Кто открыл скандий. Чтобы воздух был чище

Прежде всего он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660° С. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539° С. Плотность стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5-7,9 г/см3, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое плавится при температуре 1530° С, на 9° ниже, чем ).

Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента № 21. Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью.

Благодаря этим свойствам мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении В США была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость.

Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титано-алюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав…

Так выглядят содержащие ферриты. Чтобы дать представление об их размерах, ферриты сфотографировали рядом с монетой. Металлический рубль, а не копейка, выбран не случайно; он как бы напоминает, что скандий до сих пор остается одним из самых дорогих металлов

Искали применения скандию и в ядерной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры цены сводили на нет достоинства элемента № 24.

Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным. У этого невзрачного, очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но…

С середины 60-х гг. окись скандия используют в составе ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин некоторых типов. Получают окись скандия при комплексной переработке бокситов, оловянных, урановых, вольфрамовых и титановых руд.

Сам же скандий (и на его основе) по-прежнему остается металлом будущего: хорош, конечно, но слишком дорог. Впрочем, специалисты не исключают, что этому металлу в будущем удастся пройти тот же путь, который во второй половине XX в. прошел его сосед по менделеевской таблице - .

УТВЕРДИТЕЛЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ЗАКОНА. «Утвердителями», «укрепителями» периодической системы элементов называл Менделеев ученых, которые своими открытиями подтвердили прогнозы, сделанные им на основе периодического закона. В первую очередь эти «титулы» заслужили трое ученых, обнаруживших в минералах предсказанные Менделеевым элементы, экаалюииний, экабор, экасилиций.

Первым из «утвердителей» был, как известно, французский химик Лекок де Буабодран - в 1875 г. он нашел в цинковой обманке экаалюмииий - .

Нильсон был вторым. Четыре года спустя после открытия Буабодрана ему посчастливилось обнаружить в минерале ауксените предсказанный Менделеевым экабор. А еще через семь лет немецкий ученый Клеменс Винклер впервые получил экасилиций - .

Швед Ларе Фредерик Нильсон, уроженец сурового острова Готланд, был разносторонне образованным ученым - в Упсальском университете он изучал химию, геологию, биологию. Кроме первоклассного образования и природной одаренности, его успехам в науке способствовали еще два крайне важных обстоятельства - работа в молодости под руководством замечательного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса и открытие Менделеевым периодического закона, вооружившее ученых всего мира картой химического континента.

Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента № 21 - скандия, было установление в 1884 г. правильного атомного веса бериллия (совместно с шведским химиком О. Петерсоном).

Последние 17 лет своей жизни Нильсоп занимал профессорскую кафедру в Стокгольмской сельскохозяйственной академии. Он сделал немало для повышения урожайности полей в Швеции и особенно на своем родном острове Готланд.

СКАНДИЙ И ФОСФОРЫ. Фосфорами (не путать с фосфором) называются , способные довольно долго светиться в темноте. Одно из таких веществ - сульфид цинка ZnS. Если облучить его инфракрасными лучами, он начинает светиться и еще долго светится после прекращения облучения. Установлено, что добавка скандия к сульфиду цинка, активированному медью, дает более яркое свечение, чем обычно. Скандий увеличивает свечение и других фосфоров, в частности окиси магния MgO.

ЧТОБЫ ВОЗДУХ БЫЛ ЧИЩЕ. При производстве пластмасс, инсектицидов и растворителей выделяются довольно значительные

количества хлористого водорода. Это ядовитый газ, выброс которого в атмосферу недопустим.

Конечно, можно было бы связывать его водой и вырабатывать соляную кислоту, но получение кислоты таким методом, мягко говоря, влетало бы в копеечку. Больших затрат требовало и разложение НС1 электролизом, хотя метод каталитического разложения хлористого водорода был предложен более 100 лет назад. Катализатором служила хлористая . Однако эффективным этот процесс был лишь при 430-475° С. А при этих условиях катализатор улетучивается… Выход был найден: к основному катализатору - хлористой меди -г добавили микроколичества хлоридов иттрия, циркония, тория, урана и скандия. На таком катализаторе температура разложения хлористого водорода снизилась до 330-400° С, и улетучивание хлористой меди стало значительно меньше. Новый катализатор служит гораздо дольше старого, и воздух над химическими заводами надежно очищается от вредного хлористого водорода.

СКАНДИЙ В УСТЬЕ ТЕМЗЫ. Радиоактивный изотоп скандия с атомной массой 46 в 1954-1955 гг. использовали для определения движения ила в устье Темзы. Соль, содержавшую скандий-46, смешивали с толченым стеклом и опускали на морское дпо в контейнере. Там контейнер открывался, и смесь, плотность которой соответствовала плотности ила, рассыпалась по дну. Излучение отмечали с катера специальным прибором. Скандий-46 выбрали потому, что он обладает достаточно интенсивным излучением и идеальным для такого рода исследований периодом полураспада-83,9 суток. Что же оказалось? Большая часть грязи, выносимой Темзой в море, в скором времени возвращается обратно в русло реки. Пришлось разрабатывать новую технику очистки устья реки от наносов. Изучение движения ила и гальки в море с помощью изотопа скандия проводилось также в Польше и Франции.

Элемент с атомным номером 21 "экабор" и его свойства предсказал в 1871 г. Д. И.Менделеев. Открыл элемент шведский химик Нильсон в 1879 г., работая над изилечением редкоземельного элемента иттербия из минерала гадо - линита. Металлический скандий 94 - 98 %-ной чистоты получен в 1937 г. Фишером электролизом расплаиленного хлорида скандия.

