Надо Знать

добавить знаний



Скандий


Scandium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg

План:


Введение

Скандий - химический элемент с символом Sc и порядковым номером в Периодической системе 21. Серебристо-белый металл, относится к группе переходных металлов, он иногда классифицируется как редкоземельный элемент вместе с иттрием и лантаноидами. Он был открыт в 1879 году с помощью спектрального анализа минералов евксениту и гадолинит с Скандинавии.

Скандий присутствует в большинстве минералов редкоземельных элементов и урана, но его добывают из этих руд только на нескольких заводах по всему миру. Из-за низкой доступности и трудности в получении металлического скандия, который впервые был выделен в 1937 году, только в 1970-х годах он стал иметь промышленное значение. Положительный эффект от легирования скандием алюминиевых сплавов был открыт в 1970-х годах, и его использование в таких сплавах остается его единственным значительным использованием.

Свойства соединений скандия являются промежуточными между свойствами алюминия и иттрия. Есть некоторые параллели между поведением магния и скандия, равно как между бериллием и алюминием. В химических соединениях элемента скандий проявляет валентность +3.


1. История

Дмитрий Менделеев, создатель периодической системы, предсказал существование элемента "Екабор" с атомной массой между 40 и 48 в 1869 году. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в минералах евксенит и гадолинит. Нильсон достал 2 грамма оксида скандия высокой чистоты. [1] [2] Он назвал элемент Скандий, от латинского названия Scandia что означает "Скандинавия". Нильсон видимо не знал о предсказании Менделеева, но другой химик Пер Теодор Клеве подтвердил переписки и предсказания Менделеева. [3] Металлический скандий был получен впервые в 1937 году путем электролиза с эвтектических смеси, при 700-800 ? C, в смеси хлоридов калия, лития и скандия. [4] Первый фунт 99% металлического скандия был получен в 1960 году. Использовать скандий для легирования алюминиевых сплавов начали после 1971 года [5] Алюминий-скандиевые сплавы также изучали в СССР [6]


1.1. Распространение

По поширенистью среди элементов в земной коре ( Кларком), скандий не очень редким. Его кларк - примерно от 18 до 25 ppm, что сопоставимо с распространением кобальта (20-30 ppm). Скандий за распространением занимает 35-е место среди самых распространенных в земной коре, и 23-есть за распространением елелемент на Солнце). [7] Однако, скандий очень распыленным среди многих полезных ископаемых ( минералов [8] [9], угля, торфа и сланцев) Редкие минералы из Скандинавии и Мадагаскара [10], такие как тортвейтит, евксенит, и гадолинит являются единственными природными источниками концентрированного скандия. Тортвейтит может содержать до 45% скандия в форме оксида скандия (земли "скандия"). [9]


1.2. Изотопы

В природе скандий содержится исключительно в виде изотопа 45 Sc, имеющая спин ядра 7/2. Тринадцать радиоизотопов было описано, наиболее стабильный из которых 46 Sc с периодом полураспада 83,8 суток, 47 Sc с периодом полураспада 3,35 суток, и 48 Sc с периодом полураспада 43,7 часов. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4 часов, большинство - менее 2 минуты. Этот элемент имеет также пять ядерных изомеров наиболее стабильный из которых 44m Sc (t ? = 58,6 h). [11]

Изотопы скандия в диапазоне атомных масс 36 Sc - 60 Sc. Основным путем распада изотопов с массой менее у природного стабильного изотопа 45 Sc, является K-захвата, а основным видом распада изотопов тяжелее 45-й является бета-распад. Обычно, продуктом разложения изотопов с весом менее 45 Sc являются изотопы кальция а продуктом разложения изотопов с весом больше 45 Sc являются изотопы титана. [11]


2. Производство

Мировое производство скандия находится на уровне всего (!) 2 тонны в год в виде оксида скандия. За время холодной войны в России накопился значительный запас первичного скандия. В 2003 году только три месторождения, поставляли скандий: урановые и железные рудники в г. Желтые Воды в Украина, месторождения редких земель в Баян О, Китай и апатитовых шахтах на Кольском полуострове, Россия. В любом случае, обычно, скандий является побочным продуктом при добыче других элементов [12] и продается в виде окиси скандия. Производство металлического скандия находится в около 10 кг в год. [12] [13] Подобно редкоземельных металлов скандий после несколько сложный процесс отделения от попутных элементов, переводят в оксид скандия, затем с помощью HF в фторид. После чего восстанавливают кальцием. Остальные кальция из сплава отгоняют в вакууме, и получают чистый скандий. Только Мадагаскар и регион Ивланд, Норвегия имеют месторождения полезных ископаемых с высоким содержанием скандия, тортвейтиту (Sc, Y) 2 (Si 2 O 7) и кольбекиту ScPO 4 ? 2Н 2 О, но они не эксплуатируются. [13] При отсутствии надежной, безопасной, стабильной и долгосрочной перспективе производства, ограничивает коммерческое применение скандия. Несмотря на низкий уровень использования, скандий обеспечивает значительные перспективы использования. Особенно перспективным является легирования алюминиевых сплавов 0,5% звеньями скандия, что значительно повышает эксплуатационные качества материала. Рыночный спрос на кубический диоксид циркония, стабилизированный скандием постоянно растет, так как используется в качестве электролита высокой эффективности в твердотельных оксидных топливных элементов.


3. Аналитические реакции

Скандий как элемент, не имеющий хромофорных свойств имеет малое количество химических реакций для его качественного определения. На сейчас не известно ни одной аналитической реакции, которая бы давала возможность легко и надежно определить скандий на фоне смеси других элементов. Наибольшее значение для качественного открытия скандия имеют следующие реакции:

  • С ализариновым красным S, пурпурин и хинизарином скандий образует окрашенные комплексы. Варьируя pH среды и используя разницу в цветах комплексов, эти красители позволяют выявить скандий на фоне большого количества таких элементов как Y, La, Ce, Al, Zr, Th.
  • С "реагентом-ДОТРИХАФ" был разработан метод экспресс-определения скандия, поскольку он является наиболее селективным из многих исследованных.
  • С салицилальсемикарбазоном и некоторыми другими реагентами скандий образует комплексы, легко поддающиеся экстракции и интенсивно флуоресцируют. Реакции не обладают высокой селективности. Поэтому применяются в комбинации с методом тонкослойной и бумажной хроматографии.
  • Фениларсонова кислота образует осадок с скандием в уксуснокислого среде. Осадок растворяется в минеральных кислотах, в отличие от фениларсонатив Ti, Zr, Hf, Sn. Таким образом, скандий можно обнаружить в присутствии этих элементов. Для качественного открытия скандия используются другие реагенты и методы.

Количественное определение скандия производится с помощью титриметрический, гравиметрических и других химических методов после отделения скандия от других элементов. Но сейчас предпочтение отдается спектрометрическим методам анализа на скандий.

[14]


4. Применение

Некоторые части МиГ-29 сделаны из зплаву Al-Sc. [15]

Добавление скандия к алюминию ограничивает чрезмерный рост металлического зерна в зоне нагрева в сварных частях из алюминиевых сплавов. Это влечет два следующих положительных эффектов: осаждение интерметаллида Al 3 Sc обеспечивает формирование меньших кристаллов в сплаве Al-Sc чем у других сплавах алюминия [15] и снижение объема межкристаллической зон [15] Оба эти эффекты повышают эксплуатационные качества сплавов. Однако, сплавы титана, подобные по весу и прочности, есть более дешевые и используются шире. [16]

Основное применение скандия (если считать по весу использованного металла) в алюминиевых сплавах для некоторых компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности, МиГ-21 и МиГ-29. [15]

Некоторые элементы спортивного оборудования, требующих использования высокопрочных материалов, иногда производят из скандий-алюминиевых сплавов, в том числе бейсбольные биты, [17] и велосипедные [18] рамы и другие детали. Американская компания-производитель огнестрельного оружия Smith & Wesson производит револьверы с корпусом из сплава скандия и цилиндрами из титана или из углеродистой стали. [19] [20]

Примерно 20 kg (в виде Sc 2 O 3) скандия используется ежегодно в США для производства газоразрядных ламп высокой интенсивности. [21] Йодид скандия, вместе с йодидом натрия, добавляют в специальный тип ртутных ламп, так называемых металло-галогенных ламп. Эта лампа является источником белого света с высоким индексом цветопередачи, что весьма напоминает солнечный свет и обеспечивает хорошую цветопередачу телекамера. [22] Примерно 80 кг скандия в год используется для создания таких ламп (в целом по миру). Первые металло-галогенные лампы на основе скандия было запатентовано General Electric и первоначально производились в Северной Америке, хотя они сейчас производятся во всех крупных промышленно развитых странах. Радиоактивный изотоп 46 Sc используется в нефтеперерабатывающей промышленности как маркировочных агент. [21] Трифлат (трифторметансульфонат) скандия является Кислотой Льюиса и используется как катализатор в органическом синтезе. [23]


5. Здоровье и безопасность

Скандий считается нетоксичным и было проведено довольно мало испытаний его соединений на животных. [24] Летальная доза (LD 50) для хлорида скандия (III) для крыс были определены как 4 мг / кг при внутрибрюшинному введении и 755 мг / кг при оральном. [ 25] В свете этих результатов соединения скандия должны рассматриваться как соединение слабой токсичности.

Примечания

  1. Nilson, Lars Fredrik Sur L'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac - gallica.bnf.fr / ark :/ 12148/bpt6k30457/f639.table / / Comptes Rendus. - 88. - (1879): 642-647.
  2. Nilson, Lars Fredrik Ueber Scandium, ein neues Erdmetall / / Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. - 12. - (1879) (1): 554-557. DOI : 10.1002/cber.187901201157 - dx.doi.org/10.1002/cber.187901201157.
  3. Cleve, Per Teodor Sur Le Scandium - gallica.bnf.fr / ark :/ 12148/bpt6k3046j/f432.table / / Comptes Rendus. - 89. - (1879): 419-422.
  4. Fischer Werner, Br?nger, Karl; Grieneisen, Hans ?ber das metallische Scandium / / Zeitschrift f?r anorganische und allgemeine Chemie. - 231. - (1937) (1-2): 54-62. DOI : 10.1002/zaac.19372310107 - dx.doi.org/10.1002/zaac.19372310107.
  5. "Aluminum scandium alloy" Burrell, A. Willey Lower US Patent 3619181 - www.google.com/patents?q=3.619 1971
  6. Zakharov VV Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys / / Metal Science and Heat Treatment. - 45. - (2003) (7/8). DOI : 10.1023 / A: 1027368032062 - dx.doi.org/10.1023/A: 1027368032062.
  7. Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. - С. 4-28. - Boca Raton: CRC Press, 2004. ISBN 9780849304859.
  8. Bernhard, F. "Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria", Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. - Lisse: Balkema, 2001. ISBN 9026518463.
  9. а б Kristiansen Roy Scandium - Mineraler I Norge - www.nags.net/Stein/2003/Sc-minerals.pdf / / Stein. - (2003): 14-23.
  10. von Knorring O., Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa / / Geological Journal. - 22. - (1987). DOI : 10.1002/gj.3350220619 - dx.doi.org/10.1002/gj.3350220619.
  11. а б Audi Georges The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties / / Nuclear Physics A. - 729. - (2003): 3-128. DOI : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  12. а б Deschamps, Y.. "Scandium" - www.mineralinfo.org / Substance / Scandium / Sc.pdf. mineralinfo.com . http://www.mineralinfo.org/Substance/Scandium/Sc.pdf - www.mineralinfo.org / Substance / Scandium / Sc.pdf . Проверено 2008-10-21 .
  13. а б "Mineral Commodity Summaries 2008: Scandium" - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/scandium/mcs-2008-scand.pdf. United States Geological Survey . http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/scandium/mcs-2008-scand.pdf - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/scandium/mcs-2008-scand.pdf . Проверено 2008-10-20 .
  14. Л. Н. Комиссарова. Неорганическая и аналитическая химия скандием. - Едиториал УРСС, 2006г. - ISBN 5-8360-0533-8
  15. а б в г Ahmad Zaki The properties and application of scandium-reinforced aluminum / / JOM. - 55. - (2003) (2). DOI : 10.1007/s11837-003-0224-6 - dx.doi.org/10.1007/s11837-003-0224-6.
  16. Schwarz, James A.; Contescu, Cristian I.; Putyera, Karol Dekker encyclop?dia Of nanoscience AND Nanotechnology, Volume 3 - books.google.com /? id = aveTxwZm40UC & pg = PA2274. - CRC Press, 2004. ISBN 0824750497.
  17. Bjerklie Steve A batty business: Anodized metal bats have revolutionized baseball. But are finishers losing the sweet spot? / / Metal Finishing. - 104. - (2006) (4). DOI : 10.1016/S0026-0576 (06) 80099-1 - dx.doi.org/10.1016/S0026-0576 (06) 80099-1.
  18. "Easton Technology Report: Materials / Scandium" - www.eastonbike.com/downloadable_files_unprotected/r&d_files/R&D-03 Scandium.pdf. EastonBike.com . http://www.eastonbike.com/downloadable_files_unprotected/r&d_files/R&D-03% 20Scandium.pdf - www.eastonbike.com/downloadable_files_unprotected/r&d_files/R&D-03 Scandium.pdf . Проверено 2009-04-03 .
  19. James, Frank Effective Handgun Defense - books.google.com / books? id = XT5TRli0OdcC & pg = PA207. - С. 207 -. - Krause Publications, 15 December 2004. ISBN 9780873498999.
  20. Sweeney, Patrick The Gun Digest Book Of Smith & Wesson - books.google.com / books? id = eBxEBgJBG0MC & pg = PA34. - С. 34 -. - Gun Digest Books, 13 December 2004. ISBN 9780873497923.
  21. а б Hammond, CR in CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th ed., Section 4; The Elements
  22. Simpson, Robert S. Lighting Control: Technology and Applications - books.google.com /? id = GEIhCl2T-2EC & pg = PT147. - С. 108. - Focal Press, 2003. ISBN 9780240515663.
  23. Kobayashi Shu, Manabe, Kei Green Lewis Acid Catalysis In Organic Synthesis - www.iupac.org/publications/pac/2000/7207/7207pdf/7207kobayashi_1373.pdf / / Pure Appl. Chem.. - 72. - (2000) (7): 1373-1380. DOI : 10.1351/pac200072071373 - dx.doi.org/10.1351/pac200072071373.
  24. Horovitz, Chaim T. Biochemistry Of Scandium AND Yttrium - books.google.com /? id = 1ZTQlCWKjmgC. - Springer, 1999. ISBN 9780306456572.
  25. Haley Thomas J., Komesu, L.; Mavis, N.; Cawthorne, J.; Upham, HC Pharmacology and toxicology of scandium chloride / / Journal of Pharmaceutical Sciences. - 51. - (1962) (11). DOI : 10.1002/jps.2600511107 - dx.doi.org/10.1002/jps.2600511107. PMID 13952089 - www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13952089 .


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам