Scandium, cu simbolul elementului Sc și numărul atomic 21, este ușor solubil în apă, poate interacționa cu apa fierbinte și se întunecă ușor în aer. Valenta sa principala este +3. Este adesea amestecat cu gadoliniu, erbiu și alte elemente, cu un randament scăzut și un conținut de aproximativ 0,0005% în crustă. Scandiul este adesea folosit pentru a face sticlă specială și aliaje ușoare la temperatură înaltă.
În prezent, rezervele dovedite de scandiu din lume sunt de numai 2 milioane de tone, dintre care 90~95% sunt conținute în minereuri de bauxită, fosforit și fier-titan și o mică parte în minereuri de uraniu, toriu, wolfram și pământuri rare, în principal. distribuit 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 fosforit, zăcăminte de porfir și tungsten filon de cuarț din China de Sud, zăcăminte de pământuri rare din China de Sud, zăcăminte de minereu de fier de pământuri rare Bayan Obo din China. Mongolia interioară și depozitul de magnetit de vanadiu și titan Panzhihua din Sichuan.
Din cauza deficitului de scandiu, prețul scandiului este, de asemenea, foarte mare, iar la apogeul său, prețul scandiului a fost umflat de 10 ori mai mult decât prețul aurului. Deși prețul scandiului a scăzut, este încă de patru ori mai mare decât prețul aurului!
Descoperirea Istoriei
În 1869, Mendeleev a observat un decalaj în masa atomică între calciu (40) și titan (48) și a prezis că aici există și un element de masă atomică intermediară nedescoperit. El a prezis că oxidul său este X ₂ O Å. Scandiul a fost descoperit în 1879 de Lars Frederik Nilson de la Universitatea Uppsala din Suedia. 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 rar negru și obținutOxid de iterbiu (III).din acest oxid, și există un alt oxid de element mai ușor, al cărui spectru arată că este un metal necunoscut. Acesta este metalul prezis de Mendeleev, al cărui oxid esteSc₂O3. Metalul scandiu în sine a fost produs dinClorura de scandiuprin topire electrolitică în 1937.
Mendeleev
Configurația electronică
Configurație electronică: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Scandiul este un metal de tranziție moale, alb argintiu, cu un punct de topire de 1541 ℃ și un punct de fierbere de 2831 ℃.
Pentru o perioadă considerabilă de timp după descoperirea sa, utilizarea scandiului nu a fost demonstrată din cauza dificultății sale în producție. Odată cu îmbunătățirea tot mai mare a metodelor de separare a elementelor de pământ rare, există acum un flux de proces matur pentru purificarea compușilor de scandiu. Deoarece scandiul este mai puțin alcalin decât ytriul și lantanidul, hidroxidul este cel mai slab, astfel încât mineralul amestecat cu element de pământ rar care conține scandiu va fi separat de elementul de pământ rar prin metoda „precipitării în etape” atunci când hidroxidul de scandiu (III) este tratat cu amoniac după fiind 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, wolfram, staniu și alte zăcăminte minerale este, de asemenea, o sursă importantă de scandiu.
După obținerea unui compus pur de scandiu, acesta este transformat în ScCl Å și topit împreună cu KCl și LiCl. Zincul topit este folosit ca catod pentru electroliză, determinând 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 cu sodiu, care poate fi folosită pentru a aduce lumină în mii de gospodării. Aceasta este o lumină electrică cu halogenură metalică: becul este umplut cu iodură de sodiu și triiodură de scandiu, iar scandiu și folie de sodiu sunt adăugate în același timp. În timpul descărcării de înaltă tensiune, ionii de scandiu și, respectiv, ionii de sodiu emit lumină cu lungimile de undă caracteristice de emisie. Liniile spectrale ale sodiului sunt de 589,0 și 589,6 nm, două lumini galbene celebre, în timp ce liniile spectrale ale scandiului sunt de 361,3 ~ 424,7 nm, o serie de emisii de lumină aproape ultravioletă și albastră. Deoarece se completează reciproc, culoarea generală a luminii produsă este lumina albă. Tocmai pentru că lămpile cu scandiu cu sodiu au caracteristicile de eficiență luminoasă ridicată, culoare bună a luminii, economie de energie, durată lungă de viață și capacitate puternică de spargere a ceții, pot fi utilizate pe scară largă pentru camere de televiziune, piețe, locuri de sport și iluminat rutier, și sunt cunoscute ca surse de lumină de a treia generație. În China, acest tip de lampă este promovat treptat ca o nouă tehnologie, 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 pământ și o pot transforma în electricitate pentru a conduce societatea umană. Scandiul este cel mai bun metal de barieră în celulele solare și celulele solare din siliciu cu semiconductor izolator metalic.
A treia armă magică se numește γ A sursă de raze, această armă magică poate străluci puternic singură, dar acest tip de lumină nu poate fi primit cu ochiul liber, este un flux de fotoni de înaltă energie. De obicei, extragem 45Sc din minerale, care sunt singurii izotopi naturali ai scandiului. Fiecare nucleu de 45Sc conține 21 de protoni și 24 de neutroni. 46Sc, un izotop radioactiv artificial, poate fi folosit ca surse de radiații γ sau atomi trasori pot fi utilizați și pentru radioterapia tumorilor maligne. Există, de asemenea, aplicații precum laserul cu ytriu galiu scandiu granat,Fluorura de scandiuFibră optică infraroșu din sticlă și tub catodic acoperit cu scandiu la televizor. Se pare că scandiul se naște cu strălucire.
Industria aliajelor
Scandiul în forma sa elementară a fost utilizat pe scară largă pentru dopajul aliajelor de aluminiu. Atâta timp cât câteva miimi de scandiu sunt adăugate la aluminiu, se va forma o nouă fază Al3Sc, care va juca un rol de Metamorfism în aliajul de aluminiu și va face ca structura și proprietățile aliajului să se schimbe semnificativ. Adăugarea a 0,2% ~ 0,4% Sc (care este într-adevăr similară cu proporția de sare pentru a amesteca legumele prăjite acasă, este nevoie doar puțin) poate crește temperatura de recristalizare a aliajului cu 150-200 ℃ și poate îmbunătăți semnificativ - rezistența la temperatură, stabilitatea structurală, performanța de sudare și rezistența la coroziune. De asemenea, poate evita fenomenul de fragilizare care este ușor să apară în timpul lucrului pe termen lung la temperaturi ridicate. Aliaj de aluminiu de înaltă rezistență și duritate ridicată, noul aliaj de aluminiu sudabil rezistent la coroziune de înaltă rezistență, noul aliaj de aluminiu la temperatură înaltă, aliaj de aluminiu de înaltă rezistență rezistent la iradiere cu neutroni etc., au perspective de dezvoltare foarte atractive în domeniul aerospațial, 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 folosit și ca aditiv pentru aliajele de tungsten și crom la temperaturi înalte. Desigur, pe lângă fabricarea hainelor de nuntă pentru alții, scandiul are un punct de topire ridicat și densitatea sa este similară cu aluminiul și este, de asemenea, folosit 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 numai în industriile de producție de ultimă generație, cum ar fi navetele spațiale și rachetele.
Material ceramic
Scandiul, o singură substanță, este utilizat în general în aliaje, iar oxizii săi joacă un rol important în materialele ceramice în mod similar. Materialul ceramic de zirconiu tetragonal, care poate fi folosit ca material de electrod pentru celulele de combustie cu oxid solid, are o proprietate unică în care conductivitatea acestui electrolit crește odată cu creșterea temperaturii și a concentrației de oxigen în 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-și menține proprietățile originale. Adăugarea a 6~10% oxid de scandiu este ca o structură de beton, astfel încât zirconia poate fi stabilizată pe o rețea pătrată.
Există, de asemenea, materiale ceramice de inginerie, cum ar fi nitrura de siliciu de înaltă rezistență și rezistentă la temperaturi înalte, ca densificatori și stabilizatori.
Ca densificator,Oxid de scandiupoate forma o fază refractară Sc2Si2O7 la marginea particulelor fine, reducând astfel deformarea la temperatură ridicată a ceramicii de inginerie. În comparație cu alți oxizi, poate îmbunătăți mai bine proprietățile mecanice la temperatură înaltă ale nitrurii de siliciu.
Chimie catalitică
În inginerie chimică, scandiul este adesea folosit ca 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 Pt Al care conține Sc2O3 este, de asemenea, un catalizator important pentru procesele de purificare și rafinare de hidrogenare a petrolului greu din industria petrochimică. În reacțiile de cracare catalitică, cum ar fi Cumene, activitatea catalizatorului zeolit Sc-Y este de 1000 de ori mai mare decât cea a catalizatorului de silicat de aluminiu; În comparație cu unii catalizatori tradiționali, perspectivele de dezvoltare ale catalizatorilor cu scandiu vor fi foarte luminoase.
Industria energiei nucleare
Adăugarea unei cantități mici de Sc2O3 la UO2 în combustibilul nuclear pentru reactor de temperatură înaltă poate evita transformarea rețelei, creșterea volumului și fisurarea cauzate de conversia UO2 în U3O8.
Celulă de combustie
În mod similar, adăugarea de 2,5% până la 25% scandiu la bateriile alcaline cu nichel va crește durata de viață a acestora.
Creșterea agricolă
În agricultură, semințele precum porumb, sfeclă, mazăre, grâu și floarea soarelui pot fi tratate cu sulfat de scandiu (concentrația este în general 10-3~10-8mol/L, diferite plante vor avea diferite), iar efectul real de promovare a germinării a fost realizat. După 8 ore, greutatea uscată a rădăcinilor și mugurilor a crescut cu 37% și, respectiv, 78% față de răsaduri, dar mecanismul este încă în studiu.
De la atenția lui Nielsen la datoria datelor de masă atomică și până astăzi, scandiul a intrat în viziunea oamenilor de doar o sută sau douăzeci de ani, dar aproape că a stat pe bancă de o sută de ani. Abia după dezvoltarea viguroasă a științei materialelor de la sfârșitul secolului trecut, aceasta i-a adus vitalitate. Astăzi, elementele pământurilor rare, inclusiv scandiul, au devenit stele fierbinți în știința materialelor, jucând roluri în continuă schimbare în mii de sisteme, aducând mai multă comoditate vieților noastre în fiecare zi și creând valoare economică care este și mai dificil de măsurat.
Ora postării: 29-jun-2023