Skand, o symbolu pierwiastka Sc i liczbie atomowej 21, jest łatwo rozpuszczalny w wodzie, może wchodzić w interakcję z gorącą wodą i łatwo ciemnieje w powietrzu. Jego główna wartościowość wynosi +3. Często miesza się go z gadolinem, erbem i innymi pierwiastkami, z niską wydajnością i zawartością około 0,0005% w skorupie. Skand jest często używany do produkcji specjalnego szkła i lekkich stopów wysokotemperaturowych.
Obecnie potwierdzone zasoby skandu na świecie wynoszą zaledwie 2 miliony ton, z czego 90–95% znajduje się w rudach boksytu, fosforytu i żelaza i tytanu, a niewielka część w rudach uranu, toru, wolframu i metali ziem rzadkich, głównie dystrybuowany w Rosji, Chinach, Tadżykistanie, Madagaskarze, Norwegii i innych krajach. Chiny są bardzo bogate w zasoby skandu i posiadają ogromne zasoby minerałów związanych ze skandem. Według niepełnych statystyk zasoby skandu w Chinach wynoszą około 600 000 ton i są zawarte w złożach boksytu i fosforytu, złożach porfiru i wolframu z żyłami kwarcowymi w południowych Chinach, złożach ziem rzadkich w południowych Chinach, złożach rudy żelaza pierwiastków ziem rzadkich Bayan Obo w Mongolia Wewnętrzna i złoże magnetytu tytanowo-wanadowego Panzhihua w Syczuanie.
Ze względu na niedobór skandu cena skandu jest również bardzo wysoka, a w szczytowym okresie cena skandu została zawyżona do 10-krotności ceny złota. Chociaż cena skandu spadła, nadal jest czterokrotnie wyższa od ceny złota!
Odkrywanie historii
W 1869 roku Mendelejew zauważył różnicę w masie atomowej pomiędzy wapniem (40) a tytanem (48) i przewidział, że występuje tu również nieodkryty pierwiastek o pośredniej masie atomowej. Przewidział, że jego tlenkiem jest 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 rudy czarnego rzadkiego złota i otrzymanyTlenek iterbu(III).z tego tlenku i istnieje inny tlenek lżejszego pierwiastka, którego widmo wskazuje, że jest to metal nieznany. Jest to metal przewidziany przez Mendelejewa, którego tlenek jestSc₂O₃. Sam skand metaliczny został wyprodukowany zChlorek skanduprzez stopienie elektrolityczne w 1937 r.
Mendelejew
Konfiguracja elektronowa
Konfiguracja elektronów: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Skand to miękki, srebrno-biały metal przejściowy o temperaturze topnienia 1541 ℃ i temperaturze wrzenia 2831 ℃.
Przez znaczny okres czasu po jego odkryciu nie wykazano zastosowania skandu ze względu na jego trudności w produkcji. Wraz z rosnącym udoskonalaniem metod separacji pierwiastków ziem rzadkich istnieje obecnie dojrzały przebieg procesu oczyszczania związków skandu. Ponieważ skand jest mniej zasadowy niż itr i lantanowce, wodorotlenek jest najsłabszy, zatem mieszany minerał pierwiastków ziem rzadkich zawierający skand zostanie oddzielony od pierwiastka ziem rzadkich metodą „stopniowego wytrącania”, gdy wodorotlenek skandu(III) zostanie potraktowany amoniakiem po przenoszone do roztworu. Inną metodą jest oddzielenie azotanu skandu poprzez polarny rozkład azotanu. Ponieważ azotan skandu jest najłatwiejszy do rozkładu, skand można oddzielić. Ponadto ważnym źródłem skandu jest również kompleksowe odzyskiwanie towarzyszącego skandu z uranu, toru, wolframu, cyny i innych złóż mineralnych.
Po otrzymaniu czystego związku skandu przekształca się go w ScCl Å i współtopi się z KCl i LiCl. Stopiony cynk służy jako katoda do elektrolizy, powodując wytrącanie się skandu na elektrodzie cynkowej. Następnie cynk odparowuje się, otrzymując metaliczny skand. Jest to lekki srebrno-biały metal o bardzo aktywnych właściwościach chemicznych, który może reagować z gorącą wodą, wytwarzając gazowy wodór. Zatem skand metalu, który widzisz na zdjęciu, jest zamknięty w butelce i chroniony gazowym argonem, w przeciwnym razie skand szybko utworzy ciemnożółtą lub szarą warstwę tlenku, tracąc swój błyszczący metaliczny połysk.
Aplikacje
Przemysł oświetleniowy
Zastosowania skandu skupiają się w bardzo jasnych kierunkach i nie jest przesadą nazwać go Synem Światła. Pierwszą magiczną bronią skandu jest lampa sodowa skandowa, za pomocą której można oświetlić tysiące gospodarstw domowych. Jest to światło elektryczne metalohalogenkowe: żarówka jest wypełniona jodkiem sodu i trójjodkiem skandu, a jednocześnie dodaje się skand i folię sodową. Podczas wyładowania wysokonapięciowego jony skandu i jony sodu emitują odpowiednio światło o charakterystycznej długości fali 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, co stanowi serię emisji światła bliskiego ultrafioletu i światła niebieskiego. Ponieważ uzupełniają się wzajemnie, całkowity wytwarzany kolor światła to światło białe. Właśnie dlatego, że lampy sodowe skandowe charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną, dobrą barwą światła, oszczędnością energii, długą żywotnością i dużą zdolnością do rozbijania mgły, mogą być szeroko stosowane w kamerach telewizyjnych, placach, obiektach sportowych i oświetleniu dróg, i znane są jako źródła światła trzeciej generacji. W Chinach tego typu lampy są stopniowo promowane jako nowa technologia, natomiast w niektórych krajach rozwiniętych tego typu lampy były szeroko stosowane już na początku lat 80-tych.
Drugą magiczną bronią skandu są słoneczne ogniwa fotowoltaiczne, które mogą gromadzić światło rozproszone na ziemi i zamieniać je w energię elektryczną, która napędza społeczeństwo ludzkie. Skand jest najlepszym metalem barierowym w metalowych, półprzewodnikowych krzemowych ogniwach słonecznych i ogniwach słonecznych.
Jej trzecia magiczna broń nazywa się γ Źródło promienia. Ta magiczna broń może sama jasno świecić, ale tego rodzaju światła nie można dostrzec gołym okiem, jest to przepływ fotonów o wysokiej energii. Zwykle ekstrahujemy 45Sc z minerałów, który jest jedynym naturalnym izotopem skandu. Każde jądro 45Sc zawiera 21 protonów i 24 neutrony. 46Sc, sztuczny izotop promieniotwórczy, można stosować jako źródła promieniowania γ lub atomy znacznikowe można również stosować w radioterapii nowotworów złośliwych. Istnieją również zastosowania takie jak laser z granatem itrowo-galowym i skandowym,Fluorek skanduszklany światłowód na podczerwień i lampa elektronopromieniowa pokryta skandem w telewizji. Wygląda na to, że skand rodzi się z jasnością.
Przemysł stopowy
Skand w postaci pierwiastkowej jest szeroko stosowany do domieszkowania stopów aluminium. Dopóki do aluminium doda się kilka tysięcznych skandu, utworzy się nowa faza Al3Sc, która będzie odgrywać rolę metamorfizmu w stopie aluminium i spowoduje znaczącą zmianę struktury i właściwości stopu. Dodanie 0,2% ~ 0,4% Sc (co jest bardzo podobne do proporcji dodawania soli do smażonych warzyw w domu, wystarczy niewielka ilość) może zwiększyć temperaturę rekrystalizacji stopu o 150-200 ℃ i znacznie poprawić wysoką -wytrzymałość temperaturowa, stabilność strukturalna, wydajność spawania i odporność na korozję. Pozwala także uniknąć zjawiska kruchości, które łatwo wystąpić podczas długotrwałej pracy w wysokich temperaturach. Stop aluminium o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wytrzymałości, nowy, wysokowytrzymały, odporny na korozję, spawalny stop aluminium, nowy wysokotemperaturowy stop aluminium, wysokowytrzymały stop aluminium odporny na promieniowanie neutronowe itp. mają bardzo atrakcyjne perspektywy rozwoju w przemyśle lotniczym, lotniczym, statkowym, reaktory jądrowe, lekkie pojazdy i pociągi dużych prędkości.
Skand jest również doskonałym modyfikatorem żelaza, a niewielka ilość skandu może znacznie poprawić wytrzymałość i twardość żeliwa. Ponadto skand można również stosować jako dodatek do wysokotemperaturowych stopów wolframu i chromu. Oczywiście, oprócz produkcji ubrań ślubnych dla innych, skand ma wysoką temperaturę topnienia, a jego gęstość jest podobna do aluminium i jest również stosowany w lekkich stopach o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak stop skandu-tytanu i stop skandu-magnezu. Jednak ze względu na wysoką cenę jest on powszechnie stosowany tylko w zaawansowanych gałęziach przemysłu, takich jak promy kosmiczne i rakiety.
Materiał ceramiczny
Skand, będący pojedynczą substancją, jest powszechnie stosowany w stopach, a jego tlenki w podobny sposób odgrywają ważną rolę w materiałach ceramicznych. Tetragonalny materiał ceramiczny z tlenku cyrkonu, który można zastosować jako materiał elektrodowy do ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem, ma wyjątkową właściwość polegającą na tym, że przewodność tego elektrolitu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i stężenia tlenu w środowisku. Jednakże struktura krystaliczna tego materiału ceramicznego sama w sobie 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 konstrukcję betonową, dzięki czemu tlenek cyrkonu można ustabilizować na kwadratowej siatce.
Istnieją również inżynieryjne materiały ceramiczne, takie jak azotek krzemu o wysokiej wytrzymałości i odporności na wysoką temperaturę, jako zagęszczacze i stabilizatory.
Jako zagęszczacz,Tlenek skandumoże tworzyć fazę ogniotrwałą Sc2Si2O7 na krawędzi drobnych cząstek, zmniejszając w ten sposób odkształcenia ceramiki konstrukcyjnej pod wpływem wysokiej temperatury. W porównaniu z innymi tlenkami może lepiej poprawić właściwości mechaniczne azotku krzemu w wysokich temperaturach.
Chemia katalityczna
W inżynierii chemicznej skand jest często stosowany jako katalizator, natomiast Sc2O3 można stosować do odwodnienia i odtleniania etanolu lub izopropanolu, rozkładu kwasu octowego i produkcji etylenu z CO i H2. Katalizator Pt Al zawierający Sc2O3 jest także ważnym katalizatorem w procesach oczyszczania i rafinacji oleju ciężkiego poprzez uwodornienie w przemyśle petrochemicznym. W reakcjach krakingu katalitycznego, takich jak kumen, aktywność katalizatora zeolitowego Sc-Y jest 1000 razy wyższa niż katalizatora z krzemianu glinu; W porównaniu z niektórymi tradycyjnymi katalizatorami perspektywy rozwoju katalizatorów skandowych będą bardzo jasne.
Branża energetyki jądrowej
Dodanie niewielkiej ilości Sc2O3 do UO2 w paliwie jądrowym w reaktorze wysokotemperaturowym pozwala uniknąć transformacji sieci, wzrostu objętości i pękania spowodowanego konwersją UO2 do U3O8.
Ogniwo paliwowe
Podobnie dodanie 2,5% do 25% skandu do niklowych baterii alkalicznych zwiększy ich żywotność.
Hodowla rolnicza
W rolnictwie nasiona takie jak kukurydza, buraki, groch, pszenica i słonecznik można traktować siarczanem skandu (stężenie wynosi zazwyczaj 10-3 ~ 10-8 mol/l, różne rośliny będą miały różne właściwości), a rzeczywisty efekt promowania kiełkowania zostało osiągnięte. Po 8 godzinach sucha masa korzeni i pąków wzrosła odpowiednio o 37% i 78% w porównaniu z sadzonkami, ale mechanizm jest nadal badany.
Od uwagi Nielsena na temat długu w postaci danych o masie atomowej do dnia dzisiejszego skand pojawiał się w ludzkiej wizji dopiero od stu lub dwudziestu lat, ale przez sto lat prawie leżał na ławce rezerwowych. Dopiero energiczny rozwój nauk o materiałach pod koniec ubiegłego wieku przyniósł mu witalność. Obecnie pierwiastki ziem rzadkich, w tym skand, stały się gorącymi gwiazdami materiałoznawstwa, odgrywając stale zmieniającą się rolę w tysiącach systemów, zwiększając wygodę naszego życia każdego dnia i tworząc jeszcze trudniejszą do zmierzenia wartość ekonomiczną.
Czas publikacji: 29 czerwca 2023 r