ScandiuScandiul, cu simbolul elementului Sc și numărul atomic 21, este ușor solubil în apă, poate interacționa cu apa fierbinte și se închide ușor la culoare în aer. Valența sa principală este +3. Este adesea amestecat cu gadoliniu, erbiu și alte elemente, cu un randament scăzut și un conținut de aproximativ 0,0005% în scoarță. Scandiul este adesea utilizat pentru a produce sticlă specială și aliaje ușoare pentru temperaturi înalte.
În prezent, rezervele dovedite de scandiu în lume sunt de doar 2 milioane de tone, dintre care 90-95% sunt conținute în minereuri de bauxită, fosforită și fier-titan, și o mică parte în minereuri de uraniu, toriu, tungsten și pământuri rare, distribuite în principal în Rusia, China, Tadjikistan, Madagascar, Norvegia și alte țări. China este foarte bogată în resurse de scandiu, cu rezerve minerale uriașe legate de scandiu. Conform unor statistici incomplete, rezervele de scandiu din China sunt de aproximativ 600.000 de tone, care sunt conținute în zăcăminte de bauxită și fosforită, zăcăminte de tungsten cu vene de porfir și cuarț din sudul Chinei, zăcăminte de pământuri rare din sudul Chinei, zăcăminte de minereu de fier cu pământuri rare Bayan Obo din Mongolia Interioară și zăcăminte de vanadiu și titan-magnetită Panzhihua din Sichuan.
Din cauza rarității scandiului, prețul acestuia este, de asemenea, foarte ridicat, iar în punctul său de vârf, prețul scandiului a fost umflat la de 10 ori mai mare decât prețul aurului. Deși prețul scandiului a scăzut, este încă de patru ori mai mare decât prețul aurului!
Descoperind Istoria
În 1869, Mendeleev a observat o diferență de masă atomică între calciu (40) și titan (48) și a prezis că există și un element intermediar de masă atomică nedescoperit. El a prezis că oxidul său este X₂OÅ. Scandiul a fost descoperit în 1879 de Lars Frederik Nilson de la Universitatea Uppsala din Suedia. Acesta l-a extras din mina de aur negru rar, un minereu complex care conține 8 tipuri de oxizi metalici. El a extrasOxid de erbiu(III)din minereu de aur negru rar și obținutOxid de yterbiu(III)din acest oxid și există un alt oxid al unui element mai ușor, al cărui spectru arată că este un metal necunoscut. Acesta este metalul prezis de Mendeleev, al cărui oxid esteSc₂O₃Scandiul metalic în sine a fost produs dinClorură de scandiuprin topire electrolitică în 1937.
Mendeleev
Configurația electronică
Configurația electronică: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶
Scandiul este un metal de tranziție moale, de culoare alb-argintiu, cu un punct de topire de 1541 ℃ și un punct de fierbere de 2831 ℃.
Timp de o perioadă considerabilă de timp după descoperirea sa, utilizarea scandiului nu a fost demonstrată din cauza dificultății sale de producție. Odată cu îmbunătățirea tot mai mare a metodelor de separare a elementelor de pământuri rare, există acum un flux de proces matur pentru purificarea compușilor de scandiu. Deoarece scandiul este mai puțin alcalin decât ytriul și lantanida, hidroxidul este cel mai slab, astfel încât mineralul mixt de pământuri rare care conține scandiu va fi separat de elementul de pământuri rare prin metoda „precipitării în etape”, atunci când hidroxidul de scandiu(III) este tratat cu amoniac după ce este transferat în soluție. Cealaltă metodă este separarea azotatului de scandiu prin descompunerea polară a nitratului. Deoarece azotatul de scandiu este cel mai ușor de descompus, scandiul poate fi separat. În plus, recuperarea completă a scandiului însoțitor din uraniu, toriu, tungsten, staniu și alte zăcăminte minerale este, de asemenea, o sursă importantă de scandiu.
După obținerea unui compus de scandiu pur, acesta este transformat în ScCl Å și co-topit cu KCl și LiCl. Zincul topit este utilizat ca și catod pentru electroliză, provocând precipitarea scandiului pe electrodul de zinc. Apoi, zincul este evaporat pentru a obține scandiu metalic. Acesta este un metal alb-argintiu ușor, cu proprietăți chimice foarte active, care poate reacționa cu apa fierbinte pentru a genera hidrogen gazos. Așadar, scandiul metalic pe care îl vedeți în imagine este sigilat într-o sticlă și protejat cu gaz argon, altfel scandiul va forma rapid un strat de oxid galben închis sau gri, pierzându-și luciul metalic strălucitor.
Aplicații
Industria iluminatului
Utilizările scandiului sunt concentrate în direcții foarte luminoase și nu este o exagerare să-l numim Fiul Luminii. Prima armă magică a scandiului se numește lampă cu scandiu-sodiu, care poate fi folosită pentru a aduce lumină în mii de gospodării. Aceasta este o lumină electrică cu halogenuri metalice: becul este umplut cu iodură de sodiu și triiodura de scandiu, iar scandiul și folie de sodiu sunt adăugate simultan. În timpul descărcării de înaltă tensiune, ionii de scandiu și ionii de sodiu emit lumină cu lungimile lor de undă caracteristice de emisie. Liniile spectrale ale sodiului sunt 589,0 și 589,6 nm, două lumini galbene celebre, în timp ce liniile spectrale ale scandiului sunt 361,3~424,7 nm, o serie de emisii de lumină ultravioletă apropiată și albastră. Deoarece se completează reciproc, culoarea generală a luminii produse este lumina albă. Tocmai pentru că lămpile cu scandiu și sodiu au caracteristici precum eficiență luminoasă ridicată, culoare bună a luminii, economie de energie, durată lungă de viață și capacitate puternică de rupere a aburii, acestea pot fi utilizate pe scară largă pentru camere de televiziune, piețe, arene sportive și iluminatul stradal și sunt cunoscute ca surse de lumină de a treia generație. În China, acest tip de lampă este promovat treptat ca o tehnologie nouă, în timp ce în unele țări dezvoltate, acest tip de lampă a fost utilizat pe scară largă încă de la începutul anilor 1980.
A doua armă magică a scandiului sunt celulele solare fotovoltaice, care pot colecta lumina împrăștiată pe sol și o pot transforma în electricitate pentru a alimenta societatea umană. Scandiul este cel mai bun metal de barieră în celulele solare semiconductoare din siliciu, izolator metalic și celule solare.
A treia sa armă magică se numește sursă de raze γ A. Această armă magică poate străluci puternic de una singură, dar acest tip de lumină nu poate fi recepționat cu ochiul liber, fiind un flux de fotoni de înaltă energie. De obicei, extragem 45Sc din minerale, acesta fiind singurul izotop natural al scandiului. Fiecare nucleu de 45Sc conține 21 de protoni și 24 de neutroni. 46Sc, un izotop radioactiv artificial, poate fi utilizat ca sursă de radiații γ sau atomi trasori, putând fi utilizați și pentru radioterapia tumorilor maligne. Există, de asemenea, aplicații precum laserul cu granat de ytriu, galiu, scandiu.Fluorură de scandiuFibră optică cu infraroșu din sticlă și tub catodic acoperit cu scandiu la televizor. Se pare că scandiul se naște cu luminozitate.
Industria aliajelor
Scandiul în forma sa elementară a fost utilizat pe scară largă pentru doparea aliajelor de aluminiu. Prin adăugarea a câteva miimi de scandiu în aluminiu, se formează o nouă fază Al3Sc, care joacă un rol de metamorfism în aliajul de aluminiu și modifică semnificativ structura și proprietățile aliajului. Adăugarea a 0,2%~0,4% Sc (care este într-adevăr similară cu proporția de sare adăugată la legumele prăjite acasă, este nevoie doar de puțin) poate crește temperatura de recristalizare a aliajului cu 150-200 ℃ și poate îmbunătăți semnificativ rezistența la temperaturi ridicate, stabilitatea structurală, performanța de sudare și rezistența la coroziune. De asemenea, poate evita fenomenul de fragilizare care apare ușor în timpul lucrului pe termen lung la temperaturi ridicate. Aliajul de aluminiu de înaltă rezistență și tenacitate, noul aliaj de aluminiu sudabil de înaltă rezistență și rezistență la coroziune, noul aliaj de aluminiu la temperaturi înalte, aliajul de aluminiu de înaltă rezistență și rezistență la iradierea neutronilor etc. au perspective de dezvoltare foarte atractive în industria aerospațială, aviație, nave, reactoare nucleare, vehicule ușoare și trenuri de mare viteză.
Scandiul este, de asemenea, un modificator excelent pentru fier, iar o cantitate mică de scandiu poate îmbunătăți semnificativ rezistența și duritatea fontei. În plus, scandiul poate fi utilizat și ca aditiv pentru aliajele de tungsten și crom rezistente la temperaturi ridicate. Desigur, pe lângă fabricarea de haine de nuntă, scandiul are un punct de topire ridicat, iar densitatea sa este similară cu cea a aluminiului și este utilizat și în aliaje ușoare cu punct de topire ridicat, cum ar fi aliajul de scandiu-titan și aliajul de scandiu-magneziu. Cu toate acestea, datorită prețului său ridicat, este utilizat în general doar în industriile de producție de înaltă calitate, cum ar fi navetele spațiale și rachetele.
Material ceramic
Scandiul, o substanță singulară, este utilizat în general în aliaje, iar oxizii săi joacă un rol important în materialele ceramice într-un mod similar. Materialul ceramic tetragonal de zirconiu, care poate fi utilizat ca material de electrod pentru pilele de combustie cu oxid solid, are o proprietate unică, în care conductivitatea acestui electrolit crește odată cu creșterea temperaturii și a concentrației de oxigen din mediu. Cu toate acestea, structura cristalină a acestui material ceramic în sine nu poate exista stabil și nu are valoare industrială; este necesară doparea unor substanțe care pot fixa această structură pentru a-i menține proprietățile originale. Adăugarea a 6~10% oxid de scandiu este similară unei structuri de beton, astfel încât zirconia poate fi stabilizată pe o rețea pătrată.
Există, de asemenea, materiale ceramice inginerești, cum ar fi nitrura de siliciu de înaltă rezistență și rezistență la temperaturi ridicate, ca densificatori și stabilizatori.
Ca densificator,Oxid de scandiupoate forma o fază refractară Sc2Si2O7 la marginea particulelor fine, reducând astfel deformarea la temperatură înaltă a ceramicii inginerești. Comparativ cu alți oxizi, poate îmbunătăți mai bine proprietățile mecanice la temperatură înaltă ale nitrurii de siliciu.
Chimie catalitică
În ingineria chimică, scandiul este adesea utilizat ca și catalizator, în timp ce Sc2O3 poate fi utilizat pentru deshidratarea și dezoxidarea etanolului sau izopropanolului, descompunerea acidului acetic și producerea de etilenă din CO și H2. Catalizatorul PtAl care conține Sc2O3 este, de asemenea, un catalizator important pentru procesele de purificare și rafinare a hidrogenării țițeiului greu în industria petrochimică. În reacțiile de cracare catalitică, cum ar fi cumenul, activitatea catalizatorului zeolitic Sc-Y este de 1000 de ori mai mare decât cea a catalizatorului silicat de aluminiu; comparativ cu unii catalizatori tradiționali, perspectivele de dezvoltare ale catalizatorilor de scandiu vor fi foarte promițătoare.
Industria energiei nucleare
Adăugarea unei cantități mici de Sc2O3 la UO2 în combustibilul nuclear al reactorului la temperatură înaltă poate evita transformarea rețelei, creșterea volumului și fisurarea cauzate de conversia UO2 în U3O8.
Pilă de combustie
În mod similar, adăugarea a 2,5% până la 25% scandiu la bateriile alcaline nichel va crește durata lor de viață.
Creșterea agricolă
În agricultură, semințele precum porumbul, sfecla, mazărea, grâul și floarea-soarelui pot fi tratate cu sulfat de scandiu (concentrația este în general de 10-3 ~ 10-8 mol/L, plantele diferite vor avea rezultate diferite), iar efectul real de promovare a germinării a fost atins. După 8 ore, greutatea uscată a rădăcinilor și mugurilor a crescut cu 37%, respectiv 78%, comparativ cu răsadurile, dar mecanismul este încă în curs de studiu.
De la atenția lui Nielsen asupra datelor despre masa atomică și până în prezent, scandiul a intrat în viziunea oamenilor doar o sută sau douăzeci de ani, dar a stat aproape pe bancă timp de o sută de ani. Abia odată cu dezvoltarea viguroasă a științei materialelor la sfârșitul secolului trecut, acesta i-a adus vitalitate. Astăzi, elementele pământurilor rare, inclusiv scandiul, au devenit vedete de top în știința materialelor, jucând roluri în continuă schimbare în mii de sisteme, aducând mai mult confort în viața noastră de zi cu zi și creând o valoare economică și mai dificil de măsurat.
Data publicării: 29 iunie 2023