Свойства скандия

Скандий - элемент ША подгруппы Периодической системы химических элементов. В природе известен один стабильный изотоп 45Sc; известно 12 искусственных радиоактивных изотопов.

Ниже приведены некоторые физические свойства скандия:

Атомная масса 44,9559

TOC \o "1-3" \h \z Плотность, г/см3 2,989

Тип и параметры решетки, нм: гексагональная, а = 0,33085,

С = 0,5268; ОЦК (выше 1337 °С)

Температура, °С:

Плаиления 1541

Кипения 2836

Удельная теплоемкость, Дж/(моль К), при t, °С:

Теплопопроводность, В/(см"К) .0,157

Твердость по Бринеллю, МПа 390

Удельное электросопротивление поликристаллического

Образца р 0 , мкОм см 41-51

Компактный скандий - серебристо-белый металл. Непосредственно реагирует с кислородом, галогенами, серой, углеродом. На воздухе образующаяся на поверхности металла пленка предотвращает дальнейшее окисление. С азотом реагирует выше 500 °С с образованием нитрида ScN. При нагревании вытесняет водород из воды, легко растворяется в минеральных кислотах, за НЫслючением хромовой и плавиковой кислот, медленно реагирует с концентрированным раствором гидроксида натрия. Радиус иона Sc3+ (0,083 нм по Н. В.Белову и Г. В.Бокию) меньше, чем радиус иона Yi+ (0,097 нм) - и трехзарядных ионов РЗЭ (0,088 - 0,103 нм). Поэтому в соединениях скандия выражено стремление к гидролизу сильнее, чем в аналогичных соединениях РЗЭ. Скандий склонен к образованию двойных и комплексных соединений с анионами и нейтральными лиганда - ми в большей мере, чем РЗЭ.

С металлами I, II, VII, VIII побочных подгрупп и II, III, IV, V главных подгрупп Периодической системы элементов скандий образует интерметаллические соединения типа ScMe, Sc2Me, ScMe2, ScMe3 и другие.

Элементы III, IV, V и VI побочных подгрупп образуют со скандием эвтектики или области несмешиваемости в жидком состоянии, проявляется растворимость в твердом состоянии.

Свойства соединений скандия

Скандий образует соединения, отвечающие степени окисления элемента +3. Другие степени окисления нехарактерны для скандия.

Оксид и гидроксид скандия. Оксид Sc203 - белое вещество, образующееся при окислении скандия кислородом, термическом разложении гидроксида, карбоната, оксалата, сульфата, нитрата скандия. гпл = 2480 °С, плотность 3,86 г/см3. В воде малорастворим. Хорошо растворяется в концентрированных минеральных кислотах.

Гидроксид скандия Sc(OH)3 - аморфное соединение. Осаждается действием на растворы солей скандия растворами аммиака или щелочей,- рН начала выделения 4,9. Растворим и растворах щелочей, карбонатов аммония, щелочных металлов; растворимость резко снижается в присутствии малорастворимых гидроксидов железа, марганца и др.

Карбонат скандия. Для скандия характерно образование основных карбонатов 2(C03)3_m ЗН20, растворимых в растворах (NH4)2C03 и Na2C03 лучше, чем аналогичные соединения РЗЭ.

Нитрат скандия Sc(NOj)3 4Н20 - хорошо растворимая соль; растворимость в воде: 61,27% (при 15 °С), 67,60% (при 50 °С).

Сульфат скандия Sc2(S04)3 образует гидраты с 2; 4; 5 и 6 молекулами воды. Растворимость в воде 28,53% (при 254;). С сульфатами щелочных металлов образует соединения MefSd^SOjJ или Afe^SctSO^J. KjCS^SOJJ в 20 раз менее растворим в растворе K2S04, чем аналогичные соединения элементов иттриевой подгруппы РЗЭ.

Фосфат скандия ScP04 2Н20 - малорастворим, получается действием на водный раствор солей скандия фосфорной кислоты.

Оксалат скандия Sc2(C204)3 лН20(л = 3; 4; 5; 6; 18) образуется при действии щавелевой кислоты на нейтральные или слабокислые растворы солей скандия. Малорастворим, ПРсс (с 0 ■>= Ю-27.

Яодат скандия Sc(IOj)3 1,5Н20 - хорошо растворим в отличие от аналогичных соединений тория и циркония.

Фторид скандия ScF3 - белое кристаллическое вещество, t = 1552 °С, *кип= = 1607 °С. Малорастворим, ПР^/г = 3 Ю-20. При обработке концентрированной H2S04 превращается в сульфат, при нагревании в растворе NaOH - в гидроксид. Растворим в HF, растворах фторидов щелочных металлов и аммония; л растворе образуются комплексы 3-.

Хлорид скандия ScCl3 - белое кристаллическое вещество, гигроскопичен, "пл = "кип = 975 °С. Температурная зависимость давления пара (МПа):

LgP = -14200/Г + 10,49 (1066 - 1229 К).

Кристаллогидрат ScCl3 * 6Н20 при нагревании на воздухе превращается сначала в оксохлорид ScOCl, плохо растворимый в воде, кислотах и щелочах, затем - в Sc203.

Карбид скандия ScC изучен больше, чем другие карбиды скандия. Получается синтезом из элементарных веществ или восстановлением Sc203 углем. Температура плавления 1800 °С, микротвердость 26,7 ГПа.

Области применения

Скандий и его соединения в настоящее время применяют в производстве легких сплавов, электронной технике, светотехнике, производстве специальной керамики. Возможности применения скандия ограничены высокой ценой. В 1988 г. оксид скандия (lr) стоил 2,8 долл., дистиллированный металл (чистота 99,99%) - 15 долл. Высокая цена связана с малыми объемами производства (около 100 кг в год в пересчете на металл). Основные производители скандиевой продукции - КНР, Франция.

Легкие сплавы. Скандий представляет интерес как конструкционный материал для ракето - и самолетостроения, астронавтики, поскольку, обладая значительно более высокой температурой плавления, чем алюминий, имеет ту же плотность. Особый интерес представляют сплавы Al - Sc, Mg - Sc, Mg - Sc - Li, Mg - Y - Sc. Так как добавка десятых долей процента скандия к алюминию и его сплавам обусловливает повышение прочностных, в определенных случаях пластических свойств, рост сопротивления против коррозионного растрескивания, улучшение свариваемости деформированных полуфабрикатов. При кристаллизации расплава в процессе образования слитков большая часть скандия входит в пересыщенный раствор, а оставшаяся часть выделяется в виде частиц Al3Sc (рис. 89), которые обусловливают измельчение литого зерна.

Легирование 0,4% скандия сплавов Al - Mg (2 - 8,5 Mg)

Ршс.89. Диаграмма состояния системы Al-Sc в области, богатой алюминием

Увеличивает временное сопротивление на 20 - 35 %, а предел текучести на 60 - 80%. При этом относительное удлинение остается достаточно высоким (15 - 20%).

Электронная техника. Влажная область применения оксида скандия - ферритов для ЭВМ с индукцией 0,08 - 0,1 Тл, что в 3 раза меньше, чем у ферритов из оксидов железа, магния, марганца. Такие ферриты меньше перегреваются при перемагничивании, что увеличивает быстродействие магнитной памяти ЭВМ.

Светотехника. Мателлогалогенидные (иодидные) ртутные лампы с добавками скандия используют для освещения промышленных зданий и спортивных сооружений.

Производство керамики. Разработаны различные виды керамики на основе ZrOz и Hf02 с добавками Sc203, успешно работающие при высоких температурах.

Другие области применения. Гидрид скандия используют в ядерной технике как высокотемпературный замедлитель нейтронов. Борид скандия ScB2 предложено использовать как компонент легких жаропрочных сплавов, а также в материалах катодов электронных приборов. Оксид скандия - компонент германатных оптических стекол, люминофоров.

Сырьевые источники скандия

Скандий - типичный рассеянный литофильный элемент. Содержание его в земной коре 10~3% (по массе). Собственных месторождений не образует.

Собственные минералы скандия - тортвейтит Sc2 и стереттит ScP04 2Н20 - большая редкость и промышленного значения не имеют. Более распространены минералы, в которых скандий присустсвует в виде изоморфной примеси в количестве 0,005 - 0,3% Sc203. Скандийсодержащие минералы (оксиды, карбонаты, силикаты, фосфаты, вольфраматы) содержат ионы, характеризующиеся близким к Sc3+ (0,083 нм) радиусом иона, нм: Fe2+ 0,080, РЗЭ 0,102 - 0,080, Mg2+ 0,074, Са2+ 0,104, Мп2+ 0,091, Zr4+ 0,082, Th4+ 0,095, U4+ 0,089. Изоморфизм обусловлен также близостью других кристаллохимических констант скандия и перечисленных элементов.

Проблема промышленного получения скандия может быть решена при использовании рассеянного скандия, извлекаемого попутно из руд цветных и редких металлов. При концентрировании скандия в отходах производства (растворах, шла - мах, шлаках и пр.) создаются условия для извлечения без нарушения основной технологии.

Титановое сырье. В титановом сырье содержится Sc203 (до 0,1 % в ильмените, до 0,3 % в сфене). При обогащении ильменитовых концентратов путем восстановительной электроплавки скандий переходит в титановый шлак.

Руды вольфрама. Содержание Sc203 в вольфрамитах 0,005 - 1,0 %. При гидрометаллургической переработке, включающей спекание концентрата с Na2C03 и последующее выщелачивание, скандий остается в кеке от выщелачивания, и его содержание повышается в 2 - 3 раза по сравнению с содержанием в вольфрамите.

Руды урана содержат 10_3 - 10-4% Sc203. При вскрытии урановых руд серной или азотной кислотами скандий переходит вместе с ураном в раствор. При вскрытии руд растворами Na2C03 скандий в основном концентрируется в кеках от выщелачивания.

Руды алюминия. Бокситы содержат 0,001 - 0,01 % Sc203. Ввиду больших масштабов переработки бокситы могут стать важным источником скандия. При переработке бокситов по способу Байера и способу спекания скандий преимущественно остается в красном шламе.

Другие источники скандия - некоторые железные руды (содержание 0,001 - 0,005 % Sc203), руды олова (0,02 - 0,22 % Sc203), концентраты берилла (0,1 - 0,2 % Sc203), золы некоторых углей (0,01 % Sc203), фосфориты.

Z ПЕРЕРАБОТКА СКАНДИЙ СО ДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ

Для извлечения скандия из продуктов в раствор применяют выщелачивание кислотами (например, соляной кислотой), разложение хлорированием, серной кислотой или гидроксидом натрия с последующим водным или кислотным выщелачиванием

Для выделения скандия из растворов используют следующие основные способы: осаждение в составе малорастворимых соединений, экстракция органическими растворителями, ионообменные способы.

Методы осаждения

Осаждение гидроксида используют для отделения от щелочных и щелочно-земельных металлов:

ScClj + 3NH3 Н20 = Sc(OH)3 + 3N4HC1. (12.1)

Из данных табл.11 следует, что возможно, используя разницу рН осаждения гидроксидов, в некоторой степени очистить скандий от Zr, Ті, Th и Се (+4), так как они осаждаются при более низких рН, чем гидроксид скандия, и от ряда РЗЭ и Fe (+2), осаждающихся при более высоких значениях рН. Метод не дает возможность отделить Fe (+3), в присутствии которого Sc(OH)3 осаждается при более низком значении рН, и от алюминия, имеющего близкое значение рН осаждения. Метод прост, недостаток его - плохая фильт - руемость осадков.

Таблица 11. рН осаждена некоторых гидроксидов

Гидроксид

Sc(OH)3 ZrOj-xHjO

Тю2-*н2о Се(ОН)4

4,9-5,5 1,9-2,6 0,7 1,2

La(OH), Се(ОН)3 Fe(OH), Mg(OH)2

6,6-9,3 8,3-11,3

Th(OH)4 А1(ОН)3 Fe(OH)3

Осаждение оксалата. В результате осаждения оксалата скандия

2ScCl3 + ЗН2С204 + 6Н20 = Sc2(C204)3-6H20 + 6НС1 (12.2)

Возможно отделение скандия от алюминия и железа. При избытке щавелевой кислоты осаждение неполное вследствие образования комплексного аниона 3_. Условия осаждения: рН = 2*3, температура 90 °С, продолжительность 4 ч.

При выделении оксалата скандия, особенно из бедных растворов, более полному осаждению способствует присутствие кальция, играющего роль носителя.

Для отделения от РЗЭ используют разницу в устойчивости комплексных соединений, образуемых оксалатами скандия и РЗЭ и ЭДТА.

При кипячении раствора, содержащего эти комплексные соединения, менее прочные соединения РЗЭ разлагаются, и РЗЭ могут быть выделены из раствора в составе оксалатов. После отделения раствора, вводя в него твердую щавелевую кислоту, скандий выделяют в осадок.

Осаждение карбоната. Карбонат скандия растворяется в отличие от соединений РЗЭ, Fe, Мп, Са в избытке раствора Na2C03 или (NH4)2C03 с образованием комплексных соединений, что рекомендовано использовать для очистки от РЗЭ, Fe, Мп, Са:

Sc3+ + 4Na2C03 = Naj + 3Na+; (12.3)

Sc3+ + 2(NH4)2C03 = NH4 + 3NH4. (12.4)

Карбонатный комплекс при кипячении разрушается. В осадок выделяется плохо растворимый карбонат скандия переменного состава.

Недостаток карбонатной обработки - необходимость применения большого объема растворов соды или карбоната аммония в связи с умеренной растворимостью в них соединений скандия и плохая фильтруемость осадков.

Осаждение фторида. ScF3 - малорастворим, но растворяется (в отличие от фторидов РЗЭ и тория) в растворе NH4F с образованием фтороскандата:

ScF3 + 3NH4F = (NH4)3. (12.5)

Для выделения фторида скандия из бедных растворов применяют фториды и кремнефториды натрия и калия, плавиковую кислоту, кремнефтористоводородную кислоту; осадитель берут с избытком.

Недостаток метода - трудность перевода фторида скандия в растворимое состояние. Для этого необходима обработка концентрированной серной кислотой при 180 - 250 °С или 20 - 30 %-ным раствором NaOH при 60 - 80 °С в течение " 2 - Зч.

Ионный обмен

Метод применяют: а) для выделения соединения скандия из разбавленного раствора; б) для очистки растворов соединений скандия от примесей. С целью повышения эффективности при очистке скандия от наиболее трудно отделяемых примесей (РЗЭ, Y, Th) применяют сочетание ионообменного разделения на катионитах с комплексообразованием (при десорбции). Хорошие десорбенты - лимонная кислота и этилен - диаминтетрауксусная кислота. Устойчивость комплексных соединений повышается в ряду La < Y < Yb < Sc, так что при десорбции в первую очередь вымывается скандий. Процесс включает:

Пропускание раствора с разделяемой смесью через колонку со смолой в аммонийной или водородной форме (стадия сорбции):

Sc3+ + 3NH4fl Scflj + 3NHJ; (12.6)

Десорбцию ионов раствором лимонной кислоты (или ЭДТА):

Scfl3 + 2Н3С6Н507 H3 + 3HR. (12.7)

Экстракция

Один из наиболее разработанных способов - экстракция ро - данидного комплекса H диэтиловым эфиром из хло - ридных или нитратных растворов. Как видно, коэффициенты распределения скандия и ряда сопуствующих элементов сильно различаются (рН = 3,5):

Элемент D Элемент D Элемент D

Ве2+ 1 Sc3+ 2,9 Zr»+ 0,00001


		Иттриевой
		Подгруппы (Ме3+)

Перед экстракцией Fe(+3) восстанавливают до Fe(+2). Скандий реэкстрагируют, многократно обрабатывая экстракт водой. Недостаток способа - огнеопасность экстрагента, большой расход роданида аммония.

Другие экстрагенты, применяемые в технологии скандия: ТБФ, диалкильные эфиры алкилфосфорной кислоты (ДААФ), Д2ЭГФК и др. Экстракцию скандия ТБФ и ДААФ проводят в сильнокислых средах в присутствии высаливателей (хлориды или нитраты кальция и магния). Экстракция скандия ТБФ из хлоридных растворов протекает с образованием сольватов ScCl3 дгТБФ (х меняется от 2 до 3 в зависимости от условий кислотности и наличия высаливателей). Коэффициент распределения скандия при экстракции ТБФ из 6 н. НСІ составляет 3,2, иттрия - 0,001 (т. е. коэффициент разделения равен 3200). Реэкстрагируют скандий разбавленной НС1.

Алкилфосфорные кислоты имеют меньшую селективность, чем ТБФ, и вместе со скандием экстрагируют цирконий, торий, титан, железо, уран и др. Поэтому такие экстрагенты применяют главным образом для выделения скандия из бедных (кислых или нейтральных) растворов с целью концентрирования. Из нейтрального раствора экстракция протекает по ка - тионообменному механизму за счет образования соли скандия с органической кислотой, растворимой в этой кислоте:

/iSc3+ + ЗН„Х ScnX3 +ЗлН+, (12.8)

Где Н„Х - алкилфосфорная кислота. Недостаток способа - реэкстрагировать скандий можно лишь плавиковой кислотой или раствором щелочи, в результате чего получается трудно фильтрующийся осадок ScF3 или Sc(OH)3.

Примеры переработки скандийсодержащего сырья

Переработка тортвейтита. Существуют следующие способы:

Кислотные (вскрытие HCl, H2S04, NH4HF2, плавиковой кислотой);

Щелочные (сплавление с NaOH, спекание с Na2C03);

Карбидный;

Хлорирование.

Кислотное вскрытие требует многократного повторения процесса. При высокотемпературном вскрытии щелочью или содой

Sc2Os 2Si02 + 2Na2C03 = Sc203 + 2Na2Si03 + 2C02 (12.9)

Скандий остается после водного выщелачивания спека в остатке. Остаток растворяют в НС1; аммиаком осаждают гидроксид скандия. Растворяя гидроксид в 6 - 8 н. НС1 и экстрагируя эфиром, отделяют железо. Остальные примеси отделяют, экстрагируя эфиром роданид скандия. После отгонки эфира скандий осаждают в виде двойного тартрата с аммонием; извлечение равно 96 %.

Карбидный способ заключается в образовании карбидов в результате нагревания при 1800 - 2100 °С смеси минерала и древесного угля (соотношение 1:1,2). При обработке карбидов соляной кислотой в раствор переходят Sc, РЗЭ, Al, Fe, Ті, Zr. Карбид кремния соляная кислота почти не разлагает. Из раствора осаждают оксалат скандия, после повторного переосаждения получают богатый скандиевый концентрат, содержащий 10 % оксидов РЗЭ. Дальшейшую очистку ведут дробным осаждением гидроксидов и ионным обменом.

При переработке хлорированием тортвейтит в смеси с углем нагревают в токе хлора при 900 - 1000 °С. Различие температур кипения и конденсации хлоридов элементов, составляющих минерал, дает возможность их разделить в процессе конденсации. Хлориды Si, Zr, Al, Fe, Ті конденсируются ниже 400 °С; ScCl3 - при 600 - 900 °С; выход равен 87,5 %. В зоне хлорирования в плаве остаются хлориды РЗЭ.

Переработка уран-ториевых руд. По технологической схеме уранового завода в Солт-Лейк-Сити (США, штат Юта) получают растворы, в которых наряду с ураном содержится 0,001 г/л Sc203. При экстракции урана 0,1 М раствором до- децилфосфорной кислоты в керосине скандий переходит в эАтракт вместе с ураном, торием, титаном. Уран реэкстра - гируют Юн. НС1; скандий остается в органической фазе вместе с торием и титаном и концентрируется до 0,1 г/л Sc2Oj. Из экстрагента действием плавиковой кислоты осаждают фториды скандия и тория. Скандиево-ториевый кек, содержащий 10 % Sc203 и 20 % Th02, перерабатывают с целью 382 извлечения скандия. Фторидный кек вскрывают 15 %-ным раствором NaOH при 75 - 90 °С в течение 4 ч. Образовавшиеся гидроксиды обрабатывают соляной кислотой при 100 °С, устанавливая рН = 4; этим достигается очистка от Zr, Th, Ті, Si частично от Fe (ill), которые остаются в осадке. Из раствора щавелевой кислотой осаждают скандий. Оксалат скандия отфильтровывают, сушат, прокаливают.

Для получения Sc203 чистотой более 99,5 % дальнейшую очистку от примесей ведут экстракционным методом после растворения Sc203 в соляной кислоте. Экстрагируют диэти - ловым эфиром в присутствии NH4CNS. Из органической фазы скандий реэкстрагируют водой и аммиаком осаждают в составе гидроксида; прокаливанием при 700 °С гидроксид переводят в Sc203.

Для извлечения скандия вместе с ураном из сернокислых растворов после выщелачивания урановой руды (завод Порт - Пири, Австралия) используют Д2ЭГФК. После реэкстракции урана скандий накапливается в органической фазе. После содовой обработки экстракта получают кек, содержащий, %: Sc 0,14, Th 0,14, Ті 0,3, U3Og 24, Fe 38. Технологическая схема, приведенная на рис. 90, позволяет извлечь из кека 90 % Sc и получить оксид скандия чистотой 99,6 %.

По этой схеме кек вскрывают серной кислотой, скандий концентрируют, экстрагируя 10 %-ным раствором первичного алкиламина. При этом в экстаракт переходит 97 % Sc, 97 % Th, 55% Ті, 7 % U, 2 % Fe, предварительно Fe (III) восстанавливают S02 в присутствии активированного угля до Fe (II). После реэкстракции 2 н. НС1 соотношение скандия и примесей изменяется от 1:410 до 1:10. Дальнейшие операции предусматривают доочистку скандия. От урана скандий отделяют сорбцией на анионите, от тория - экстракцией рода - нидного комплекса скандия метилизобутилкетоном. Окончательно скандий выделяют в составе оксалата, который при прокаливании переходит в оксид.

Переработка титаномагнетитових концентратов. В титановом шлаке, получаемом в результате восстановительной плавки титаномагнетитов, содержится 0,005 -. 0,009 % скандия. При хлорировании шлаков большая часть скандия в составе хлорида концентрируется в отработанном расплаве титановых хлораторов (до 0,01 - 0,03% Sc203). Расплав обрабатывают раствором НС1 (20 - 40 г/л), выщелачивая скандий. Раствор

Ржс.90. Технологическая схема извлечения скандия из сернокислых урановых растворов отфильтровывают, корректируют содержание Fe (III), скандий экстрагируют 70 %-ным раствором ТБФ в керосине. Установлено, что FeCl3 способствует экстракции скандия ТБФ, однако повышение содержания FeCl3 в растворе приводит к загрязнению экстрагента. Кроме того, FeCl3 образует с ТБФ соединение, имеющее ограниченную растворимость в ТБФ, что приводит к загустеванию органической фазы, образованию эмульсии. Оптимальная концентрация FeCl3 в исходном растворе 7-12 г/л. Корректировка содержания FeCl3 перед экстракцией заключается в восстановлении Fe3+:

2FeCl3 + Mg = 2FeCl2 + MgCl2. (12.10)

Экстракт, обогащенный скандием, отмывают от примесей соляной кислотой (220 - 240 г/л), скандий реэкстра ги - руют с помощью 7%-ного раствора НС1. Из реэкстракта щавелевой кислотой осаждают оксалаты скандия и других элементов, пульпу фильтруют, осадок сушат и прокаливают при 700 °С, получая технический оксид скандия, содержащий 40 - 60% SCjOJ.

Технический оксид скандия растворяют в соляной кислоте, экстрагируют скандий с помощью ТБФ, из реэкстракта после многократных переосаждений иодатов [очистка от Th (IV) и Zr (IV)], гидроксидов и оксалатов получают товарный оксид скандия, содержащий более 99,9% Sc203.

Переработка отходов вольфрамового и оловянного производства. Отвальные кеки гидрометаллургической переработки вольфрамитовых концентратов состоят в основном из оксидов железа (25 - 35%) и марганца (25 - 35 %), содержат Nb, Та, Th, U, Sn РЗЭ и 0,15 - 0,50% Sc203. Для "выделения скандия известны методы хлорирования, методы «Укрытия соляной или серной кислотой.

Более высокое извлечение скандия достигнуто в результате вскрытия кеков 98 %-ной серной кислотой при 220,°С (Т:Ж = 1:1,4) (рис.91). При водном выщелачивании в раствор вместе со Sc (0,2 - 0,3 г/л) переходят большая часть железа (15 - 25 г/л), марганца (15 - 20 г/л), Zr, Ті, Th, РЗЭ, Al и другие примеси. Железо и алюминий отделяют карбонатным методом, основанным на способности скандия образовывать комплексные карбонаты с содой и карбонатом аммония, растворимые в избытке соответствующего карбоната.

Золыррамитодый кек

Сумыратизация (220°С)

Выщелачивание

Осадок (Са, si)

Роствор (Sc, Fe, Mn, Ti, Zr, Th, P33,Al, Be)

Нейтрализация (рн=2) и кипячение

РастЗар NqjCQ, (10%-ный р-р) f і

Карбонатная очистка

Осадок (Fe, Ca, Mn)

РастЗар (Sc)

Падкисление (рН*-1) и кипячение

Осаждение Sc(0h)3

Осадок Sc (ОН),

Прокаливание (850°)

Sc203 (<(0-70%~ный концентрат) Ржс.91. Технологическая схема извлечения скандия из вольфрамитовых кеков

Из раствора после подкисления НС1 до рН = 1 и кипячения осаждают Sc(OH)3, прибавляя концентрированный раствор аммиака. Прокаливая гидроксид, получают 40 - 70 %-ный Sc203. Дальнейшую очистку от примеси Ті, Zr, Th, РЗЭ проводят экстракционными методами с применением различных экстрагентов. Извлечение скандия составляет 80 - 88 %, чистота Sc203 99,99%.

Переработка шлаков ферровольфромового и оловянного производства. Технологические схемы извлечения скандия из этих видов сырья разработаны в СССР. В результате пироме - таллургической переработки вольфрамитовых концентратов на ферровольфрам и переплавки оловосодержащих концентратов

Lnz03 (70%-ный концентрат)

Ржс.92. Технологическая схема извлечения скандия из шлаков производства ферровольфрама

Получают шлаки, в которых содержание скандия составляет 0,04 - 0,25%. Основные примеси - Fe, Si, Al, Ca, Ті, Mn, иногда Th, РЗЭ. Из обоих видов шлаков извлекать скандий предложено, обрабатывая измельченный материал 18 %-ной НС1 при 80 - 90 °С (Т:Ж = 1:1-5-5). В раствор извлекается до 96% Sc. Для отделения от основных количеств железа и марганца скандий осаждают в составе малорастворимого фторида путем введения в раствор кремнефторида натрия при рН=2. Осадок фторида скандия, содержащий Ca, Al, РЗЭ, Ті, Mn, обрабатывают серной кислотой, а затем проводят

Шлаков, S с, 0;

Водное выщелачивание. Часть кальция остается нерастворимой в составе CaS04. Для отделения алюминия и осадков кальция осаждают гидроксиды, вводя NaOH, при рН = 10. Указанные примеси остаются в растворе; в осадок вместе с Sc(OH)3 выделяются титан, марганец и другие примеси. Осадок гидроксидов растворяют в соляной кислоте и осаждают скандий щавелевой кислотой. Прокаливанием оксалаты переводят в оксиды. После растворения в НС1, осаждения гидроксидов, их прокаливания получают концентрат, содержащий 30% Sc203 и 70% (РЗЭ)203. Извлечение из шлака ~7б%. Схема процесса приведена на рис. 92.

Разработан и проверен в промышленных условиях метод экстракционного концентрирования и очистки скандия, получаемого из шлаков от переплавки оловянных концентратов. Схема процесса приведена на рис. 93, После выщелачивания шлака соляной кислотой получают раствор, содержащий, г/л: Sc 0,2 - 1,0, Ті 0,8 - 3, Si 0,1 - 2, Са 11 - 30, Sn 0,1 - 1, Al 3,5, Mg 0,5 - 1,6, Zr до 2,6, Fe 0,5 - 2, W 0,03, HC1 110. Скандий экстрагируют 0,3 M Д2ЭГФК в керосине при соотношении объемов водной и органической фаз 10:1. Органическую фазу промывают 15%-нок НС1 при соотношении фаз 1:1, а затем 45%-ной H2S04 при таком же соотношении фаз. Скандий реэкстрагируют плавиковой кислотой. После отделения центрифугированием фторид обрабатывают раствором NaOH, переводя в Sc(OH)3; затем проводят оксалатную очистку. Прямое извлечение скандия - 75%.

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.

МОСКВА 2010

· История Скандия и происхождение его названия

· Физические свойства Скандия

· Химические свойства Скандия

· Мировые ресурсы Скандия

· Распространение Скандия в природе

· Получение и производство Скандия

· Применение Скандия

· Металлургия

· Сплавы скандия

· Сверхтвёрдые материалы

· Микроэлектроника

· Источники света

· Изотопы скандия

· Ядерная энергетика

· Медицина

· Лазерные материалы

· Производство солнечных батарей

· МГД-генераторы

· Рентгеновские зеркала

· Огнеупорные материалы

· Производство фианитов

· Люминофоры

· Литература

История Скандия и происхождение его названия

Scandium

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/см 3 , атомный радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t пл 1539 °С, t кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) , удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10 -6 ом·см;

В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО 3) 2 - , Sc (SO 4) 3 3- . 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 HNO 3 и HF (1: 1).

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

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.

Наиболее высокие (30 г/т Sc 2 O 3) 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 Fe 2 + и магния, а замещение циркония – в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

В породах среднего состава среднее содержание Sc 2 O 3 - 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).

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/м 2 (10 -6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

Применение Скандия

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 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.

Сплавы скандия

Главным по объёму применения 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 титанакарбидом 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 Sc 2 O 3) 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 годы 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).

Огнеупорные материалы

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).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 раз 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.

Литература

http://ru.wikipedia.org/wiki

http://www.chem100.ru/index.htm

Для защиты реферата

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 45 Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 46 Sc 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.

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

Sc - первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d 1 4s 2 . По химическому поведению сходен с другими переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti 3+ , Fe 3+ , Mn 3+), 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 ScH 2 , с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) - соединения типа SсСl 3 .

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

В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc 3+ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды. Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

На Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO 3 и HF (1: 1).

Известно два собственных минерала Скандия: тортвейтит (Sc, Y)2 Si 2 O 7 (Sc2O3 до 53,5%) и стерреттит Sc 2H 2 O (Sc 2 O 3 до 39,2%), но встречаются они чрезвычайно редко.

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

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.

Так как, в горных породах содержание Скандия различно, и в связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn 2 +,Fe 2 +, TR, Hf, Th, U, Zr, то главная его масса рассеивается в минералах, содержащих эти элементы.

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.

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.

Оксид Скандия идет на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный 46 Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы Скандия, обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракето- и самолетостроении, а ряд соединений Скандия может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамическом производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях.

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.

МОСКВА 2010

· История Скандия и происхождение его названия

· Физические свойства Скандия

· Химические свойства Скандия

· Мировые ресурсы Скандия

· Распространение Скандия в природе

· Получение и производство Скандия

· Применение Скандия

· Металлургия

· Сплавы скандия

· Сверхтвёрдые материалы

· Микроэлектроника

· Источники света

· Изотопы скандия

· Ядерная энергетика

· Медицина

· Лазерные материалы

· Производство солнечных батарей

· МГД-генераторы

· Рентгеновские зеркала

· Огнеупорные материалы

· Производство фианитов

· Люминофоры

· Литература

История Скандия и происхождение его названия

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

Распространение Cкандия в природе

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

Применение Скандия

Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.

