Нильсен.

Он дал элементу имя в честь Скандинавского полуострова, на котором располагается Швеция.

Крупицы металла получили к 1914 году.

Физико-химические характеристики

Редкоземельный металл легок, мягок, но хрупок. Химические свойства скандия типичны для «редких земель»: хорошее взаимодействие с кислотами, проблемная окисляемость на воздухе, парамагнетизм.

При отсутствии примесей (особенно O2) металл легко обрабатывается.

Свойства атома
Название, символ, номер	Скандий / Scandium (Sc), 21
Атомная масса (молярная масса)	44,955912(6) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d1 4s2
Радиус атома	162 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	144 пм
Радиус иона	(+3e) 72,3 пм
Электроотрицательность	1,36 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	3
Энергия ионизации (первый электрон)	630,8 (6,54) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	2,99 г/см³
Температура плавления	1 814 K
Температура кипения	3 110 K
Уд. теплота плавления	15,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения	332,7 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,51 Дж/(K·моль)
Молярный объём	15,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная (α-Sc)
Параметры решётки	a=3,309 c=5,268 (α-Sc)
Отношение c/a	1,592
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 15,8 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-20-2

Как представлен на планете

Чистый скандий на Земле не обнаружен.

Он представлен другими формами:

Собственные минералы – джервисит и тортвейтит. В составе последнего – химическая формула Sc, Y2Si2O7 – скандия почти половина. Редкость.
Чаще это компонент сотни других минералов, железных, урановых руд, углей.

Тонна земной коры содержит 10 граммов скандия.

Это сопоставимо с концентрацией свинца, но извлечение материала усложняет распыленность по литосфере.

Спектральный анализ установил насыщенность скандием некоторых типов звезд.

Месторождения сосредоточены на территории бывшего СССР и Монголии. В России это Якутия, Алтай, Красноярский край, Мурманская область.

Квартет поставщиков сырья на мировой рынок – Китай (91%), Россия, Казахстан, Украина. Как потенциальные игроки рассматриваются Австралия, Бразилия, Канада.

90% скандиевого сырья на мировой рынок поставляет Китай.

Технология получения

Извлечение скандия – многоступенчатый затратный процесс:

Первым получают гидрооксид. Для этого отходы вольфрамовых руд обжигают, обрабатывают смесью воды, аммиака и серной кислоты.
Гидроокись обезвоживают (620-730°С).
Полученную окись избавляют от примесей, разделяют по фракциям.
Повышенно чистый материал (оксид металла) получают рафинированием плюс прокаливание.

Второй способ получения предусматривает превращение окиси во фторид:

Сырье дважды обрабатывают фтористым водородом.
Фтористый скандий восстанавливают металлическим кальцием.
Смесь металлического скандия и шлака плавят, разделяют в вакууме.

Для получения продукта чистоты 95%+ задействуют вакуумную дистилляцию.

Рентабелен способ получения скандия из каменноугольной золы и отходов переработки углей в синтетическое жидкое топливо.

Где используется

На практике скандий как металл используется редко. Чаще это сплавы, соединения. Особенно популярен оксид.

Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом – Скандий

Металлургия

Скандий востребован как лигатура, улучшающая характеристики продукции:

У алюминиево-магниевых сплавов повышается порог сопротивляемости, текучести. , нихромовые становятся устойчивее к окислению. В данном сегменте скандий действует эффективнее иттрия.
Компонент сверхтвердых материалов: с карбидом титана, кремния, нитридом бора, бериллием. Твердость повышается кратно.

Оксид скандия входит в состав огнеупора, из которого сделаны емкости для разливки сталей специальных марок. По жаростойкости оставляет позади всех «конкурентов».

Другие отрасли промышленности

Прочностные характеристики скандиевых сплавов, соединений оценены оборонным и гражданским сектором:

Оксид металла – основа начинки суперкомпьютеров. Скорость обмена данными увеличивается в разы.
Производство стекол для оптоэлектроники и жаростойкой керамики. Здесь используются достоинства оксида металла: минимальная теплопроводность плюс неразрушимость структуры термоударом.
Соединение с иттрием – материал номер один для конструкций, функционирующих в экстремальных условиях.
Атомщики применяют гидрид и дейтерид как замедлитель нейтронов. Бериллид отражает поток нейтронов (в том числе в ядерных боеголовках).

Это также материал рентгеновских зеркал, автомобилей, воздушных лайнеров, ракет, спутников, солнечных батарей, лазерных компонентов, элементов повышенной светимости.

Радиоактивный изотоп-46 – маркер в нефтепереработке, контролер хода выплавки металлов. Скандий-47 оптимален как источник позитронов.

Непромышленный сегмент

Скандий-46 используют онкологи.

Оксид металла – лучший стабилизатор при производстве фианитов.

Из сплавов с алюминием изготавливают байки, щитки, биты, другое снаряжение для физкультуры, фитнеса, спорта.

Перспективы

Направления использования алюминиево-скандиевых сплавов в будущем:

Передача электроэнергии. Такое соединение повышает прочность и пропускную способность электропроводов.
Производство самонаводящихся снарядов.
Сплавы тестируются как материал остова боевых роботов.

Единственный недостаток, сдерживающий применение металла, – цена.

Стоимость

Диапазон стоимости скандия на мировом рынке – $13-22 тыс./кг.

На цену влияет конъюнктура рынка и вид продукции. Например, материал чистоты «пять девяток» – 99,999% оценили в $10 тыс./ кг. Мелкодисперсный порошок (249 мкм) шел по $296 тыс./кг, оксид металла – по $3,5 тыс./кг.

Скандий: что это?

Скандий (scandium (лат)) – это химический элемент 3 группы IV периода периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 21. Относится к редкоземельным металлам, по свойствам напоминает алюминий. В природе в чистом виде не встречается. Его получают как побочный продукт при добыче прочих полезных ископаемых.

Scandium называют элементом XXI века. Он применяется в металлургии, промышленности, медицине для диагностики и лечения раковых заболеваний.

Описание металла

Скандий – это редкий серебристый металл с желтым отливом. Именно он этот оттенок делает его узнаваемым и проявляется только при контакте чистового вещества с воздухом.

Металл не обладает магнитными свойствами, довольно хрупок. В природе существует только в виде одного изотопа с атомной массой Sc45. Все прочие получены искусственно и имеют срок полураспада до 83 дней.

История открытия

На момент составления и презентации Д.И. Менделеевым периодической системы этот элемент не был известен, получен и исследован. Но обнаруженные закономерности позволили ученому сделать предложение о существовании скандия. В статье от 11 декабря 1870 года Д.И. Менделеев предсказал его и назвал «Екабор».

Скандий был открыт и получен через 9 лет Ларсом Нильсоном. Элемент назван в честь Скандинавского полуострова (Scandia на латыни). Самые большие объемы скандия, который входит в состав минерала тортвейтита, обнаружены в Норвегии и на Мадагаскаре.

Физико-химические свойства

Scandium относится к переходным элементам и проявляет как металлические, так и неметаллические свойства. Его физические характеристики представлены в таблице.

Таблица1. Физические свойства Sc.

Наименование показателя	Показатель
Масса/радиус атома	45а.е.м/ 162 пм
Электронная конфигурация последнего энергетического уровня	3s 2 3p 6 3d 1 4s 2
Валентность/степень окисления	III (+3)
Плотность	2,99 г/см³
Удельная теплота плавления	15,8 кДж/моль
Температура плавления/кипения (градусов Цельсия)	1 540,85 / 2 836,85
Теплопроводность (Вт)	15,8
Период полураспада	Природный изотоп стабилен, полученные искусственным путем – от 43 до 83 суток в зависимости от массы атома.

Scandium существует в 2 кристаллических решетках (в зависимости от его температуры) – гексагональной и кубической. Это мягкий металл, легко поддается обработке.

Химические свойства скандия

Валентность скандия – ІІІ, поэтому он имеет переходные свойства. Вещество легко вступает в химические реакции в присутствии кислорода воздуха.

Scandium реагирует с кислородом, фосфором и фтором при температуре красного каления с образованием оксида, фосфида и фторида. Вступает в реакцию с прочими галогенами (хлор, бром, йод) при 25 градусах Цельсия и нормальном атмосферном давлении. На воздухе быстро образует пленку из окислов.

Таблица 2. Химические свойства Sc.

Химическое свойство	Уравнение реакции
Взаимодействие с H₂O с образованием щелочи	2Sc + 6H₂O = 2Sc(OH)₃ + 3H₂
Взаимодействие с разбавленными кислотами с образованием солей и выделением водорода	2Sc + 3H₂SO₄ = Sc₂(SO₄)₃ + 3H₂

В растворах этот химический элемент находится либо в виде катионов Sc 3+ (ведет себя как металл), либо в составе анионов [ScF₄] — , [ScF₅] 2- (кислотные остатки) аналогично алюминию. Участия в реакциях окисления-восстановления не принимает. Реагирует с концентрированными щелочами с образованием Sc (OH)₃.

Как представлен в природе

В чистом виде scandium в природе не встречается. В 1 тонне полезных ископаемых содержится максимум 10 г этого металла. Он близок к лантаноидам и редкоземельным элементам, рассеян в рудах, содержащих вещества этих групп. ТОП-5 стран, занимающихся добычей Sc, смотрите в таблице.

Таблица 3. Добыча скандия в мире.

Страна	Количество Sc в год
РФ	958 кг
Казахстан	700 кг
Украина	610 кг
США	500 кг
Норвегия	120 кг

Минералы скандия – тортвейтит и стерреттит. Их содержание в земной коре ничтожно, поэтому добыча не имеет практического смысла. В морской воде содержится 0,00004 мг/л этого металла.

Основные минералы-носители этого редкоземельного элемента:

флюорит – содержит до 1% оксида скандия;
бадделеит (оксид циркония) – 0,35% чистового вещества;
вольфрамовые руды – 0,4% скандия;
торианит (оксид тория) и самарскит – до 0,46% скандия;
эгирин с содержанием скандия в 210 г/т.

Незначительное количество редкоземельного металла находится в каменном угле. Но добывают его только при переработке угольного шлака.

Методы получения

Химически чистого scandium в природе не существует. Он является побочным продуктом (примесью) при добыче железа и редкоземельных элементов.

Китай – 90% мировой добычи;
Желтые воды, Украина – побочный продукт при добыче урановой руды. Содержание скандия – до 105 г/ на тонну породы.
Мурманское, Алтайское и Якутское месторождение, Россия;
Норвегия – в ней находятся природные месторождения тортвейтита – разрабатываются с 60 годов прошлого столетия;
Нинган, Австралия;
Мадагаскар и США – месторождения разрабатываются с 1950 гг. прошлого века.

В металлургическом производстве редкоземельный металл получают путем его восстановления из его солей (хлорида и фторида) при помощи металлического кальция, магния в инертной атмосфере в молибденовых тиглях.

Реакция идет при температуре в 850 градусов. На последнем этапе ее повышают до 1600 градусов. При этом происходит разделение шлака и скандия.

Далее происходит его плавка и возгонка в вакууме. Таким образом избавляются от летучих соединений. На выходе получают металл, который содержит 95% чистого скандия.

При переработке различных видов сырья для извлечения Sc преимущественно используют метод экстракции.

Технологическая схема получения оксида скандия состоит из следующих этапов:

Первичное концентрирование.
Получение технического Sc₂O₃ (скандиевого концентрата).
Очистка с получением химически чистого оксида скандия с массовой долей в 99%.

Также разработан способ получения металла при помощи восстановления его алюминием. Процесс начинается при температуре в 810 градусов, при нагреве до 930 градусов начинается его восстановление.

Области применения

Скандий называют металлом будущего. Его свойства широко применяются в различных отраслях народного хозяйства.

Scandium используется как легирующая добавка. Он повышает прочность на разрыв железных сплавов на 35%, а текучесть – до 84%. Добавка к хрому в количестве до 0,67% повышает его устойчивость к кислороду воздуха. Окисление хромовых сплавов начинается при температуре 1290 градусов. В этой области Scandium эффективней иттрия.

Оксид скандия, скандат иттрия применяется в производстве жаропрочной керамики. Такие приборы обладают высокой прочностью к термоударам. Кроме того, окислы скандия используются при производстве высокоточной оптики.

Главные отрасли по потреблению соединений элемента – это изготовление высокопрочных сплавов на основе алюминия, самолетостроение. Легирование увеличивает прочность и ковкость алюминия. Это помогает улучшить надежность приборов и систем, снижает стоимость перевозок.

Небольшое количество скандия применяется для легирования нихромов и фехрали. Это увеличивает срок эксплуатации нагревательных элементов, выполненных из сплавов на основе хрома и железа.

Легирующие свойства соединений скандия используются для получения сверхтвердых сплавов и материалов. Некоторые из них занимают 4 место по твердости после алмаза.

Бериллид скандия – сверхпрочный материал с высокой температурой плавления, что позволяет применять его в аэрокосмической технике. По эксплуатационным свойствам он превосходит сплавы на основе титана, композитов на основе бора и углерода.

Оксид скандия применяется в производстве оборудования для разливки высоколегированных сталей. По степени устойчивости к потоку расплава он превышает все известные высокопрочные сплавы. Для снижения себестоимости стали чаще всего применяют скандат иттрия, армированный кристаллами окисла алюминия.

Микроэлектроника и источники света

Благодаря высокой температуре плавления, Sc₂О₃ используется при производстве электро-вычислительных машин. Соль йодоводородной кислоты добавляют в лампы, их спектр излучения становится максимально близким к солнечному свету.

Ядерная энергетика

Гидриды скандия используются в качестве замедлителя нейтронов, бустеров в генераторах. А диборит – для отражателя нейтральных частиц в ядерном оружии. Радиоактивный изотоп применяется в терапии раковых опухолей. А изотоп с атомной массой 47 единиц – лучший источник позитивно заряженных частиц.

Инновационные технологии

Соединения скандия и гольмия используются в фотопреобразователях солнечных батарей. Это прозрачный материал снижает светоотражение кремневой основы элементов панелей, что повышает их мощность на 140%.

Также металл применяется для производства рентгеновских зеркал, интерметаллических тугоплавких соединений.

Ювелирное дело и производства люминофоров

Оксиды скандия используются при производстве фианитов, которые имитируют драгоценные камни. А его бораты – это матрица для получения люминофоров, стекла и керамики.

Перспективы использования скандия

Промышленное использование скандия, соединений на его основе тормозит высокая себестоимость производства этого металла.

Перспективы использования элемента при условии снижения его цены:

авиастроение – снижение себестоимости перевозок, увеличения срока эксплуатации самолетов;
автомобилестроение – его свойства способствуют увеличению ресурса двигателя, повышению его КПД;
транспортировка электроэнергии – легирование повышает электропроводность проводов ЛЭП;
производство управляемых снарядов;
в робототехнике, конструировании скелетов киборгов;
легирующие свойства используются в производстве высокопрочных марагеновых сталей, которые применяются в атомной энергетике;
изготовление электродов МГД-генераторов;
сплавы с легирующими добавками применяются в аэрокосмической промышленности.

Себестоимость добычи и производства скандия, его соединений очень высокая. Его цена зависит от степени чистоты продукта и составляет от 450000 до 900 000 рублей/1 кг. А стоимость оксида Sc составляет 5 долларов за 1 г.

В XXI веке прогнозируется быстрый рост производства и увеличение спроса на редкоземельный металл.

В моём личном блоге я познакомлю вас с особенностями разных драгоценных камней, влиянием зодиакальных камней в отношении каждого знака зодиака, а также целебными свойствами некоторых из них.

Читайте также: