Skand, o symbolu pierwiastka Sc i liczbie atomowej 21, jest łatwo rozpuszczalny w wodzie, może wchodzić w interakcje z gorącą wodą i łatwo ciemnieje w powietrzu. Jego główna wartościowość to +3. Często miesza się go z gadolinem, erbem i innymi pierwiastkami, z niską wydajnością i zawartością około 0,0005% w skorupie ziemskiej. Skand jest często używany do produkcji specjalnego szkła i lekkich stopów wysokotemperaturowych.
Obecnie udowodnione rezerwy skandu na świecie wynoszą zaledwie 2 miliony ton, z czego 90~95% znajduje się w boksytach, fosforytach i rudach tytanu żelaza, a niewielka część w rudach uranu, toru, wolframu i metali ziem rzadkich, głównie w Rosji, Chinach, Tadżykistanie, Madagaskarze, Norwegii i innych krajach. Chiny są bardzo bogate w zasoby skandu, z ogromnymi rezerwami mineralnymi związanymi ze skandem. Według niekompletnych statystyk rezerwy skandu w Chinach wynoszą około 600000 ton, które znajdują się w złożach boksytów i fosforytów, porfirowych i kwarcowych złożach wolframu w południowych Chinach, złożach metali ziem rzadkich w południowych Chinach, złożach rud żelaza ziem rzadkich Bayan Obo w Mongolii Wewnętrznej i złożach magnetytu wanadowo-tytanowego Panzhihua w Syczuanie.
Ze względu na niedobór skandu, cena skandu jest również bardzo wysoka, a w szczytowym momencie cena skandu była 10 razy wyższa od ceny złota. Chociaż cena skandu spadła, nadal jest czterokrotnie wyższa od ceny złota!
Odkrywanie historii
W 1869 roku Mendelejew zauważył lukę w masie atomowej między wapniem (40) a tytanem (48) i przewidział, że istnieje tu również nieodkryty pierwiastek o pośredniej masie atomowej. Przewidział, że jego tlenek to X ₂ O Å. Skand został odkryty w 1879 roku przez Larsa Frederika Nilsona z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji. Wydobył go z kopalni czarnego, rzadkiego złota, złożonej rudy zawierającej 8 rodzajów tlenków metali. WydobyłTlenek erbu(III)z czarnej, rzadkiej rudy złota i uzyskanoTlenek iterbu(III)z tego tlenku i jest inny tlenek lżejszego pierwiastka, którego widmo pokazuje, że jest to nieznany metal. To jest metal przewidziany przez Mendelejewa, którego tlenek jestSc₂O₃Sam metal skandowy został wyprodukowany zChlorek skanduprzez stopienie elektrolityczne w 1937 roku.
Mendelejew
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronowa: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Skand jest miękkim, srebrzystobiałym metalem przejściowym o temperaturze topnienia 1541 ℃ i temperaturze wrzenia 2831 ℃.
Przez długi okres czasu po odkryciu skandu nie wykazano jego zastosowania ze względu na trudności w produkcji. Wraz ze wzrostem udoskonalenia metod separacji pierwiastków ziem rzadkich, istnieje obecnie dojrzały proces oczyszczania związków skandu. Ponieważ skand jest mniej zasadowy niż itr i lantanowiec, wodorotlenek jest najsłabszy, więc mieszany minerał ziem rzadkich zawierający skand zostanie oddzielony od pierwiastka ziem rzadkich metodą „wytrącania krokowego”, gdy wodorotlenek skandu(III) zostanie potraktowany amoniakiem po przeniesieniu do roztworu. Inną metodą jest oddzielenie azotanu skandu przez polarny rozkład azotanu. Ponieważ azotan skandu jest najłatwiejszy do rozkładu, skand można oddzielić. Ponadto kompleksowe odzyskiwanie towarzyszącego skandu z uranu, toru, wolframu, cyny i innych złóż mineralnych jest również ważnym źródłem skandu.
Po uzyskaniu czystego związku skandu, jest on przekształcany w ScCl Å i topi się z KCl i LiCl. Stopiony cynk jest używany jako katoda do elektrolizy, powodując wytrącanie się skandu na elektrodzie cynkowej. Następnie cynk jest odparowywany, aby uzyskać metaliczny skand. Jest to lekki srebrzystobiały metal o bardzo aktywnych właściwościach chemicznych, który może reagować z gorącą wodą, wytwarzając gaz wodorowy. Tak więc metaliczny skand, który widzisz na zdjęciu, jest zamknięty w butelce i chroniony argonem, w przeciwnym razie skand szybko utworzy ciemnożółtą lub szarą warstwę tlenku, tracąc swój błyszczący metaliczny połysk.
Aplikacje
Przemysł oświetleniowy
Zastosowania skandu koncentrują się w bardzo jasnych kierunkach i nie będzie przesadą nazwanie go Synem Światła. Pierwszą magiczną bronią skandu jest lampa skandowo-sodowa, która może być używana do oświetlania tysięcy gospodarstw domowych. Jest to lampa metalohalogenkowa: żarówka jest wypełniona jodkiem sodu i trójjodkiem skandu, a skand i folia sodowa są dodawane w tym samym czasie. Podczas wyładowania wysokiego napięcia jony skandu i jony sodu odpowiednio emitują światło o charakterystycznych długościach fal emisji. Linie widmowe sodu to 589,0 i 589,6 nm, dwa słynne żółte światła, podczas gdy linie widmowe skandu to 361,3~424,7 nm, seria emisji światła bliskiego ultrafioletu i niebieskiego. Ponieważ się uzupełniają, ogólny kolor wytwarzanego światła to światło białe. Właśnie dlatego, że lampy skandowo-sodowe charakteryzują się wysoką wydajnością świetlną, dobrą barwą światła, oszczędnością energii, długą żywotnością i silną zdolnością rozpraszania mgły, mogą być szeroko stosowane w kamerach telewizyjnych, na placach, obiektach sportowych i oświetleniu dróg, i są znane jako źródła światła trzeciej generacji. W Chinach ten typ lampy jest stopniowo promowany jako nowa technologia, podczas gdy w niektórych krajach rozwiniętych ten typ lampy był szeroko stosowany już na początku lat 80.
Drugą magiczną bronią skandu są ogniwa fotowoltaiczne, które mogą zbierać światło rozproszone na ziemi i zamieniać je w energię elektryczną, aby napędzać ludzkie społeczeństwo. Skand jest najlepszym metalem barierowym w metalowych izolatorach, półprzewodnikach, krzemowych ogniwach słonecznych i ogniwach słonecznych.
Trzecia magiczna broń nazywa się γ Źródło promieni, ta magiczna broń może świecić jasno sama z siebie, ale tego rodzaju światła nie można zobaczyć gołym okiem, jest to przepływ fotonów o wysokiej energii. Zazwyczaj wydobywamy 45Sc z minerałów, które są jedynymi naturalnymi izotopami skandu. Każde jądro 45Sc zawiera 21 protonów i 24 neutrony. 46Sc, sztuczny izotop radioaktywny, może być używany jako γ Źródła promieniowania lub atomy znacznikowe mogą być również używane do radioterapii nowotworów złośliwych. Istnieją również zastosowania takie jak laser itrowo-galowo-skandowo-granatowy,Fluorek skanduszkło podczerwone światłowód i lampa elektronopromieniowa pokryta skandem w telewizji. Wygląda na to, że skand rodzi się z jasnością.
Przemysł stopowy
Skand w swojej pierwiastkowej formie jest szeroko stosowany do domieszkowania stopów aluminium. Jeśli do aluminium zostanie dodanych kilka tysięcznych skandu, powstanie nowa faza Al3Sc, która będzie odgrywać rolę metamorfizmu w stopie aluminium i sprawi, że struktura i właściwości stopu ulegną znacznej zmianie. Dodanie 0,2%~0,4% Sc (co jest naprawdę podobne do proporcji dodawania soli do smażonych warzyw w domu, wystarczy odrobina) może zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu o 150-200 ℃ i znacznie poprawić wytrzymałość w wysokiej temperaturze, stabilność strukturalną, wydajność spawania i odporność na korozję. Może również uniknąć zjawiska kruchości, które łatwo występuje podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach. Bardzo wytrzymały i odporny na korozję stop aluminium, nowy bardzo wytrzymały, odporny na korozję, spawalny stop aluminium, nowy wysokotemperaturowy stop aluminium, bardzo wytrzymały, odporny na promieniowanie neutronowe stop aluminium itp. mają bardzo atrakcyjne perspektywy rozwoju w przemyśle lotniczym, kosmonautycznym, okrętowym, reaktorach jądrowych, lekkich pojazdach i szybkich pociągach.
Skand jest również doskonałym modyfikatorem żelaza, a niewielka ilość skandu może znacznie poprawić wytrzymałość i twardość żeliwa. Ponadto skand może być również stosowany jako dodatek do wysokotemperaturowych stopów wolframu i chromu. Oczywiście, oprócz produkcji odzieży ślubnej dla innych, skand ma wysoką temperaturę topnienia, a jego gęstość jest podobna do gęstości aluminium i jest również stosowany w lekkich stopach o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak stop tytanu ze skandem i stop magnezu ze skandem. Jednak ze względu na wysoką cenę jest on ogólnie stosowany tylko w zaawansowanych gałęziach przemysłu, takich jak wahadłowce kosmiczne i rakiety.
Materiał ceramiczny
Skand, pojedyncza substancja, jest powszechnie stosowany w stopach, a jego tlenki odgrywają ważną rolę w materiałach ceramicznych w podobny sposób. Tetragonalny materiał ceramiczny cyrkonowy, który może być stosowany jako materiał elektrodowy do ogniw paliwowych tlenkowych, ma unikalną właściwość, w której przewodność tego elektrolitu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i stężenia tlenu w środowisku. Jednak sama struktura krystaliczna tego materiału ceramicznego nie może istnieć stabilnie i nie ma wartości przemysłowej; konieczne jest domieszkowanie niektórych substancji, które mogą utrwalić tę strukturę, aby zachować jej pierwotne właściwości. Dodanie 6~10% tlenku skandu przypomina strukturę betonu, dzięki czemu cyrkon można ustabilizować na kwadratowej siatce.
Dostępne są również materiały ceramiczne do zastosowań inżynieryjnych, takie jak azotek krzemu o wysokiej wytrzymałości i odporności na wysokie temperatury, pełniący funkcję zagęszczaczy i stabilizatorów.
Jako środek zagęszczający,Tlenek skandumoże tworzyć fazę ogniotrwałą Sc2Si2O7 na krawędzi drobnych cząstek, zmniejszając w ten sposób odkształcenie wysokotemperaturowe ceramiki inżynieryjnej. W porównaniu z innymi tlenkami może lepiej poprawić właściwości mechaniczne azotku krzemu w wysokiej temperaturze.
Chemia katalityczna
W inżynierii chemicznej skand jest często używany jako katalizator, podczas gdy Sc2O3 może być używany do dehydratacji i deoksydacji etanolu lub izopropanolu, rozkładu kwasu octowego i produkcji etylenu z CO i H2. Katalizator Pt Al zawierający Sc2O3 jest również ważnym katalizatorem w procesach uwodornienia i rafinacji ciężkich olejów w przemyśle petrochemicznym. W reakcjach krakingu katalitycznego, takich jak kumen, aktywność katalizatora zeolitowego Sc-Y jest 1000 razy wyższa niż katalizatora krzemianu glinu; W porównaniu z niektórymi tradycyjnymi katalizatorami, perspektywy rozwoju katalizatorów skandowych będą bardzo jasne.
Przemysł energetyki jądrowej
Dodanie niewielkiej ilości Sc2O3 do UO2 w paliwie jądrowym reaktora wysokotemperaturowego może zapobiec przemianie sieci, zwiększeniu objętości i pęknięciom wywoływanym przez konwersję UO2 do U3O8.
Ogniwo paliwowe
Podobnie, dodanie 2,5% do 25% skandu do baterii niklowo-alkalicznych wydłuży ich żywotność.
Hodowla rolnicza
W rolnictwie nasiona takie jak kukurydza, buraki, groch, pszenica i słonecznik mogą być traktowane siarczanem skandu (stężenie wynosi zazwyczaj 10-3~10-8mol/l, różne rośliny będą miały różne), a rzeczywisty efekt promowania kiełkowania został osiągnięty. Po 8 godzinach sucha masa korzeni i pąków wzrosła odpowiednio o 37% i 78% w porównaniu z siewkami, ale mechanizm ten jest nadal przedmiotem badań.
Od czasu, gdy Nielsen zwrócił uwagę na dług danych o masie atomowej, do dziś skand wszedł w ludzkie pole widzenia zaledwie sto lub dwadzieścia lat temu, ale prawie od stu lat siedział na ławce rezerwowych. Dopiero gwałtowny rozwój nauki o materiałach pod koniec ubiegłego wieku przyniósł mu witalność. Obecnie pierwiastki ziem rzadkich, w tym skand, stały się gorącymi gwiazdami w nauce o materiałach, odgrywając ciągle zmieniające się role w tysiącach systemów, przynosząc coraz większą wygodę naszemu życiu każdego dnia i tworząc wartość ekonomiczną, którą jeszcze trudniej zmierzyć.
Czas publikacji: 29-06-2023