Молярная масса скандия. Скандий применение

По своим свойствам скандий имеет перспективы применения в ядерной энергетике, ракетостроении, авиации и др. У этого элемента редкое и счастливое сочетание свойств, однако его применение до недавнего времени сдерживалось высокой стоимостью металлического скандия. Рассмотрим основные области применения скандия и его соединений:

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 разрыву на 35%, а предел текучести на 65-84%, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20-27%. Добавка 0,3-0,67% к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290 °C, и аналогичное но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций, работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.

Сплавы скандия.

Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, бейсбольные биты и т.п.) - везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. 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. Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. 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/ммІ (свыше 7000 МПа).

Сверхтвёрдые материалы

Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. 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) имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз.

Источники света.

Порядка 80 кг скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.

Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут) является одним из лучших источников позитронов.

Ядерная энергетика.

В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия - прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.

Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также 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).

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.

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).

В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до 2575°C), рутением (температура плавления до 1840°C), железом (температура плавления до 1600°C), (жаропрочность, умеренная плотность и др.).

Огнеупорные материалы.

Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления 2450 °C) играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так, например, наиболее устойчивый оксид иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области, можно сказать, незаменим.

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

Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия:

• Бокситы - 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710-1420 тонн;
• Урановые руды - 50 млн тонн в год, попутный скандий 50-500 тонн в год;
• Ильмениты - 2 млн тонн в год, попутный скандий 20-40 тонн в год;
• Вольфрамиты - попутный скандий около 30-70 тонн в год;
• Касситериты - 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20-25 тонн в год;
• Цирконы - 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5-12 тонн в год.

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

Скандий (Scandium) Sc, химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,9559; относится к редкоземельным элементам. Известен один природные стабильный изотоп 45Sc. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,66.10-21 м2. Конфигурация внешний электронных оболочек атома 3d14s2; устойчивая степень окисления + 3, редко + 1, + 2; энергии ионизации при последоват. переходе от Sc0 к Sc3+ равны соответственно 6,5616, 12,80 и 24,76 эВ; сродство к электрону — 0,73 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,3; атомный радиус 0,164 нм, ионный радиус Sc3+ 0,089 нм (координац. число 6), 0,101 нм (8).

Скандий-рассеянный литофильный элемент, геохимически близок РЗЭ иттриевой группы, Mg, Аl, Мh, Zr и Ti. Среднее содержание скандий в земной коре 1 . 10-3 % по массе, концентрация скандий в речных водах 4.10-8 г/л. подземных (2,2-5) x x 10-8 г/л, в воде океанов -8.10-10 г/л. Известно более 120 минералов-носителей СКАНДИЙ Собств. минералы СКАНДИЙ (очень редки): тортвейтит (Sc,Y)2Si2O7, баццит Sc2Be3Si6Ol8, джервисит NaScSi2О6, каскандит CaScSi3O8(ОН), кольбекит (эггонит) ScPO4 . 2Н2 О.

21 ← Скандий → Титан Sc ↓ Y Внешний вид простого вещества Умеренно мягкий, лёгкий редкоземельный металл серебристого цвета с жёлтым отливом Свойства атома Название, символ, номер Скандий / Scandium (Sc), 21 Атомная масса (молярная масса) 44,955912(6) а. е. м. (г/моль) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность 1,36 (шкала Полинга) Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации (первый электрон) 630,8 (6,54) кДж/моль (эВ) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения 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 см³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки гексагональная (α-Sc) Параметры решётки a=3,309 c=5,268 (α-Sc) Отношение c/a Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 15,8 Вт/(м·К)

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 Si2O7 (Sc2O3 до 53,5 %) и стерреттит Sc . 2H2O (Sc2O3 до 39,2 %). Относительно небольшие концентрации обнаружены примерно в 100 минералах. В связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn2+, Fe2+, TR (редкоземельным элементам), Hf, Th, U, Zr, 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 Fe2+ 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 % Sc2O3), касситерит (0,005-0,2 %), вольфрамит (0-0,4 %), ильменорутил (0,0015-0,3 %), торианит (0,46 % Sc2O3), самарскит (0,45 %), виикит (1,17 %), ксенотим (0,0015-1,5 %), берилл (0,2 %), баццит (скандиевый берилл, 3-14,44 %). 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. Наиболее высокие (30 г/т Sc2O3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc2O3 10 г/т, в кислых — 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене. Концентрация в морской воде 0,00004 мг/л. Химические свойства Химические свойства скандия похожи на таковые у алюминия. Во всех соединениях 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 йодом. Реагирует с разбавленными сильными кислотами; концентрированными кислотами-окислителями и HF пассивируется. Реагирует с концентрированными растворами щелочей. Ион Sc3+ бесцветный диамагнитный, координаионное 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 ScF63-. Нитрид, 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. 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 Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия: Бокситы — 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн; Урановые руды — 50 млн тонн в год, попутный скандий 50—500 тонн в год; Ильмениты — 2 млн тонн в год, попутный скандий 20—40 тонн в год; Вольфрамиты — попутный скандий около 30—70 тонн в год; Касситериты — 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20—25 тонн в год; Цирконы — 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5—12 тонн в год. Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов, собственные его минералы (тортвейтит, джервисит) очень редки Скандий присутствует в каменном угле и для его добычи можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков, которая была начата в последние годы в ряде развитых стран. Применение 1. Металлургия 2. Сверхтвёрдые материалы 3. Микроэлектроника 4. Источники света 5. Ядерная энергетика 6. Медицина 7. Лазерные материалы 8. Производство солнечных батарей 9. МГД-генераторы 10. Рентгеновские зеркала 11. Огнеупорные материалы 12. Производство фианитов 13. Люминофоры

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 разрыву на 35 %, а предел текучести на 65—84 %, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20—27 %. Добавка 0,3—0,67 % к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290 °C, и аналогичное но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций, работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.

Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, бейсбольные биты и т. п.) — везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 МПа (40 кгс/мм2), 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 также 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/мм2 (свыше 7000 МПа).

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.

Сверхтвёрдые материалы

Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость (в 2 раза), что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза (около 98,7 — 120 ГПа), нитрида бора (боразона), (около 77—87 ГПа), сплава бор-углерод-кремний (около 68—77 ГПа), и существенно больше, чем у карбида бора(43,2 — 52 ГПа), карбида кремния (37 ГПа), микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около 53,4 ГПа (у карбида титана, например, 29,5 ГПа). Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости.

Так, например, бериллид скандия (1 атом скандия и 13 атомов бериллия) обладает наивысшим благоприятным сочетанием плотности, прочности и высокой температуры плавления, и может явится лучшим материалом для строительства аэрокосмической техники, превосходя в этом отношении лучшие сплавы из известных человечеству на основе титана, и ряд композиционных материалов (в том числе ряд материалов на основе нитей углерода и бора).

Микроэлектроника

Оксид скандия (температура плавления 2450 °C) имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз из-за снижения остаточной индукции с 2 — 3 кГаусс до 0,8 — 1 кГаусс.)

Источники света

Порядка 80 кг скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.

Изотопы скандия

Радиоактивный изотоп 46Sc (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) является одним из лучших источников позитронов.

Ядерная энергетика

В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия — прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.

Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также 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 (ГСГГ) 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[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

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).

В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до 2575 °C), рутением (температура плавления до 1840 °C), железом (температура плавления до 1600 °C), (жаропрочность, умеренная плотность и др).

Огнеупорные материалы

Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления 2450 °C) играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так, например, наиболее 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.

Производство фианитов

Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором.

Люминофоры

Борат скандия, равно как и борат иттрия применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.

Чем хорош скандий?

Сочетанием малого веса и высокой температурой плавления. Будучи 21-м элементом таблицы Менделеева, он располагается под алюминием в подгруппе 3Б, отличаясь от последнего втрое более высокой температурой плавления, а от соседнего титана - в полтора раза большей прочностью. Серебристый с желтым отливом скандий, заметно окисляющийся на воздухе лишь при нагреве выше 250оС, мог бы стать прекрасным конструкционным материалом, может быть, даже основой цивилизации. Однако не стал.

Чем плох скандий?

Тем, что он чрезвычайно рассеян. Скандия в земной коре 10-3-10-4%. Это не так уж мало, если сравнить с бла­городными платиной (10-7), золотом (10-8) и даже серебром (10-6). Хотя до соседей по таблице, например кальция или титана, ему очень далеко. Но вот по рассеянности скандий - рекордсмен: редко в каком минерале его содержание достигает 10 граммов на тонну. Поэтому добывать его не то чтобы сложно, но очень дорого. Цена на более-менее чистый скандий в разы превышает цену золота. Такой металл никак не может стать основой циви­лизации, хотя он и содержится в отвалах многих предприятий по производству металлов или фосфорных удобрений.

Какую роль сыграл скандий в утверждении Периодической системы?

Сформулировав свой закон, Д. И. Менделеев пред­сказал свойства элементов в незаполненных ячейках таблицы. Среди них был и элемент 21, названный им экабором. В 1879 году швед Ларс Нильсон обнаружил в минерале ауксените элемент, свойства которого оказались практически идентичны экабору. Этот элемент, названный скандием в честь родины Нильсона, стал вторым доказательством справедливости закона: первым был открытый в 1875 году экалюминий - галлий.

Зачем скандий металловедам?

Не будь он столь редким и дорогим, технологи могли бы найти ему много применений. Главное - аэрокосмическая промышленность. Так, добавка скандия в мельчайших количествах (доли весового процента) в сплавы алюминия и алюминия с магнием существенно, на десятки процентов, а порой и в разы увеличивает механические свойства: твердость, прочность, длительную прочность. Пластичность же при этом не уменьшается. Эффекты достигаются за счет того, что скандий, во-первых, сильно уменьшает размер зерен металла, а во-вторых, выделяется в виде упрочняющих частиц интерметаллида - скандида алюминия AlSc2. И заменить его нечем. Вот свежий опыт, поставленный немецкими учеными, которые делали тонкую алюминиевую пленку для последующей штамповки микроскопических деталей. Сплав с добавкой скандия удовлетворяет всем требованиям технологов, но уж очень хочется избавиться от этого дорогого элемента. Что если взять химический аналог - иттрий, стоящий в таблице сразу под скандием? Взяли и обнаружили, что структура пленок у обоих сплавов схожая, а прочность той, что с иттрием, даже выше. Но вот пластичность упала почти до нуля. Из такой пленки ничего не отштампуешь. Среди прочих достоинств алюминиевых сплавов со скандием - свариваемость и поглощение радиоволн; последнее нужно для облегчения маскировки боевых самолетов.

Легкие сплавы прежде всего нужны авиации и космонавтике. Если не думать о цене, для столь важного дела следует применять самый лучший материал. (Вспомним слова, приписываемые конструктору МИГов А. И. Микояну: «Если надо, мои самолеты будут заправляться армянским коньяком».) Так и делали в СССР, где была поставлена задача - получить десять тонн скандия в год (больше, чем все остальные страны, вместе взятые) и пре­вратить его в тысячу тонн высокопрочного алюминиевого сплава. Из такого сплава, в частности, были сделаны элементы обшивки космического челнока «Буран».

Впрочем, будущее этого металла авторы доклада все же связы­вают с авиацией и космосом. Может быть, имеется в виду второе рождение известных легких сплавов, а может быть, и уникальный новый материал - бериллид скандия ScBe16. Это легчайший из возможных (удельный молекулярный вес в расчете на один атом оказывается чуть больше 11, то есть меньше, чем у углерода) металлический конструкционный материал, способный выдер­живать нагрев на воздухе до 1600оС. Энтузиасты заявляют, что, будь в нашем распоряжении много скандия и бериллия, именно из их интерметаллида делали бы космические корабли, двигате­ли, турбины электростанций и много чего еще. Увы, при этом они упускают из виду, что интерметаллиды - вещества хотя и проч­ные, но, как правило, хрупкие, и ни один конструктор по доброй воле такой материал в ответственную конструкцию не поставит. Конечно, можно различными ухищрениями поднять пластичность материала, но, если это требуется делать в огромном интервале температур, от комнатной до белого каления, задача становится практически неразрешимой. А традиционным легким сплавам в самолетах на пятки наступают углепластики - материалы легчай­шие и прочнейшие. Поэтому авиационно-космическое будущее сплавам со скандием отнюдь не гарантировано.

Как скандий связан со светом?

Зачем нужен радиоактивный скандий и как его делают?

Са­мым интересным радиоактивным изотопом оказался скандий-44 с периодом полураспада 3,97 часа, излучающий позитроны. Ге­нератором этого скандия служит радиоактивный изотоп титан-44, с периодом полураспада 60 лет. Из такого генератора ежедневно извлекают порцию скандия для исследований. А служит он для позитронно-эмиссионной томографии. Благодаря относительно большому времени жизни скандия-44, а также тому, что после из­лучения позитрона остается безвредный кальций-44, созданные на его основе препараты позволяют следить за длительными перемещениями лекарственных и других веществ в организме.

Какие новые приложения могут появиться у скандия?

Очевид­но, что обеспечить потребление столь дорогого вещества может только его выдающееся свойство. Не исключено, что в ближайшее время он поможет накапливать водород для устройств водо­родной энергетики, причем вес водорода превысит критическое значение в 5%. Материалы, содержащие скандий, демонстрируют очень хорошие результаты. Так, порошок из частиц Mg65Sc35 сумел накопить до 6,4% водорода, причем спустя 50 циклов зарядка- разрядка способность к накоплению упала не столь уж сильно - до 4,3%. Добавка скандия существенно ускорила скорость пере­мещения водорода, снизив активационную энергию этого процес­са в два раза. Расчет поведения кластеров SiхAl12 со скандиевым покрытием показал, что они, во-первых, не будут слипаться, а во-вторых, смогут накопить более 6% водорода. Аналогич­ный расчет для наночешуек графена, декорированных по торцу скандием, предсказывает накопление уже 9% водорода, причем с удивительно низким значением энергии связи. Для графена с кальцием те же исследователи получили емкость лишь в 5%. Видимо, теперь дело за экспериментальной проверкой. А вот пористые полимеры, даже со скандием, на рекорд не пошли - они вбирают в себя не более 3 вес. % водорода.

Чем скандий похож на красную ртуть?

Три вещества: скан­дий, красная ртуть и изотопно-чистый осмий-187 прославились в конце перестройки тем, что все мало-мальски связанные с металлургией люди разыскивали их в надежде мгновенно раз­богатеть. Соблазн был очень велик, ведь граммы этих металлов оценивались в сотни долларов. Ажиотаж подогревался тем об­стоятельством, что в советскую эпоху было принято заказывать некоторые элементы в избыточном количестве, например, чтобы выбрать в конце года выделенные на финансирование института фонды. В результате у многих в запасниках скопились всевоз­можные редкие и дорогие вещества - рений, индий, лантан, ниобий, гафний, тот же скандий. Через некоторое время запасы списывали, металл же оставался в столе на всякий случай для будущих исследований. С развитием товарно-денежных отно­шений появилась возможность обратить эти запасы в наличные. Многие ли сумели этой возможностью воспользоваться - не­известно, но сплетни о том, что есть спрос на дорогие металлы, распространились со скоростью степного пожара. Если красная ртуть - вещество скорее вымышленное, а осмий-187 - чрез­вычайно специальное, то скандий - пусть редкий, но всем по­нятный легирующий элемент специальных сплавов.

Об операции «скандий-красная ртуть-осмий-187» есть не­сколько мнений. По одной, самой безобидной, западные партнеры таким образом искали поставщиков ценного сырья из-за желез­ного занавеса. По другой - ее организовали спецслужбы для выявления каналов контрабанды и утечки гостайны. Конспирологи утверждают: таким способом по фиктивным контрактам в СССР были завезены деньги для оплаты подрывных действий - фик­тивно вывозить металл, два килограмма которого тянут на пол­миллиона долларов, легче, чем вагоны с алюминием. Впрочем, это могло быть банальным разворовыванием советских запасов, например, в результате перепродажи металла по заниженной цене. Стоил же скандий и тогда, и сейчас очень дорого, в чем можно убедиться, пролистав упомянутый американский отчет: один грамм скандия, например, в форме дендритов (их получают, осаждая чистый металл из пара) стоил в 2011 году 199 долларов (примерно в четыре раза дороже золота), а в 2007-м - 208 дол­ларов. Это не сильно отличается от 191 доллара - стоимости грамма тех же дендритов чистотой 99,99% в 1994 году.

Во всей этой истории совершенно непонятно, кому нужен скан­дий, если производство материалов на его основе невелико и все поставщики столь хорошо известны, что обращаться к черному рынку не имеет смысла. Есть мнение, что вся процедура связа­на с обманом банкиров. Дорогой металл - отличное средство залога, если же он тебе достался дешево, а то и бесплатно, то можно с легким сердцем взять под него кредит, переложив на банкиров головную боль, связанную с последующей продажей дорогого, но мало кому нужного вещества. Не исключено, что советский скандий до сих пор обращается в этой далекой от материаловедения сфере.

А. Мотыляев

Скандий

СКА́НДИЙ -я; м. Химический элемент (Sc), металл серого цвета, обладающий высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

◁ Ска́ндиевый, -ая, -ое.

(лат. Scandium), химический элемент III группы периодической системы, относится к редкоземельным элементам. Название от Скандинавского полуострова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см 3 , t пл 1541°C. Компонент лёгких сплавов с высокими прочностью и коррозионной устойчивостью, катализатор высокотемпературной пара-орто-конверсии водорода, нейтронный фильтр в ядерной технике.

СКА́НДИЙ (лат. Scandium, в честь Скандинавии - родины Л. Ф. Нильсона), Sc (читается «скандий»), химический элемент с атомным номером 21, атомная масса 44,9559. Природный скандий состоит из одного стабильного изотопа с массовым числом 45. Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 1 4s 2 . Степени окисления +1, +2, +3 (валентность I, II, III). Скандий - редкоземельный элемент. Расположен в группе IIIВ периодической системы элементов, в 4-м периоде. Радиус атома 0,164 нм, радиус иона Sc 3+ 0,089 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации 6,562, 12,8, 24,8, 74,2, 93,9 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,3.
Первым существование скандия предположил в 1871 Д. И. Менделеев (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) . Он предложил название «экабор» и в журнале Русского химического общества описал некоторые свойства нового элемента. Открыт скандий был в 1879 шведским химиком Л. Ф. Нильсоном (см. НИЛЬСОН Ларс Фредерик) при исследовании иттербия (см. ИТТЕРБИЙ) . Первый образец чистого скандия (выше 94%) был получен в 1937.
Содержание скандия в земной коре 1·10 -3 % по массе. Sc - рассеянный элемент. Известно более 120 минералов, содержащих Sc. Наиболее важные собственные минералы Sc: баццит Sc 2 Be 3 Si 6 O 18 и эггонит ScPO 4 ·2H 2 O. В незначительных концентрациях Sc содержится в речных, подземных и морских водах. Обычно сопутствует вольфраму, олову, алюминию, титану и ванадию.
При получении скандия на отходы от переработки W, Sn, Al, Ti и V действуют кислотами или щелочами. Дальнейшую очистку Sc проводят экстракционными методами. Для глубокой очистки Sc перегоняют в глубоком вакууме. Металлический Sc получают методом кальцийтермического восстановления фторида скандия:
2ScF 3 +3Ca=3CaF 2 +2Sc
или его оксида: Sc 2 O 3 +3Ca=3CaO+2Sc
Скандий - серебристый металл с желтым отливом. До 1336°C устойчива a-модификация Sc с гексагональной решеткой типа решетки магния (см. МАГНИЙ) , а = 0,33085 нм, с = 0,52680 нм, плотность 2,989кг/дм 3 . Выше 1336°C устойчива b-модификация с кубической объемно центрированной решеткой. Температура плавления 1541°C, кипения 2837°C. На воздухе Sc при комнатной температуре устойчив, из-за плотной защитной оксидной пленки Sc 2 O 3 . Интенсивная реакция Sc с кислородом (см. КИСЛОРОД) начинается при 200-250°C. При взаимодействии Sc 2 O 3 с щелочами и оксидами щелочноземельных металлов образуются скандиаты NaScO 2 или CaSc 2 O 4. Оксид скандия образует смешанные оксиды 2Sc 2 O 3 ·3ZrO 2 .
Скандий при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) , водородом (см. ВОДОРОД) , азотом (см. АЗОТ) , серой (см. СЕРА) и фосфором (см. ФОСФОР) . Оксид Sc 2 О 3 обладает слабоосновными свойствами, ему отвечает аморфное основание Sc(ОН) 3· nH 2 O, кристаллический гидроксид Sc(ОН) 3 и ScО(OН). По свойствам гидроксиды скандия похожи на гидроксид алюминия. Хлорид скандия ScCl 3 , нитрат Sc(NO 3) 3 , перхлорат Sc(ClO 4) 3 , сульфат Sc 2 (SO 4) 3 и некоторые другие в водных растворах гидролизованы и выделяются из растворов в виде гидратов. Скандий используется как легирующая добавка. Оксид скандия применяют в производстве ферритов (см. ФЕРРИТЫ) , искусственных гранатов (см. ГРАНАТЫ (синтетические)) , как компонент керамических материалов. Ортофосфат скандия - основа флуоресцирующих составов.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "скандий" в других словарях:

Церитовый и гадолинитовый металл, из группы бора, открыт в 1879 г. Нильсоном. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. скандий (назв. по месту открытия scandi(navia)) хим. элемент, символ Sc (лат. scandium) … Словарь иностранных слов русского языка

- (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541шC. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879 … Современная энциклопедия

- (лат. Scandium) Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам. Назван от Скандинавского п ова (лат. Scandia), где был открыт. Плотность 3,02 г/см³, tпл… … Большой Энциклопедический словарь

- (символ Sc), серебристо белый элемент III группы периодической таблицы, металл. Был предсказан (под названием экабор) Д. МЕНДЕЛЕЕВЫМ. Открыт в 1879 г. Встречается в тортвейтите и в небольших количествах в других минералах. Является ковким… … Научно-технический энциклопедический словарь

Sc (от лат. Scandia Cкандинавия * a. scandium; н. Skandium; ф. scandium; и. escandio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева; относится к редкоземельным элементам, ат.н. 21, ат. м. 44,9559. Природный C. представлен одним… … Геологическая энциклопедия

СКАНДИЙ, скандия, мн. нет, муж. (хим.). Редкий металл, не встречающийся в природе в свободном состоянии, а существующий только в окиси, имеющей вид белого порошка. (От названия полуострова Скандинавия.) Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 … Толковый словарь Ушакова

- (Scandium), So, хим. элемент III группы периодич. системыэлементов, ат. номер 21, ат. масса 44,95591, редкоземельный элемент. Вприроде представлен одним стабильным нуклидом 45Sс. Конфигурациявнеш. электронных оболочек 3s2p6d14s2.Энергии… … Физическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 3 металл (86) экабор (1) элемент (159) Словарь синонимов ASIS. В.Н … Словарь синонимов

скандий - Sc Химический элемент, добывается из отходов производства напр. урана [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы Sc EN scandium … Справочник технического переводчика

Скандий - (Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 21, атомная масса 44,95591, относится к редкоземельным элементам; металл, tпл 1541°C. Открыт шведским химиком Л. Нильсоном в 1879. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

СКАНДИЙ - хим. элемент, символ Sc (лат. Scandium), ат. н. 21, ат. м. 44,96, относится к редкоземельным элементам; серебристый металл с характерным жёлтым отливом, плотность 3020 кг/м3, tпл = 1541 °С, проявляет достаточно высокую хим. активность. В природе… … Большая политехническая энциклопедия

Книги

• Неорганическая и аналитическая химия скандия , Л. Н. Комиссарова. В монографии обобщены сведения об основных группах неорганических соединений скандия (интерметаллиды, бинарные бескислородные соединения, в том числе галогенидыи роданиды, сложные оксиды,…