Скандий и его характеристики

Скандий Свойства атома Химические свойства Термодинамические свойства простого вещества Кристаллическая решётка простого вещества
Атомный номер 21
Внешний вид простого вещества Скандий и его характеристики умеренно мягкий, лёгкий металл серебристого цвета с жёлтым отливом
Атомная масса (молярная масса) 44,95591 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 162 пм
Энергия ионизации (первый электрон) 630,8 (6,54) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Ar] 3d1 4s2
Ковалентный радиус 144 пм
Радиус иона (+3e) 72,3 пм
Электроотрицательность (по Полингу) 1,36
Электродный потенциал 0
Степени окисления 3
Плотность 2,99 г/см³
Молярная теплоёмкость 25,51 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 15,8 Вт/(м·K)
Температура плавления 1 814 K
Теплота плавления 15,8 кДж/моль
Температура кипения 3 110 K
Теплота испарения 332,7 кДж/моль
Молярный объём 15,0 см³/моль
Структура решётки гексагональная (α-Sc)
Параметры решётки a=3,309 c=5,268 (α-Sc) Å
Отношение c/a 1,592
Температура Дебая n/a K
Sc 21
44,95591
[Ar]3d14s2
Скандий

Скандий — элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 21. Обозначается символом Sc (лат. Scandium). 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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

История

Скандий и его характеристики Схема атома скандия

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

Происхождение названия

Л. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии.

Физические свойства

Скандий и его характеристики

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.

Химические свойства

Получение

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

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Строение атома теллура (te), схема и примеры

Оценим за полчаса!

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:

  • Бокситы — 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн;
  • Урановые руды — 50 млн тонн в год, попутный скандий 50—500 тонн в год;
  • Ильмениты — 2 млн тонн в год, попутный скандий 20—40 тонн в год;
  • Вольфрамиты — попутный скандий около 30—70 тонн в год;
  • Касситериты — 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20—25 тонн в год;
  • Цирконы — 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.

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

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, так например в 1991 году по данным Горного бюро США, оксид скандия оценивался в 3500 долл/кг (99,9 %), 10 000 долл/кг (99,999 %), металлический порошок крупностью 250 мкм (дистиллят 99,9 %) — 296 000 долл/кг, куски дендритов (99,9 %) — 248 000 долл/кг), в зависимости от чистоты металла, а оксид скандия в среднем 3500 долл/кг).

Применение

Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов 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 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 требуется 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 так же 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 (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) имеет 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 Sc-46 (период полураспада 83,83 сут) используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов, и лечения раковых опухолей.

Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут) один 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 так же 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 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), 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).

Читайте также:  Формула уравнения бернулли для жидкости

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 так же 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.

Биологическая роль

Скандий не играет никакой биологической роли.

Источник: http://himsnab-spb.ru/article/ps/sc

Скандий

Классификация и систематика минералов, горных пород, окаменелостей, метеоритов

Словарь минералов и горных пород Словарь окаменелостей и ископаемых организмов

Скандий и его характеристики СКАНДИЙ — искусственно выделенные кристаллы простого вещества, не встречающиеся в природе в самородном виде. Скандий, редкоземельный элемент, обычно выделяют из минерала тортвейтита (thortveitite), являющегося рудой скандия, но известно более ста минералов содержащих скандий. Английское название: Scandium

Происхождение названия: Назван первооткрывателем Ларсом Фредериком Нильсоном в честь Скандинавии, где и были добыты содержащие скандий минералы.

Впервые выделен: В 1879 Ларсом Фредериком Нильсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии.

Разновидности:

  • Скандий имеет две разновидности:1) α-Sc с гексагональной решёткой;2) β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой.
  • Температура перехода α-Sc в β-Sc 1336 °C.
  1. Сингония: Гексагональная
  2. Состав (формула): Sc
  3. Цвет: Серебристый с жёлтым отливом
  4. Прозрачность: Непрозрачный
  5. Блеск: Металлический
  6. Устойчивость: На воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой и прочной оксидной плёнкой.
  7. Удельный вес, г/см3: 2,99

Особые свойства: Лёгкий.Температура плавления: 1541 °C.

Температура кипения: 2836 °C.

Скандий можно получить при дистиляции металла в вакууме (10-5 мм рт. ст.) нагревая металл в вольфрамовом тигле до 1200–1300 градусов, тигель нагревается резистивным графитовым нагревателем.

Над тиглем должен располагаться конденсатор, металл не присутствует на нём в жидком виде, а сразу затвердевает. Сначала с конденсатора нужно собрать первые образования, это летучие примеси, после чего необходимо заменить конденсатор на новый, на котором уже кристаллизуется скандий.

В зависимости от различных условий скандий может кристаллизоваться в виде волокнистых кристаллов или в виде компактного слоя.

Также, кристаллы скандия можно получить используя метод сублимации*. Подобным методом искусственно выделяются кристалы золота.

*сублимация — при нагревании вещество переходит из твёрдого состояния в газообразное минуя стадию жидкого состояния. Скандий применяется человеком:1) в металлургии (изготовление различных сплавов);2) в микроэлектронике (изготовление устройств хранения электронной информации);3) в электронике (изготовление различных осветительных приборов, производство солнечных батарей);4) в медицине (изготовление зубных продезов);5) в производстве лазеров (сверхпроводники);6) в химии (в качестве стабилизатора для производства фианитов);и др.

Источник: https://kristallov.net/skandij.html

Химический элемент — Скандий (стр. 1 из 3)

  • ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
  • МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
  • КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
  • по дисциплине «ХИМИЯ»
  • на тему: «Химический элемент — Скандий»
  • Подготовил студент

4 ЭФ 2 Тарасов С.В.

Научный руководитель:

Патрушева О.А.

  1. МОСКВА 2010
  2. Содержание
  3. · История Скандия и происхождение его названия
  4. · Физические свойства Скандия
  5. · Химические свойства Скандия
  6. · Мировые ресурсы Скандия
  7. · Распространение Скандия в природе
  8. · Получение и производство Скандия
  9. · Применение Скандия
  10. · Металлургия
  11. · Сплавы скандия
  12. · Сверхтвёрдые материалы
  13. · Микроэлектроника
  14. · Источники света
  15. · Изотопы скандия
  16. · Ядерная энергетика
  17. · Медицина
  18. · Лазерные материалы
  19. · Производство солнечных батарей
  20. · МГД-генераторы
  21. · Рентгеновские зеркала
  22. · Огнеупорные материалы
  23. · Производство фианитов
  24. · Люминофоры
  25. · Литература
  26. История Скандия и происхождение его названия

Ска́ндий — элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементовД. И. Менделеева, с атомным номером 21 и атомной массой 44,9559, обозначается символом Sc (лат. Scandium). Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) — легкий металл серебристого цвета с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом.

Известен один природный стабильный изотоп 45Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46Sc с периодом полураспада 84 сут.

Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Физические свойства Cкандия

Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С — β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой.

Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см3, атомный радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (tпл 1539 °С, tкип 2700 °С, выше 1600 °С летуч.

При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) [6,01 ккал/(г·°С)], удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10-6 ом·см;

Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10-6 (20 °С). Скандий — мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке — ковке, прокатке, штамповке.

Химические свойства Cкандия

Sc — первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d14s2. По химическому поведению сходен с другими переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti3+, Fe3+, Mn3+), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам.

На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой толщиной до 600Å, 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 SсСl3.

Также Скандий реагирует с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С.

В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО3)2-, Sc (SO4)33-. Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия 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 Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO3 и HF (1 : 1).

Мировые ресурсы скандия

Колоссальные ресурсы скандия сосредоточены 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.

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.

Распространение Cкандия в природе

Среднее содержание скандия в земной коре 10 г/т. Содержание Скандия в морской воде 4·10-5 г/л.

Известно два собственных минерала Скандия: тортвейтит (Sc, Y)2 Si2O7 (Sc2O3 до 53,5%) и стерреттит Sc[PO4] • 2H2O (Sc2O3 до 39,2%), но встречаются они чрезвычайно редко.

Скандий является типичным рассеянным элементом и слабым мигрантом и входит в состав многих минералов.

По химическим и физическим свойствам к скандию близки 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.

  • 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.
  • 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%). Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов
  • Так как, в горных породах содержание Скандия различно, и в связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn2+,Fe2+, TR, Hf, Th, U, Zr, то главная его масса рассеивается в минералах, содержащих эти элементы.
  • 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 которых широко развито гетеровалентное замещение скандием Fe2+ и магния, а замещение циркония – в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.
  • 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.
  • Также имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc – Y в тортвейтите и замещение Al в берилле).
  • Получение и производство Cкандия
  • 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.

Скандий преимущественно в виде оксидов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов.

Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10-6 н/м2 (10-6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

  1. 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.
  2. Применение Скандия
  3. Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.
  4. 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 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 как 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.

Источник: https://mirznanii.com/a/326382/khimicheskiy-element-skandiy

Б9. Скандий — 952mpi

Геолого-промышленные
типы редкометалльных месторождений. Скандий.

Скандий

В природе скандий почти всегда содержится в минералах,
включающих редкоземельные элементы. Наиболее богатый скандием минерал – тортвейтит. Самые значительные его
м-ния расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре.

Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы
– стерреттит, кольбекит, больцит.

Зато в сотых и тысячных долях процента этот
элемент встречается в железных, в урановых, в оловянных, в вольфрамовых рудах,
в низкосортных углях, даже в морской воде и водорослях.

Основные
минералы-носители скандия: флюорит (до 1%), касситерит, вольфрамит, ильменорутил, торианит, самарскит, виикит, баццит
(скандиевый берилл). Всего известно более сотни скандий-содержащих
минералов 

Применение

Области применения скандия ограничены из-за его
дороговизны.

В силу своей высокой теплостойкости, легкости, высокой
прочности и химической стойкости скандий является перспективным конструкционным
материалом для авиа-и ракетостроения.

Металлы подгруппы скандия используются в
качестве добавок к отдельным сплавам.

(Металлургия; Сплавы скандия; Сверхтвёрдые
материалы; Микроэлектроника; Источники света; Ядерная энергетика; Медицина; Лазерные
материалы; Производство солнечных батарей; Рентгеновские зеркала)

  • Мировые запасы
  •             Скандий
    называют металлом двадцать первого века.
  •             Мировые
    запасы скандия имеют достаточно приблизительную оценку.

Нижний предел этих оценок западных специалистов
составляет 2400 т, а
 верхний
предел от 0.5 до 1.8 млн т.

Основные
мировые запасы металла приходятся на страны бывшего СССР. А именно:
Россию, Украину и Казахстан.

  1.             Так же
    ресурсы скандия имеются в Китае, Австралии, США, Японии.
  2. Геолого-промышленные типы
  3. Основными промышленными типами скандийсодержащих м-ний были:
    • Урановые (Меловое м-ние, страны бывшего СССР, Казахстан);
    • Ильменитовые концентраты циркон-титоновых россыпей (Малышевское, Иршанская группа, Украина).
  • Кроме этих типов малое количество скандия получают при
    разработке:
  • —  урановых
    месторождений пластово-инфильтрационного типа тортвейтитовых пегматитов
    (Ивеланд, Норвегия; Бефанамо, Мадагаскар);
  • —  урановых
    м-ний с давидитовой минерализацией (Радиум-Хилл,Австралия);

—  олово-вольфрамовых
грейзеновых мест-ний (Страны бывшего СССР и др.).

  1. В последние годы прошлого века разведаны м-ния, в которых
    скандий относится к числу главных полезных компонентов:
  2. —  Желторечинское
    (Украина);
  3. —  Томторское
    (Республика Саха(Якутия).
  4. Наиболее перспективные отечественные источники скандия:
  5. Ø  Ильменитовые
    концентраты россыпных и коренных месторождений ;
  6. Ø  Хвосты
    обогащения титаномагнетитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд;
  7. Ø  Урановые
    руды месторождений пластово-инфильтрационного типа.

Скандий-ванадиевый тип в титаномагнетитовых рудах
габбро-ультрабазитовых интрузий.
Примерами м-ний такого типа в России
являются: Гусевогорское и Качканарское (Свердловская область).Скандий
концентрируется в ультрабазитах: пироксенах(диопсиде) и роговой обманке.

Его
содержание в этих минералах 80-200 г/т, а так же в ильмените -100 г/т. Оливин
так же содержит повышенное, но меньшее количество скандия.Основная часть
скандия накапливается в силикатных 
хвостах руд ( в шламохранилище Качканарского ГОКа уже накоплено около 1
млрд т хвостов ).

Хвосты на 90% состоят из пироксена с примесью амфибола,
оливина, титаномагнетита и содержат 100-200 г/т скандия.

  • В Гусевогорском м-нии установлено, что:
    Основная часть скандия накапливается в силикатных хвостах мокрой магнитной
    сепарации руд.
  • Скандий-ванадиевый тип ильменит-титаномагнетитовых
    рудах дифференцированных габбровых интрузий и анортозитов.
  • Основной концентратор ванадия в рудах м-ний данного типа –
    титаномагнетит.
Читайте также:  Число е: определение, значение и примеры

—  Куранахское
м-ние
(Амурская область). В ильменитах массивных руд содержится 80 г/т Sc2O3  , в вкрапленных рудах – 70 г/т.

—  Стремигородское
м-ние
(Украина). Скандий учтён в качестве попутного компонента в ильменитах.
Среднее сод. Sc2O3  — 80 г/т.

  1. —  Ариадненское
    коренное м-ние (Приморский край) –уникальное содержание скандия в ильменитах –
    до 520 г/т.
  2. —              Самый крупный производитель скандия
    в России – Лермонтовское ПО «Алмаз»: оно производило до 500 кг Sc2O3  из отходов переработки ильменитовых
    концентратов Украины на пигментный диоксид титана.
  3. Скандиевый тип в циркон-титановых рудах
    прибрежно-морских и аллювиальных россыпей.
  4.             Характеризуется
    повышенным содержанием оксида скандия в ильмените (до 150 г/т), лейкоксене (до
    120 г/т), рутиле (до 150 г/т), цирконе (до 250 г/т) и монаците (до 300 г/т).
  5. Ванадий-скандий-рениевый тип в рудах урановых
    пластово-инфильтрационных месторождений

            Среднее
сод. Sc2O3   колеблется от 0,001 до 0,1%.

  • Скандий-редкоземельно-ниобиевый тип в переотложенных и
    эпигенетически измененных корах выветривания карбонатитов
  • Единствнный представитель данного типа – Томторское
    м-ние
    . составляет 480 г/т
  • Содержание Sc2O3 составляет 480
    г/т и является одним из самых высоких в мире.
  • Основные минералы концентраторы:
  • Монацит (0,005-0,2%);
  • Zr-ксенотим (0,1-0,5%);
  • Sc-циркон.
  1. При промышленной отработке м-ние может стать мировым
    источником скандия!
  2. Китай
  3. Месторождение
    уникального редкоземельного металла скандия нашли китайские геологи в провинции
    Чжэцзян, которая находится на Востоке Китая.
  4. Новое месторождения
    имеет большой потенциал — не менее 70 тонн.
  5. Также на месте залежей
    скандия геологи нашли: 800 т серебра, 130 тыс т свинца и цинка и 3 тыс т
    кадмия.
  6. Общая стоимость
    металлов, которые найдены в этом месторождении составляет не менее 70 млрд
    юаней, что равно 10,6 млрд долл США.
  7. США

            В США основные запасы скандия
заключены в хвостах разработки флюоритового месторождения Сrystal Mountain,
расположенного в штате Массачусетс. Накопленные за период 1952-1971 гг. отходы
содержат тортвейтит и другие обогащенные скандием минералы.

            В штате Оклахома ресурсы скандия
имеются в отходах разработки танталовых руд (содержание Sc – 0,24%).

            Меньшие ресурсы содержатся в W-, Mo-
и Ti-минералах месторождения Клаймакс в шт. Колорадо.

Австралия

            В Австралии запасы скандия известны
в урановых рудах и хвостах их разработки.

            Наиболее крупное открытие последних
лет – месторождение Лейк Иннес в латеритных корах выветривания
серпентинитов в шт. Новый Южный Уэльс.

            Запасы руды здесь оцениваются в 9
млн т с содержанием никеля 0,8%, кобальта – 0,11% и скандия – 36 г/т. Запасы
скандия составляют 500 т при среднем содержании 36 г/т и 40 т при среднем
содержании 76 г/т.

Источник: https://www.sites.google.com/site/952mpi/home/b9-skandij

Скандий: факты и фактики — Космос — медиаплатформа МирТесен

Чем хорош скандий?

Сочетанием малого веса и высокой температурой плавления.

Будучи 21-м элементом таблицы Менделеева, он располагается под алюминием в подгруппе 3Б, отличаясь от последнего втрое более высокой температурой плавления, а от соседнего титана — в полтора раза большей прочностью.

Серебристый с желтым отливом скандий, заметно окисляющийся на воздухе лишь при нагреве выше 250оС, мог бы стать прекрасным конструкционным материалом, может быть, даже основой цивилизации. Однако не стал.

Тем, что он чрезвычайно рассеян. Скандия в земной коре 10-3—10-4%. Это не так уж мало, если сравнить с бла­городными платиной (10-7), золотом (10-8) и даже серебром (10-6). Хотя до соседей по таблице, например кальция или титана, ему очень далеко.

Но вот по рассеянности скандий — рекордсмен: редко в каком минерале его содержание достигает 10 граммов на тонну. Поэтому добывать его не то чтобы сложно, но очень дорого. Цена на более-менее чистый скандий в разы превышает цену золота.

Такой металл никак не может стать основой циви­лизации, хотя он и содержится в отвалах многих предприятий по производству металлов или фосфорных удобрений.

Какую роль сыграл скандий в утверждении Периодической системы?

Сформулировав свой закон, Д. И. Менделеев пред­сказал свойства элементов в незаполненных ячейках таблицы. Среди них был и элемент 21, названный им экабором.

В 1879 году швед Ларс Нильсон обнаружил в минерале ауксените элемент, свойства которого оказались практически идентичны экабору.

Этот элемент, названный скандием в честь родины Нильсона, стал вторым доказательством справедливости закона: первым был открытый в 1875 году экалюминий — галлий.

Зачем скандий металловедам?

Не будь он столь редким и дорогим, технологи могли бы найти ему много применений. Главное — аэрокосмическая промышленность.

Так, добавка скандия в мельчайших количествах (доли весового процента) в сплавы алюминия и алюминия с магнием существенно, на десятки процентов, а порой и в разы увеличивает механические свойства: твердость, прочность, длительную прочность. Пластичность же при этом не уменьшается.

Эффекты достигаются за счет того, что скандий, во-первых, сильно уменьшает размер зерен металла, а во-вторых, выделяется в виде упрочняющих частиц интерметаллида — скандида алюминия AlSc2. И заменить его нечем.

Вот свежий опыт, поставленный немецкими учеными, которые делали тонкую алюминиевую пленку для последующей штамповки микроскопических деталей. Сплав с добавкой скандия удовлетворяет всем требованиям технологов, но уж очень хочется избавиться от этого дорогого элемента.

Что если взять химический аналог — иттрий, стоящий в таблице сразу под скандием? Взяли и обнаружили, что структура пленок у обоих сплавов схожая, а прочность той, что с иттрием, даже выше. Но вот пластичность упала почти до нуля. Из такой пленки ничего не отштампуешь. Среди прочих достоинств алюминиевых сплавов со скандием — свариваемость и поглощение радиоволн; последнее нужно для облегчения маскировки боевых самолетов.

Легкие сплавы прежде всего нужны авиации и космонавтике. Если не думать о цене, для столь важного дела следует применять самый лучший материал. (Вспомним слова, приписываемые конструктору МИГов А. И. Микояну: «Если надо, мои самолеты будут заправляться армянским коньяком».

) Так и делали в СССР, где была поставлена задача — получить десять тонн скандия в год (больше, чем все остальные страны, вместе взятые) и пре­вратить его в тысячу тонн высокопрочного алюминиевого сплава.

Из такого сплава, в частности, были сделаны элементы обшивки космического челнока «Буран».

Если же думать о цене, то возникает вопрос: а окупаются ли затраты? Пусть самолет будет тяжелее, но дешевле, ведь по со­стоянию на 2011 год, согласно данным из доклада Геологической службы США «Mineral Commodity Summaries 2012» килограмм алюминий-скандиевого сплава стоил 220 долларов (годом ранее — 74 доллара). А килограмм чистого алюминия шел на бирже по два доллара. Видимо, соображения экономии и привели после пере­стройки к значительному падению спроса на скандий и сокраще­нию его производства. Так, по данным того же доклада, в главной авиастроительной стране мира, США, скандий не добывают аж с 1990 года, а пользуются поставками из КНР, России и Украины. При этом основное использование алюминиевых сплавов со скандием сегодня — изготовление профессиональных бейсбольных бит, а также рам очень дорогих гоночных велосипедов.

Впрочем, будущее этого металла авторы доклада все же связы­вают с авиацией и космосом. Может быть, имеется в виду второе рождение известных легких сплавов, а может быть, и уникальный новый материал — бериллид скандия ScBe16.

Это легчайший из возможных (удельный молекулярный вес в расчете на один атом оказывается чуть больше 11, то есть меньше, чем у углерода) металлический конструкционный материал, способный выдер­живать нагрев на воздухе до 1600оС.

Энтузиасты заявляют, что, будь в нашем распоряжении много скандия и бериллия, именно из их интерметаллида делали бы космические корабли, двигате­ли, турбины электростанций и много чего еще.

Увы, при этом они упускают из виду, что интерметаллиды — вещества хотя и проч­ные, но, как правило, хрупкие, и ни один конструктор по доброй воле такой материал в ответственную конструкцию не поставит.

Конечно, можно различными ухищрениями поднять пластичность материала, но, если это требуется делать в огромном интервале температур, от комнатной до белого каления, задача становится практически неразрешимой. А традиционным легким сплавам в самолетах на пятки наступают углепластики — материалы легчай­шие и прочнейшие. Поэтому авиационно-космическое будущее сплавам со скандием отнюдь не гарантировано.

Как скандий связан со светом?

Скандий присутствует в галогеновых лампах. Именно он обеспечивает им спектр излучения, сходный с солнечным. Считается, что светодиоды сегодня вы­тесняют такие лампы с рынка. А вот в лазерах скандий прочно занял свое место: его добавляют в состав иттрий-галиевых гранатов — основы современных твердотельных лазеров. В частности, на иттрий-скандий-галлиевом гранате созданы ме­дицинские лазеры. Например, ими пытаются лечить кариес и омолаживать кожу лица. Первое направление раз за разом дока­зывает свою бесперспективность: стальной бур в сравнительных испытаниях всегда лучше вычищает больной зуб от пораженного материала, соответственно и прочность крепления пломбы при этом оказывается вышe. И стерилизовать зубы полностью не удается, хотя, если промыть каналы корня зуба гипохлоритом натрия NaOCl и осветить лазером мощностью в 1 Вт, вредных грибков Candida albicans в них оказывается существенно меньше, чем при других видах де­зинфекции. Что же касается омоложения, ради которого «испаряют» лазером верхний слой кожи лица, то у гранатового лазера со скандием есть сильный конкурент — лазер на углекислом газе. Разница в том, что импульсный гранатовый лазер гораздо меньше нагревает кожу, нежели газовый. Казалось бы, это должно дать ему преимущество. Однако многократные сравнения разных лазеров этого не подтверждают. Вот описание одного из опытов. У 28 пациенток лица разделили на четыре участ­ка, и каждый из них обрабатывали случайно выбранным лазером. Последующий анализ не показал статистически значимого раз­личия ни в качестве омоложения, ни в самочувствии пациенток. Стало быть, использование разных лазеров объясняется маркетинговыми причинами, а не медицинскими показаниями, делают вывод авторы работы.

Зачем нужен радиоактивный скандий и как его делают?

Са­мым интересным радиоактивным изотопом оказался скандий-44 с периодом полураспада 3,97 часа, излучающий позитроны. Ге­нератором этого скандия служит радиоактивный изотоп титан-44, с периодом полураспада 60 лет. Из такого генератора ежедневно извлекают порцию скандия для исследований.

А служит он для позитронно-эмиссионной томографии.

Благодаря относительно большому времени жизни скандия-44, а также тому, что после из­лучения позитрона остается безвредный кальций-44, созданные на его основе препараты позволяют следить за длительными перемещениями лекарственных и других веществ в организме.

Какие новые приложения могут появиться у скандия?

Очевид­но, что обеспечить потребление столь дорогого вещества может только его выдающееся свойство. Не исключено, что в ближайшее время он поможет накапливать водород для устройств водо­родной энергетики, причем вес водорода превысит критическое значение в 5%. Материалы, содержащие скандий, демонстрируют очень хорошие результаты.

Так, порошок из частиц Mg65Sc35 сумел накопить до 6,4% водорода, причем спустя 50 циклов зарядка- разрядка способность к накоплению упала не столь уж сильно — до 4,3%. Добавка скандия существенно ускорила скорость пере­мещения водорода, снизив активационную энергию этого процес­са в два раза.

Расчет поведения кластеров SiхAl12 со скандиевым покрытием показал, что они, во-первых, не будут слипаться, а во-вторых, смогут накопить более 6% водорода. Аналогич­ный расчет для наночешуек графена, декорированных по торцу скандием, предсказывает накопление уже 9% водорода, причем с удивительно низким значением энергии связи.

Для графена с кальцием те же исследователи получили емкость лишь в 5%. Видимо, теперь дело за экспериментальной проверкой. А вот пористые полимеры, даже со скандием, на рекорд не пошли — они вбирают в себя не более 3 вес. % водорода.

Чем скандий похож на красную ртуть?

Три вещества: скан­дий, красная ртуть и изотопно-чистый осмий-187 прославились в конце перестройки тем, что все мало-мальски связанные с металлургией люди разыскивали их в надежде мгновенно раз­богатеть. Соблазн был очень велик, ведь граммы этих металлов оценивались в сотни долларов.

Ажиотаж подогревался тем об­стоятельством, что в советскую эпоху было принято заказывать некоторые элементы в избыточном количестве, например, чтобы выбрать в конце года выделенные на финансирование института фонды. В результате у многих в запасниках скопились всевоз­можные редкие и дорогие вещества — рений, индий, лантан, ниобий, гафний, тот же скандий.

Через некоторое время запасы списывали, металл же оставался в столе на всякий случай для будущих исследований. С развитием товарно-денежных отно­шений появилась возможность обратить эти запасы в наличные. Многие ли сумели этой возможностью воспользоваться — не­известно, но сплетни о том, что есть спрос на дорогие металлы, распространились со скоростью степного пожара.

Если красная ртуть — вещество скорее вымышленное, а осмий-187 — чрез­вычайно специальное, то скандий — пусть редкий, но всем по­нятный легирующий элемент специальных сплавов.

Об операции «скандий—красная ртуть—осмий-187» есть не­сколько мнений. По одной, самой безобидной, западные партнеры таким образом искали поставщиков ценного сырья из-за желез­ного занавеса. По другой — ее организовали спецслужбы для выявления каналов контрабанды и утечки гостайны.

Конспирологи утверждают: таким способом по фиктивным контрактам в СССР были завезены деньги для оплаты подрывных действий — фик­тивно вывозить металл, два килограмма которого тянут на пол­миллиона долларов, легче, чем вагоны с алюминием.

Впрочем, это могло быть банальным разворовыванием советских запасов, например, в результате перепродажи металла по заниженной цене.

Стоил же скандий и тогда, и сейчас очень дорого, в чем можно убедиться, пролистав упомянутый американский отчет: один грамм скандия, например, в форме дендритов (их получают, осаждая чистый металл из пара) стоил в 2011 году 199 долларов (примерно в четыре раза дороже золота), а в 2007-м — 208 дол­ларов. Это не сильно отличается от 191 доллара — стоимости грамма тех же дендритов чистотой 99,99% в 1994 году.

Во всей этой истории совершенно непонятно, кому нужен скан­дий, если производство материалов на его основе невелико и все поставщики столь хорошо известны, что обращаться к черному рынку не имеет смысла. Есть мнение, что вся процедура связа­на с обманом банкиров.

Дорогой металл — отличное средство залога, если же он тебе достался дешево, а то и бесплатно, то можно с легким сердцем взять под него кредит, переложив на банкиров головную боль, связанную с последующей продажей дорогого, но мало кому нужного вещества.

Не исключено, что советский скандий до сих пор обращается в этой далекой от материаловедения сфере.

А. Мотыляев

Источник: https://cosmos.mirtesen.ru/blog/43670348569/next

Ссылка на основную публикацию