Scandium, alkuainesymbolilla Sc ja atominumerolla 21, liukenee helposti veteen, voi olla vuorovaikutuksessa kuuman veden kanssa ja tummuu helposti ilmassa. Sen päävalenssi on +3. Se sekoitetaan usein gadoliniumin, erbiumin ja muiden alkuaineiden kanssa alhaisella saannolla ja noin 0,0005 %:n pitoisuus kuoressa. Scandiumia käytetään usein erikoislasien ja kevyiden korkean lämpötilan metalliseosten valmistukseen.
Tällä hetkellä maailman todetut skandiumvarat ovat vain 2 miljoonaa tonnia, josta 90-95 % on bauksiitti-, fosforiitti- ja rautatitaanimalmeissa ja pieni osa uraani-, torium-, volframi- ja harvinaisten maametallien malmeissa. Venäjällä, Kiinassa, Tadžikistanissa, Madagaskarissa, Norjassa ja muissa maissa. Kiina on erittäin rikas skandiumvaroista, ja sillä on valtavat skandiumiin liittyvät mineraalivarat. Epätäydellisten tilastojen mukaan Kiinan skandiumvarannot ovat noin 600 000 tonnia, jotka sisältyvät bauksiitti- ja fosforiittiesiintymiin, porfyyrin ja kvartsilaskimoiden volframiesiintymiin Etelä-Kiinassa, harvinaisten maametallien esiintymiin Etelä-Kiinassa, Bayan Obon harvinaisten maametallien rautamalmiesiintymiin Sisä-Mongolian ja Panzhihuan vanadiinititaanimagnetiittiesiintymä Sichuanissa.
Skandiumin niukkuudesta johtuen myös skandiumin hinta on erittäin korkea, ja huipussaan skandiumin hinta nostettiin 10-kertaiseksi kullan hintaan. Vaikka skandiumin hinta on laskenut, se on edelleen neljä kertaa kullan hinta!
Historian löytäminen
Vuonna 1869 Mendelejev havaitsi atomimassassa aukon kalsiumin (40) ja titaanin (48) välillä ja ennusti, että täällä oli myös havaitsematon atomimassaalkuaine. Hän ennusti, että sen oksidi on X ₂ O Å. Scandiumin löysi vuonna 1879 Lars Frederik Nilson Uppsalan yliopistosta Ruotsista. Hän louhi sen mustasta harvinaisesta kultakaivoksesta, monimutkaisesta malmista, joka sisältää 8 erilaista metallioksideja. Hän on poiminutErbium(III)oksidimustasta harvinaisesta kultamalmista ja saatuYtterbium(III)oksiditästä oksidista, ja on toinen kevyemmän alkuaineen oksidi, jonka spektri osoittaa, että se on tuntematon metalli. Tämä on Mendelejevin ennustama metalli, jonka oksidi onSc2O3. Itse skandiummetalli on valmistettuScandium kloridielektrolyyttisellä sulatuksella vuonna 1937.
Mendelejev
Elektronien konfigurointi
Elektronikokoonpano: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Scandium on pehmeä, hopeanvalkoinen siirtymämetalli, jonka sulamispiste on 1541 ℃ ja kiehumispiste 2831 ℃.
Pitkään aikaan skandiumin käyttöä sen löytämisen jälkeen ei osoitettu sen tuotantovaikeuksien vuoksi. Harvinaisten maametallien elementtien erotusmenetelmien parantuessa on nyt olemassa kypsä prosessivirta skandiumyhdisteiden puhdistamiseen. Koska skandium on vähemmän emäksistä kuin yttrium ja lantanidi, hydroksidi on heikoin, joten skandiumia sisältävä harvinaisten maametallien sekoitettu mineraali erotetaan harvinaisen maametallin alkuaineesta "vaihesaostus" -menetelmällä, kun skandium(III)hydroksidia käsitellään ammoniakilla sen jälkeen. siirretään liuokseen. Toinen tapa on erottaa skandiumnitraatti nitraatin polaarihajotuksella. Koska skandiumnitraatti on helpoimmin hajoava, skandium voidaan erottaa. Lisäksi mukana tulevan skandiumin kattava talteenotto uraanista, toriumista, volframista, tinasta ja muista mineraaliesiintymistä on myös tärkeä skandiumin lähde.
Sen jälkeen kun on saatu puhdas skandiumyhdiste, se muunnetaan ScClÅ:ksi ja sulatetaan yhdessä KCl:n ja LiCl:n kanssa. Sulaa sinkkiä käytetään katodina elektrolyysissä, mikä aiheuttaa skandiumin saostumisen sinkkielektrodille. Sitten sinkki haihdutetaan metallisen skandiumin saamiseksi. Tämä on kevyt hopeavalkoinen metalli, jolla on erittäin aktiivisia kemiallisia ominaisuuksia ja joka voi reagoida kuuman veden kanssa muodostaen vetykaasua. Joten kuvassa näkyvä metalliskandium on suljettu pulloon ja suojattu argonkaasulla, muuten skandium muodostaa nopeasti tummankeltaisen tai harmaan oksidikerroksen, joka menettää kiiltävän metallisen kiillonsa.
Sovellukset
Valaistusteollisuus
Skandiumin käyttötarkoitukset keskittyvät hyvin kirkkaisiin suuntiin, eikä ole liioittelua kutsua sitä Valon Pojaksi. Ensimmäinen skandiumin taika-ase on nimeltään skandiumnatriumlamppu, jolla voidaan tuoda valoa tuhansiin kotitalouksiin. Tämä on metallihalogenidi Sähkövalo: polttimo on täytetty natriumjodidilla ja skandiumtrijodidilla, ja skandium ja natriumfolio lisätään samanaikaisesti. Korkeajännitepurkauksen aikana skandium-ionit ja natriumionit lähettävät valoa niille ominaisilla emissioaallonpituuksilla. Natriumin spektriviivat ovat 589,0 ja 589,6 nm, kaksi kuuluisaa keltaista valoa, kun taas skandiumin spektriviivat ovat 361,3-424,7 nm, sarja lähellä ultravioletti- ja sinistä valoa. Koska ne täydentävät toisiaan, tuotettu yleinen valoväri on valkoinen valo. Juuri siksi, että skandiumnatriumlampuilla on korkea valotehokkuus, hyvä valon väri, virransäästö, pitkä käyttöikä ja voimakas sumun hajoamiskyky, niitä voidaan käyttää laajalti televisiokameroissa, aukioissa, urheilupaikoissa ja tievalaistuksessa, ja ne tunnetaan kolmannen sukupolven valonlähteinä. Kiinassa tämäntyyppisiä lamppuja aletaan vähitellen mainostaa uutena teknologiana, kun taas joissakin kehittyneissä maissa tämäntyyppisiä lamppuja käytettiin laajalti jo 1980-luvun alussa.
Toinen skandiumin taika-ase on aurinkokennoja, jotka voivat kerätä maahan sironneen valon ja muuttaa sen sähköksi ihmisyhteiskunnan ohjaamiseksi. Scandium on paras sulkumetalli metallieristepuolijohdepuolijohde-aurinkokennoissa ja aurinkokennoissa.
Sen kolmas taika-ase on nimeltään γ A ray source, tämä taika-ase voi loistaa kirkkaasti yksinään, mutta tällaista valoa ei voi vastaanottaa paljaalla silmällä, se on korkeaenerginen fotonivirtaus. Otamme yleensä mineraaleista 45Sc:tä, joka on skandiumin ainoa luonnollinen isotooppi. Jokainen 45Sc-ydin sisältää 21 protonia ja 24 neutronia. Keinotekoista radioaktiivista isotooppia 46Sc voidaan käyttää γ:na Säteilylähteenä tai merkkiatomeja voidaan käyttää myös pahanlaatuisten kasvainten sädehoidossa. On myös sovelluksia, kuten yttriumgallium-skandiumgranaattilaser,Scandium fluoridilasiinfrapuna Optinen kuitu ja skandiumilla päällystetty katodisädeputki televisiossa. Näyttää siltä, että skandium syntyy kirkkaudella.
Seosteollisuus
Skandiumia alkuainemuodossaan on käytetty laajalti alumiiniseosten seostukseen. Niin kauan kuin alumiiniin lisätään muutama tuhannesosa skandiumia, muodostuu uusi Al3Sc-faasi, jolla on alumiiniseoksessa muodonmuutosrooli ja se saa lejeeringin rakenteen ja ominaisuudet muuttumaan merkittävästi. 0,2 % ~ 0,4 % Sc:n lisääminen (joka on todella samanlainen kuin suolan lisääminen paistettujen vihannesten sekoitukseen kotona, tarvitaan vain vähän) voi nostaa lejeeringin uudelleenkiteytyslämpötilaa 150-200 ℃ ja parantaa merkittävästi korkeaa -lämpötilan kestävyys, rakenteellinen vakaus, hitsausteho ja korroosionkestävyys. Sillä voidaan myös välttää haurastumisilmiö, joka on helppo ilmaantua pitkäaikaisessa työssä korkeissa lämpötiloissa. Erittäin lujalla ja sitkeällä alumiiniseoksella, uudella erittäin lujalla korroosionkestävällä hitsattavalla alumiiniseoksella, uudella korkean lämpötilan alumiiniseoksella, erittäin lujalla neutronisäteilyn kestävällä alumiiniseoksella jne. on erittäin houkuttelevat kehitysnäkymät ilmailu-, ilmailu-, laivojen, ydinreaktorit, kevyet ajoneuvot ja suurnopeusjunat.
Scandium on myös erinomainen raudan modifiointiaine, ja pieni määrä skandiumia voi parantaa merkittävästi valuraudan lujuutta ja kovuutta. Lisäksi skandiumia voidaan käyttää myös korkean lämpötilan volframi- ja kromiseosten lisäaineena. Tietysti sen lisäksi, että skandiumilla valmistetaan häävaatteita muille, sillä on korkea sulamispiste ja sen tiheys muistuttaa alumiinia, ja sitä käytetään myös korkean sulamispisteen kevyissä seoksissa, kuten skandium-titaaniseoksessa ja skandiummagnesium-seoksessa. Korkean hinnan vuoksi sitä käytetään kuitenkin yleensä vain huippuluokan valmistusteollisuudessa, kuten avaruussukkuloissa ja raketteissa.
Keraaminen materiaali
Skandiumia, yksittäistä ainetta, käytetään yleisesti seoksissa, ja sen oksideilla on samalla tavalla tärkeä rooli keraamisissa materiaaleissa. Keraamisella tetragonaalisella zirkoniumoksidikeraamisella materiaalilla, jota voidaan käyttää kiinteäoksidipolttokennojen elektrodimateriaalina, on ainutlaatuinen ominaisuus, jossa tämän elektrolyytin johtavuus kasvaa lämpötilan ja ympäristön happipitoisuuden noustessa. Tämän keraamisen materiaalin kiderakenne itsessään ei kuitenkaan voi olla vakaasti olemassa eikä sillä ole teollista arvoa; On välttämätöntä dopingoida joitain aineita, jotka voivat korjata tämän rakenteen, jotta sen alkuperäiset ominaisuudet säilyisivät. 6-10 % skandiumoksidin lisääminen on kuin betonirakenne, joten zirkoniumoksidi voidaan stabiloida neliömäiselle hilalle.
Tiivistin- ja stabilointiaineina on myös teknisiä keraamisia materiaaleja, kuten lujaa ja korkeita lämpötiloja kestävää piinitridia.
Tiivistysaineena,Scandium oksidivoi muodostaa tulenkestävän faasin Sc2Si2O7 hienojen hiukkasten reunaan, mikä vähentää teknisen keramiikan muodonmuutoksia korkeassa lämpötilassa. Muihin oksideihin verrattuna se voi paremmin parantaa piinitridin korkean lämpötilan mekaanisia ominaisuuksia.
Katalyyttinen kemia
Kemiantekniikassa skandiumia käytetään usein katalyyttinä, kun taas Sc2O3:a voidaan käyttää etanolin tai isopropanolin dehydraatioon ja deoksidaatioon, etikkahapon hajottamiseen ja eteenin tuotantoon CO:sta ja H2:sta. Sc2O3:a sisältävä Pt Al -katalyytti on myös tärkeä katalyytti raskaan öljyn hydrauspuhdistus- ja jalostusprosesseissa petrokemianteollisuudessa. Katalyyttisissä krakkausreaktioissa, kuten kumeeni, Sc-Y-zeoliittikatalyytin aktiivisuus on 1000 kertaa korkeampi kuin alumiinisilikaattikatalyytin; Joihinkin perinteisiin katalyytteihin verrattuna skandiumkatalyyttien kehitysnäkymät ovat erittäin valoisat.
Ydinenergiateollisuus
Pienen määrän Sc2O3:a lisääminen korkean lämpötilan reaktorin ydinpolttoaineeseen UO2:een voi välttää hilan muuntumisen, tilavuuden kasvun ja halkeilun, joka johtuu UO2:n muuntamisesta U3O8:ksi.
Polttokenno
Vastaavasti 2,5–25 % skandiumin lisääminen nikkeli-alkaliparistoihin pidentää niiden käyttöikää.
Maatalouden jalostus
Maataloudessa siemeniä, kuten maissia, juurikkaita, herneitä, vehnää ja auringonkukkaa, voidaan käsitellä skandiumsulfaatilla (pitoisuus on yleensä 10-3 ~ 10-8 mol/l, eri kasveilla on erilainen vaikutus) ja todellinen vaikutus itävyyden edistämiseen on saavutettu. 8 tunnin kuluttua juurien kuivapaino kasvoi 37 % ja silmujen kuivapaino 78 % taimiin verrattuna, mutta mekanismia tutkitaan edelleen.
Nielsenin huomiosta atomimassatietojen velkaan tähän päivään asti skandium on tullut ihmisten näkemykseen vasta sata-kaksikymmentä vuotta, mutta se on istunut lähes sata vuotta penkillä. Vasta materiaalitieteen voimakas kehitys viime vuosisadan lopulla toi hänelle elinvoimaa. Nykyään harvinaisista maametallielementeistä, kuten skandiumista, on tullut kuumia tähtiä materiaalitieteessä, ja niillä on jatkuvasti muuttuvia rooleja tuhansissa järjestelmissä, mikä tuo lisää mukavuutta elämäämme joka päivä ja luo taloudellista arvoa, jota on vielä vaikeampi mitata.
Postitusaika: 29.6.2023