Scandium | |||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Vápník | Titan → | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||
Vzhled jednoduché látky | |||||||||||||||||||||||||||||||||
vzorek skandia | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Vlastnosti atomu | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Jméno, symbol, číslo | Scandium / Scandium (Sc), 21 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Skupina , období , blok |
3 (zastaralé 3), 4, d-prvek |
||||||||||||||||||||||||||||||||
atomová hmotnost ( molární hmotnost ) |
44.955912(6) [1] a. e. m. ( g / mol ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronická konfigurace |
[Ar] 3d 1 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Poloměr atomu | 162 hodin | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Chemické vlastnosti | |||||||||||||||||||||||||||||||||
kovalentní poloměr | 144 hodin | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waalsův poloměr | 211 hodin | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Poloměr iontů | (+3e) 72,3 hodin | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativita | 1,36 (Paulingova stupnice) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrodový potenciál | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidační stavy | 0, +3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionizační energie (první elektron) |
630,8 (6,54) kJ / mol ( eV ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Termodynamické vlastnosti jednoduché látky | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Hustota (v n.a. ) | 2,99 g/cm³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Teplota tání | 1814 K ; 1540,85 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Teplota varu | 3 110 K ; 2836,85 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. teplo tání | 15,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. výparné teplo | 332,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Molární tepelná kapacita | 25,51 [2] J/(K mol) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Molární objem | 15,0 cm³ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Krystalová mřížka jednoduché látky | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Příhradová konstrukce | Šestihranný (α-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Parametry mřížky | a=3,309 c=5,268 (α-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
poměr c / a | 1,592 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Další vlastnosti | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Tepelná vodivost | (300 K) 15,8 W/(m K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Číslo CAS | 7440-20-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
nejdéle žijící izotopy | |||||||||||||||||||||||||||||||||
|
21 | Scandium |
sc44,9559 | |
3d 1 4s 2 |
Scandium ( chemická značka - Sc , z lat. Sc andium ) je chemický prvek 3. skupiny (podle zastaralé klasifikace - vedlejší podskupina třetí skupiny, IIIB) čtvrté periody periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejev s atomovým číslem 21.
Jednoduchá látka skandium je lehký přechodný kov vzácných zemin stříbřité barvy s charakteristickým žlutým nádechem. Existuje ve dvou krystalických modifikacích: α-Sc s hexagonální mřížkou hořčíkového typu , β-Sc s kubickou mřížkou centrovanou na tělo , teplota přechodu α↔β 1336 °C [2] .
Scandium je monoizotopický prvek s pouze jedním stabilním izotopem , skandiem-45 , který se nachází v přírodě .
Průměrný obsah skandia v zemské kůře je 10 g/t. Yttrium, lanthan a lanthanoidy jsou svými chemickými a fyzikálními vlastnostmi blízké skandiu. Ve všech přírodních sloučeninách vykazuje skandium, stejně jako jeho analogy hliník, yttrium, lanthan, pozitivní valenci rovnou třem, proto se neúčastní redoxních procesů. Scandium je stopový prvek a nachází se v mnoha minerálech. Jsou známy 2 vlastní minerály skandia: tortveitit (Sc, Y) 2 Si 2 O 7 (Sc 2 O 3 až 53,5 %) a sterrettit ( colbeckit Sc[PO 4 ] 2H 2 O (Sc 2 O 3 až 39,2 Relativní nízké koncentrace byly nalezeny v přibližně 100 minerálech.
Vzhledem k tomu, že vlastnosti skandia jsou blízké Mg , Al , Ca , Mn 2+ , Fe 2+ , TR ( prvky vzácných zemin ), Hf , Th , U , Zr , je jeho hlavní hmota disipována v minerálech obsahujících tyto Prvky. Dochází k izovalentní substituci skandia za prvky skupiny TR, zejména v podstatě v minerálech yttria ( xenotim , asociace Sc-Y v tortveitu a substituce Al v berylu ). Heterovalentní náhrada Fe 2+ a hořčíku v pyroxenech , amfibolech, olivínu a biotitu skandiem je široce rozvinutá v bazických a ultrabazických horninách a k náhradě zirkonia dochází v pozdních fázích magmatického procesu a v pegmatitech.
Hlavní nosné minerály skandia jsou: fluorit (do 1 % Sc 2 O 3 ), baddeleyit (do 0,35 %), kassiterit (0,005–0,2 %), wolframit (0–0,4 %), ilmenorutil (0, 0015-0,3 %) %), thorianit (0,46 % Sc 2 O 3 ), samarskit (0,45 %), minerály pyrochlorové superskupiny (0,02 %), xenotim ( 0,0015-1,5 %), beryl (0,2 %). V současnosti (2021) je známo 21 minerálů, které jsou vlastní fází skandia: allendeit , bazzit (scandium beryl, 3–14,44 %), bonacinait , kaskandit , davisit , eringait , heftetjernit , gervisit , teeli enait , kangit , camp kolbekit , christiansenit, nioboheftetjernit , ofthedalit , panguit , pretulit , scandiobabingtonit , tortveit , shahdarait- (Y ) , warkit . Při vzniku vyvřelých hornin a jejich žilných derivátů je skandium ve své hlavní hmotě rozptýleno především v tmavě zbarvených minerálech vyvřelých hornin a je mírně koncentrováno v jednotlivých minerálech postmagmatických útvarů. Nejvyšší (30 g/t Sc 2 O 3 ) koncentrace skandia jsou spojeny s ultramafickými a bazickými horninami, ve kterých hrají hlavní roli železo-hořčíkové minerály ( pyroxen , amfibol a biotit ). V horninách středního složení je průměrný obsah Sc 2 O 3 10 g/t, v kyselých horninách 2 g/t. Zde je skandium také rozptýleno v mafických minerálech ( hornblend , biotit) a je usazeno v muskovitu , zirkonu a sfénu . Koncentrace v mořské vodě je 0,00004 mg/l [3] . Skandium je přítomno i v uhlí a pro jeho těžbu je možné zpracovávat vysokopecní slévárenské strusky, s čímž se v posledních letech začalo pracovat v řadě vyspělých zemí.
Prvek předpověděl D. I. Mendělejev (jako ekabor) v článku z 11. prosince (29. listopadu, starý styl) 1870 [4] a objevil jej v roce 1879 švédský chemik Lars Nilsson . Nilsson pojmenoval prvek po Skandinávii ( latinsky: Scandia ).
Scandium je světlý , stříbřitý kov s charakteristickým žlutým nádechem. Existuje ve dvou krystalických modifikacích: α-Sc s hexagonální mřížkou hořčíkového typu (a=3,3085 Å; c=5,2680 Å; z=2; prostorová grupa P6 3 /mmc ), β-Sc s kubickou mřížkou centrovanou na tělo , teplota přechodu α↔β 1336 °C, přechod ΔH 4,01 kJ/mol. Teplota tání 1541 °C, bod varu 2837 °C. Scandium je měkký kov s čistotou 99,5 % a vyšší (v nepřítomnosti O 2 ) a lze jej snadno obrábět [2] .
Chemické vlastnosti skandia jsou podobné vlastnostem hliníku. Ve většině sloučenin vykazuje skandium oxidační stav +3. Kompaktní kov na vzduchu je pokryt z povrchu oxidovým filmem. Při zahřátí na červené teplo reaguje s fluorem, kyslíkem, dusíkem, uhlíkem, fosforem. Při pokojové teplotě reaguje s chlórem, bromem a jódem. Reaguje se zředěnými silnými kyselinami; koncentrované oxidační kyseliny a HF je pasivován. Reaguje s koncentrovanými alkalickými roztoky.
Iont Sc 3+ je bezbarvý, diamagnetický, koordinační číslo ve vodných roztocích je 6. Stejně jako v případě hliníku je hydroxid skandium amfoterní a rozpouští se jak v přebytku kyselin, tak v přebytku zásad; nereaguje se zředěným roztokem amoniaku. Chlorid, bromid, jodid a síran skandia jsou vysoce rozpustné ve vodě, roztok má kyselou reakci díky částečné hydrolýze, zatímco hydratace bezvodých solí je doprovázena rychlým uvolňováním tepla. Fluorid skandia a fosforečnan jsou nerozpustné ve vodě, ale fluorid se rozpustí v přítomnosti přebytku fluoridových iontů za vzniku ScF 6 3- . Karbid, nitrid, fosfid, sulfid a uhličitan skandium jsou vodou zcela hydrolyzovány. Organické sloučeniny skandia jsou tepelně relativně stabilní, ale prudce reagují s vodou a vzduchem. Jsou tvořeny převážně Sc-C σ-vazbami a jsou reprezentovány alkylderiváty a polymerními cyklopentadienidy.
Známé jsou také sloučeniny s nejnižším oxidačním stavem skandia (+2, +1, 0). Jednou z nejjednodušších je tmavě modrá pevná látka CsScCl 3 . V této látce jsou prezentovány vazby mezi atomy skandia [5] . Monohydrid skandia SchH byl pozorován spektroskopicky při vysokých teplotách v plynné fázi [6] . Také nejnižší oxidační stavy skandia byly zjištěny v organokovových sloučeninách [7] [8] [9] [10] .
Scandium se těží jako vedlejší produkt při těžbě jiných nerostů.
Asi 90 % světové produkce skandia se vyrábí v ložisku Bayan-Obo (Čína). Zásoby skandia na ložisku se odhadují na 140 tisíc t. Skandium je zde soustředěno především v aegirinu , kde jeho průměrný obsah je 210 g/t. Je to vedlejší produkt při těžbě železa a prvků vzácných zemin .
Další významná ložiska skandia:
Pegmatity s tortveititem jsou známy na Madagaskaru (oblasti Befanamo a Berero, částečně těžené před 50. lety 20. století) a v USA ( Ravalli County, Montana). [11] Skandium je také přítomno v uhlí a pro jeho těžbu je pravděpodobně možné zpracovávat vysokopecní slévárenské strusky.
V roce 1988 byla výroba oxidu skandia ve světě:
Země | Objem výroby, ne méně než, kg/rok |
---|---|
Čína | padesáti |
Francie | 100 |
Norsko | 120 |
USA | 500 |
Japonsko | třicet |
Kazachstán | 700 |
Ukrajina | 610 |
Rusko | 958 |
Scandium lze nazvat kovem 21. století a předpovídá se prudký nárůst jeho produkce, růst cen a poptávky díky zpracování obrovského množství uhlí (zejména zpracování ruského) na kapalné palivo.
V letech 2015-2019 průměrná cena byla 107 – 134 $ za gram kovového skandia a 4 – 5 $ za gram Sc 2 O 3 [16]
Použití skandia ve formě mikrolegovací nečistoty má významný vliv na řadu prakticky významných slitin, např. přidání 0,4 % skandia do slitin hliníku a hořčíku zvyšuje pevnost v tahu o 35 %, mez kluzu o 35 %. 65-84%, a zároveň relativní tažnost zůstává na úrovni 20-27%. Přídavek 0,3-0,67 % k chrómu zvyšuje jeho odolnost proti oxidaci až do teploty 1290 °C a podobně, ale ještě výrazněji působí na žáruvzdorné slitiny typu "nichrom" a v této oblasti použití skandia je mnohem účinnější než yttrium. Oxid skandia má řadu výhod pro výrobu vysokoteplotní keramiky oproti jiným oxidům, například pevnost oxidu skandia se zvyšuje při zahřátí a dosahuje maxima při 1030 ° C, současně má oxid skandia minimální tepelné vodivost a nejvyšší odolnost proti tepelným šokům . Yttrium scandate je jedním z nejlepších materiálů pro konstrukce pracující při vysokých teplotách. Určité množství oxidu skandia se neustále spotřebovává na výrobu germanátových skel pro optoelektroniku.
Hlavní využití skandia z hlediska objemu je jeho použití ve slitinách hliníku a skandia používaných ve sportovním vybavení (motocykly, jízdní kola, baseballové pálky atd.) a konstrukci letadel - všude tam, kde jsou vyžadovány vysokopevnostní materiály. Když je skandium legováno hliníkem, poskytuje dodatečnou pevnost a tažnost.
Například legování slitiny hliníku a hořčíku AMg6 se skandiem v nepřítomnosti dodatečného kalení zvyšuje pevnost v tahu z 32 na 36 kgf / mm 2 a mez kluzu - z 16 na 24 kgf / mm 2 (po 30% vytvrzení , stejné ukazatele jsou 42 a 33 kgf/mm 2 pro AMg6NPP oproti 45 a 36 kgf/mm 2 pro slitinu 01570N) [17] . Pro srovnání, pevnost v tahu čistého skandia je asi 400 MPa (40 kgf / mm 2 ), pro titan například 250-350 MPa a pro nelegované yttrium 300 MPa. Využití skandiových slitin v letectví a civilní raketové technice výrazně sníží náklady na přepravu a dramaticky zvýší spolehlivost operačních systémů, přičemž zároveň s poklesem cen skandia a jeho využití pro výrobu automobilových motorů také výrazně zvýší jejich zdroje a částečně efektivitu. Je také velmi důležité, aby skandium zpevnilo hliníkové slitiny dopované hafniem .
Důležitou a prakticky neprozkoumanou oblastí použití skandia je skutečnost, že stejně jako dopování hliníku ytriem, dopování čistého hliníku skandiem také zvyšuje elektrickou vodivost drátů. a efekt ostrého kalení má velké vyhlídky pro použití takové slitiny pro přenos elektřiny (elektrické přenosové vedení). Slitiny skandia jsou nejperspektivnější materiály při výrobě řízených střel. Řada speciálních skandiových slitin, skandiem vázaných kompozitů je velmi slibná v oblasti konstrukce kyborgské kostry . V posledních letech byla odhalena důležitá role skandia (a částečně yttria a lutecia) při výrobě některých složením superpevných vysokopevnostních ocelí , jejichž některé vzorky vykazovaly pevnosti přesahující 700 kg/mm 2 (přes 7000 MPa).
Některé skandium se používá k legování žáruvzdorných slitin nikl-chrom-železo ( nichrom a fechral ), aby se dramaticky zvýšila životnost při použití jako topné vinutí pro odporové pece.
Scandium se používá k výrobě supertvrdých materiálů. Takže například legování karbidu titanu s karbidem skandia velmi prudce zvyšuje mikrotvrdost (2krát), což z tohoto nového materiálu činí čtvrtý v tvrdosti po diamantu (asi 98,7-120 GPa), nitridu boru ( borazon ), (asi 77- 87 GPa), slitina bor-uhlík-křemík (asi 68-77 GPa) a podstatně více než u karbidu boru (43,2-52 GPa), karbidu křemíku (37 GPa). Mikrotvrdost slitiny karbidu skandia a karbidu titanu je asi 53,4 GPa (pro karbid titanu například 29,5 GPa). Zvláště zajímavé jsou slitiny skandia s beryliem , které mají jedinečné vlastnosti z hlediska pevnosti a tepelné odolnosti.
Tak například skandium beryllid (1 atom skandia a 13 atomů berylia) má nejvyšší příznivou kombinaci hustoty, pevnosti a vysokého bodu tání a je v mnoha ohledech vhodný pro letecké inženýrství a v tomto ohledu předčí nejlepší titanové lidstvu známé slitiny a řada kompozitních materiálů (včetně řady materiálů na bázi uhlíkových a borových vláken).
Oxid skandia (bod tání 2450 °C ) hrál důležitou roli při výrobě superpočítačů: ferity s nízkou indukcí při použití v zařízeních pro ukládání informací mohou několikanásobně zvýšit rychlost výměny dat díky poklesu zbytkové indukce z 2–3 kGauss na 0,8-1 kGauss.
Přibližně 80 kg skandia (jako součást Sc 2 O 3 ) ročně se spotřebuje na výrobu osvětlovacích prvků s vysokou intenzitou . Jodid skandia se přidává do rtuťových plynových výbojek, které produkují velmi realistické zdroje umělého světla, blízké slunečnímu světlu, které poskytují dobrou reprodukci barev při natáčení na televizní kameru.
Radioaktivní izotop 46 Sc (poločas rozpadu 83,83 dne) se používá jako „štítek“ v průmyslu zpracování ropy, ke kontrole metalurgických procesů a radioterapii rakovinných nádorů.
Izotop scandium-47 (poločas rozpadu 3,35 dne) je jedním z nejlepších zdrojů pozitronů.
V jaderném průmyslu se úspěšně používá skandium hydrid a deuterid - vynikající moderátory neutronů a terč (booster) ve výkonných a kompaktních generátorech neutronů.
Diborid skandia (bod tání 2250 °C) se používá jako součást žáruvzdorných slitin a také jako materiál pro katody elektronických zařízení. Scandium beryllid se používá v jaderném průmyslu jako reflektor neutronů a zejména tento materiál, stejně jako yttrium beryllid, byl navržen jako reflektor neutronů při konstrukci atomové bomby.
Oxid skandia může hrát důležitou roli v medicíně (kvalitní zubní protézy ).
Scandium se používá ve vysokoteplotních supravodivých zařízeních, výrobě laserových materiálů (SHGG). Gallium-scandium-gadolinium garnet (GSHG), dopovaný ionty chrómu a neodymu , umožnil získat 4,5% účinnost a záznam parametrů ve frekvenčním režimu generování ultrakrátkých pulzů, což vytváří velmi optimistické předpoklady pro vytvoření supervýkonných laserových systémů pro výrobu termonukleárních mikrovýbuchů již na bázi čistého deuteria (inerciální fúze) ve velmi blízké budoucnosti. Například se očekává[ kým? ] že v příštích 10–13 letech převezmou laserové materiály na bázi HSHG a skandium boritanů vedoucí roli ve vývoji a vybavení aktivních obranných laserových systémů pro letadla a vrtulníky ve vyspělých zemích a souběžně s tím bude vývoj rozsáhlá termojaderná energetika využívající helium-3, ve směsích s heliem-3 již byla získána laserová termonukleární mikroexploze.
Oxid skandia ve slitině s oxidem holmiovým se používá při výrobě fotokonvertorů na bázi křemíku jako povlak. Tento povlak má širokou oblast průhlednosti (400–930 nm) a snižuje koeficient spektrálního odrazu světla z křemíku na 1–4 % a při aplikaci na takto upravený fotočlánek se zkratový proud zvýší o 35–70 %, což , zase umožňuje zvýšit výstupní výkon fotokonvertorů 1,4krát.
Jako jeden z nejlepších a nejtrvanlivějších materiálů pro výrobu elektrod pro generátory MHD se používá skandium chromit, do hlavní keramické hmoty se přidává předoxidovaný chrom a spéká se, což dává materiálu zvýšenou pevnost a elektrickou vodivost. Spolu s oxidem zirkoničitým jako elektrodovým materiálem pro generátory MHD má skandiumchromit vyšší odolnost proti erozi sloučeninami cesia (používá se jako aditivum vytvářející plazmu).
Scandium je široce používáno pro výrobu vícevrstvých rentgenových zrcadel (složení: skandium-wolfram, skandium-chrom, skandium-molybden). Scandium tellurid je velmi slibný materiál pro výrobu termoprvků (vysoké tepelné emf, 255 μV/K, nízká hustota a vysoká pevnost).
V posledních letech se žáruvzdorné slitiny (intermetalické sloučeniny) skandia s rheniem (bod tání až 2575 °C), rutheniem (bod tání až 1840 °C), železo (teplota tání až 1600 °C), (tepelná odolnost, střední hustota atd.).
Oxid skandia (bod tání 2450 °C) hraje důležitou roli jako speciální žáruvzdorný materiál při výrobě ocelových licích trysek pro lití vysoce legovaných ocelí, z hlediska stability v proudu tekutého kovu předčí oxid skandia všechny známé a použité materiály (např. nejstabilnější oxid yttrium horší než oxid skandium 8,5krát) a v této oblasti, dalo by se říci, nenahraditelné. Jeho širokému použití brání pouze velmi vysoká cena a do jisté míry je alternativním řešením v této oblasti použití yttriových skandatů vyztužených vousy oxidu hlinitého pro zvýšení pevnosti) a také použití tantalátu skandia.
Oxid skandia hraje důležitou roli při výrobě kubické zirkonie, kde je nejlepším stabilizátorem.
Boritan skandium, stejně jako boritan yttrium, se používá v radioelektronickém průmyslu jako matrice pro fosfory.
Scandium nehraje žádnou biologickou roli [18] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
skandia | Sloučeniny|
---|---|
|
Periodický systém chemických prvků D. I. Mendělejeva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Řady elektrochemické aktivity kovů | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |