Глобальная добыча этого металла измеряется килограммами, стоимость – тысячами долларов за кг. Скандий называют металлом третьего тысячелетия.
Что представляет собой
Скандий – это элемент № 21 периодической системы Д. И. Менделеева:
- Чистый скандий – почти невесомое вещество серебристого цвета с желтоватым отливом, по которому его можно отличить от других легких металлов.
- Относится к группе редкоземельных металлов. Первый по атомному номеру не лантаноид из «редкоземельной триады» скандий-иттрий-лантан.
- Структура кристаллической решетки представлена двумя видами в зависимости от температуры (рубеж – 1336°C).
- По составу это моноизотоп – скандий-45.
Международное обозначение-символ – Sc (Scandium).
Биологического значения не имеет.
Как был открыт
Первым в истории науки существование элемента предсказал Дмитрий Менделеев. Он назвал вещество эка-бором, «вычислил» его атомную массу, свойства.
Через девять лет (в 1879 году) гипотезу Менделеева подтвердил шведский ученый Ларс Нильсен.
Он дал элементу имя в честь Скандинавского полуострова, на котором располагается Швеция.
Крупицы металла получили к 1914 году.
Физико-химические характеристики
Редкоземельный металл легок, мягок, но хрупок. Химические свойства скандия типичны для «редких земель»: хорошее взаимодействие с кислотами, проблемная окисляемость на воздухе, парамагнетизм.
При отсутствии примесей (особенно O2) металл легко обрабатывается.
Свойства атома | |
---|---|
Название, символ, номер | Скандий / Scandium (Sc), 21 |
Атомная масса (молярная масса) |
44,955912(6) а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | [Ar] 3d1 4s2 |
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 K |
Температура кипения | 3 110 K |
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 | 1,592 |
Прочие характеристики | |
Теплопроводность | (300 K) 15,8 Вт/(м·К) |
Номер CAS | 7440-20-2 |
Как представлен на планете
Чистый скандий на Земле не обнаружен.
Он представлен другими формами:
- Собственные минералы – джервисит и тортвейтит. В составе последнего – химическая формула Sc, Y2Si2O7 – скандия почти половина. Редкость.
- Чаще это компонент сотни других минералов, железных, урановых руд, углей.
Тонна земной коры содержит 10 граммов скандия.
Это сопоставимо с концентрацией свинца, но извлечение материала усложняет распыленность по литосфере.
Спектральный анализ установил насыщенность скандием некоторых типов звезд.
Месторождения сосредоточены на территории бывшего СССР и Монголии. В России это Якутия, Алтай, Красноярский край, Мурманская область.
Квартет поставщиков сырья на мировой рынок – Китай (91%), Россия, Казахстан, Украина. Как потенциальные игроки рассматриваются Австралия, Бразилия, Канада.
90% скандиевого сырья на мировой рынок поставляет Китай.
Технология получения
Извлечение скандия – многоступенчатый затратный процесс:
- Первым получают гидрооксид. Для этого отходы вольфрамовых руд обжигают, обрабатывают смесью воды, аммиака и серной кислоты.
- Гидроокись обезвоживают (620-730°С).
- Полученную окись избавляют от примесей, разделяют по фракциям.
- Повышенно чистый материал (оксид металла) получают рафинированием плюс прокаливание.
Второй способ получения предусматривает превращение окиси во фторид:
- Сырье дважды обрабатывают фтористым водородом.
- Фтористый скандий восстанавливают металлическим кальцием.
- Смесь металлического скандия и шлака плавят, разделяют в вакууме.
Для получения продукта чистоты 95%+ задействуют вакуумную дистилляцию.
Рентабелен способ получения скандия из каменноугольной золы и отходов переработки углей в синтетическое жидкое топливо.
Где используется
На практике скандий как металл используется редко. Чаще это сплавы, соединения. Особенно популярен оксид.
Металлургия
Скандий востребован как лигатура, улучшающая характеристики продукции:
- У алюминиево-магниевых сплавов повышается порог сопротивляемости, текучести.
- Хромовые, нихромовые становятся устойчивее к окислению. В данном сегменте скандий действует эффективнее иттрия.
- Компонент сверхтвердых материалов: с карбидом титана, кремния, нитридом бора, бериллием. Твердость повышается кратно.
Оксид скандия входит в состав огнеупора, из которого сделаны емкости для разливки сталей специальных марок. По жаростойкости оставляет позади всех «конкурентов».
Другие отрасли промышленности
Прочностные характеристики скандиевых сплавов, соединений оценены оборонным и гражданским сектором:
- Оксид металла – основа начинки суперкомпьютеров. Скорость обмена данными увеличивается в разы.
- Производство стекол для оптоэлектроники и жаростойкой керамики. Здесь используются достоинства оксида металла: минимальная теплопроводность плюс неразрушимость структуры термоударом.
- Соединение с иттрием – материал номер один для конструкций, функционирующих в экстремальных условиях.
- Атомщики применяют гидрид и дейтерид как замедлитель нейтронов. Бериллид отражает поток нейтронов (в том числе в ядерных боеголовках).
Это также материал рентгеновских зеркал, автомобилей, воздушных лайнеров, ракет, спутников, солнечных батарей, лазерных компонентов, элементов повышенной светимости.
Радиоактивный изотоп-46 – маркер в нефтепереработке, контролер хода выплавки металлов. Скандий-47 оптимален как источник позитронов.
Непромышленный сегмент
Скандий-46 используют онкологи.
Оксид металла – лучший стабилизатор при производстве фианитов.
Из сплавов с алюминием изготавливают байки, щитки, биты, другое снаряжение для физкультуры, фитнеса, спорта.
Перспективы
Направления использования алюминиево-скандиевых сплавов в будущем:
- Передача электроэнергии. Такое соединение повышает прочность и пропускную способность электропроводов.
- Производство самонаводящихся снарядов.
- Сплавы тестируются как материал остова боевых роботов.
Единственный недостаток, сдерживающий применение металла, – цена.
Стоимость
Диапазон стоимости скандия на мировом рынке – $13-22 тыс./кг.
На цену влияет конъюнктура рынка и вид продукции. Например, материал чистоты «пять девяток» – 99,999% оценили в $10 тыс./ кг. Мелкодисперсный порошок (249 мкм) шел по $296 тыс./кг, оксид металла – по $3,5 тыс./кг.