Металлургия

Внешний вид простого вещества Свойства атома Название, символ, номер Скандий / Scandium (Sc), 21 Атомная масса
(молярная масса) 44,955912(6) а. е. м. ( /моль) Электронная конфигурация 3d 1 4s 2 Радиус атома 162 пм Химические свойства Ковалентный радиус 144 пм Радиус иона (+3e) 72,3 пм Электроотрицательность 1,36 (шкала Полинга) Электродный потенциал 0 Степени окисления 3 Энергия ионизации
(первый электрон) 630,8 (6,54) кДж /моль (эВ) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 2,99 г/см³ Температура плавления 1 814 Температура кипения 3 110 Уд. теплота плавления 15,8 кДж/моль Уд. теплота испарения 332,7 кДж/моль Молярная теплоёмкость 25,51 Дж/(K·моль) Молярный объём 15,0 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки гексагональная (α-Sc) Параметры решётки a=3,309 c=5,268 (α-Sc) Отношение c /a 1,592 Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 15,8 Вт/(м·К) Номер CAS 7440-20-2

Нахождения в природе

Геохимия и минералогия

Среднее содержание скандия в земной коре - 10 г/т. Близки по химическим и физическим свойствам к скандию 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. Скандий является рассеянным элементом и входит в состав многих минералов. Собственно скандиевых минералов известно 2: тортвейтит (Sc, Y) 2 Si 2 O 7 (Sc 2 O 3 до 53,5 %) и стерреттит (кольбекит Sc·2H 2 O (Sc 2 O 3 до 39,2 %). Относительно небольшие концентрации обнаружены примерно в 100 минералах.

В связи с тем, что по свойствам скандий близок к , , , 2+ , 2+ , TR (редкоземельным элементам), , , , , главная масса его рассеивается в минералах, содержащих эти элементы. Имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc - Y в тортвейтите и замещение Al в берилле). Гетеровалентное замещение скандием Fe 2+ и магния в пироксенах , амфиболах, оливине , биотите широко развито в основных и ультраосновных породах, а замещение циркония - в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1 % Sc 2 O 3), касситерит (0,005-0,2 %), вольфрамит (0-0,4 %), ильменорутил (0,0015-0,3 %), торианит (0,46 % Sc 2 O 3), самарскит (0,45 %), виикит (1,17 %), ксенотим (0,0015-1,5 %), берилл (0,2 %), баццит (скандиевый берилл, 3-14,44 %). В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в темноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований. Наиболее высокие (30 г/т Sc 2 O 3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен , амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc 2 O 3 10 г/т, в кислых - 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в темноцветных минералах (роговой обманке , биотите) и устанавливается в мусковите , цирконе , сфене . Концентрация в морской воде - 0,00004 мг/л .

Месторождения

Самые значительные месторождения тортвейтита (минерала, наиболее богатого скандием) расположены на Мадагаскаре и в Норвегии .

История

Физические свойства

Химические свойства

Химические свойства скандия похожи на таковые у алюминия. В большинстве соединений скандий проявляет степень окисления +3. Компактный металл на воздухе покрывается с поверхности оксидной пленкой. При нагревании до красного каления реагирует с фтором, кислородом, азотом, углеродом, фосфором. При комнатной температуре реагирует с хлором, бромом и иодом. Реагирует с разбавленными сильными кислотами; концентрированными кислотами-окислителями и HF пассивируется. Реагирует с концентрированными растворами щелочей.

Ион Sc 3+ бесцветный диамагнитный, координационное число в водных растворах - 6. Как и в случае алюминия, гидроксид скандия амфотерен и растворяется как в избытке кислот, так и в избытке щелочей; с разбавленным раствором аммиака не реагирует. Хлорид, бромид, иодид и сульфат скандия хорошо растворимы в воде, раствор имеет кислую реакцию вследствие частичного гидролиза, при этом гидратация безводных солей сопровождается бурным выделением тепла. Фторид и фосфат скандия в воде не растворимы, но фторид растворятся в присутствии избытка фторид-ионов с образованием ScF 6 3- . Карбид, нитрид, фосфид, сульфид и карбонат скандия водой нацело гидролизуются. Органические соединения скандия термически относительно устойчивы, но бурно реагируют с водой и воздухом. Они построены в основном при помощи σ-связей Sc-C и представлены алкильными производными и полимерными циклопентадиенидами.

Известны также соединения с низшими степенями окисления скандия (+2, +1, 0). Одно из простейших - тёмно-синее твёрдое вещество CsScCl 3 . В этом веществе представлены связи между атомами скандия. Моногидрид скандия ScH наблюдался спектроскопически в условиях высоких температур в газовой фазе. Также низшие степени окисления скандия обнаружены в металлоорганических соединениях. .

Получение

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

Мировые ресурсы 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.

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

Лазерные материалы

Скандий используется в устройствах высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов (ГСГГ). Галлий-скандий-гадолиниевый гранат (ГСГГ) при легировании его ионами хрома и неодима позволил получить 4,5 % КПД и рекордные параметры в частотном режиме генерации сверхкоротких импульсов, что создаёт 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 [кем? ] , 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, 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

Рентгеновские зеркала

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 устойчивый оксид 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 также применение танталата скандия.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства