Sκανδίου, με σύμβολο στοιχείου Sc και ατομικό αριθμό 21, είναι εύκολα διαλυτό στο νερό, μπορεί να αλληλεπιδράσει με το ζεστό νερό και σκουραίνει εύκολα στον αέρα. Το κύριο σθένος του είναι +3. Συχνά αναμιγνύεται με γαδολίνιο, έρβιο και άλλα στοιχεία, με χαμηλή απόδοση και περιεκτικότητα περίπου 0,0005% στον φλοιό. Το σκάνδιο χρησιμοποιείται συχνά για την κατασκευή ειδικού γυαλιού και ελαφρών κραμάτων υψηλής θερμοκρασίας.
Επί του παρόντος, τα αποδεδειγμένα αποθέματα σκανδίου στον κόσμο είναι μόνο 2 εκατομμύρια τόνοι, εκ των οποίων το 90-95% περιέχεται σε μεταλλεύματα βωξίτη, φωσφορίτη και σιδήρου τιτανίου, και ένα μικρό μέρος σε μεταλλεύματα ουρανίου, θορίου, βολφραμίου και σπάνιων γαιών, κυρίως διανέμεται στη Ρωσία, την Κίνα, το Τατζικιστάν, τη Μαδαγασκάρη, τη Νορβηγία και άλλες χώρες. Η Κίνα είναι πολύ πλούσια σε πόρους σκανδίου, με τεράστια αποθέματα ορυκτών που σχετίζονται με το σκάνδιο. Σύμφωνα με ελλιπείς στατιστικές, τα αποθέματα σκανδίου στην Κίνα είναι περίπου 600.000 τόνοι, τα οποία περιέχονται σε κοιτάσματα βωξίτη και φωσφορίτη, κοιτάσματα βολφραμίου πορφυρίτη και χαλαζία στη Νότια Κίνα, κοιτάσματα σπανίων γαιών στη Νότια Κίνα, κοιτάσματα σιδηρομεταλλεύματος σπάνιων γαιών Bayan Obo στην Εσωτερική Μογγολία και κατάθεση μαγνητίτη τιτανίου βαναδίου Panzhihua στο Σιτσουάν.
Λόγω της σπανιότητας του σκανδίου, η τιμή του σκανδίου είναι επίσης πολύ υψηλή, και στο αποκορύφωμά της, η τιμή του σκανδίου διογκώθηκε σε 10 φορές την τιμή του χρυσού. Αν και η τιμή του σκανδίου έχει πέσει, εξακολουθεί να είναι τετραπλάσια από την τιμή του χρυσού!
Ανακαλύπτοντας την Ιστορία
Το 1869, ο Mendeleev παρατήρησε ένα χάσμα στην ατομική μάζα μεταξύ ασβεστίου (40) και τιτανίου (48) και προέβλεψε ότι υπήρχε επίσης ένα μη ανακαλυφθέν στοιχείο ενδιάμεσης ατομικής μάζας εδώ. Προέβλεψε ότι το οξείδιο του είναι X 2 O Å. Το σκάνδιο ανακαλύφθηκε το 1879 από τον Lars Frederik Nilson του Πανεπιστημίου της Ουψάλα στη Σουηδία. Το εξήγαγε από το ορυχείο μαύρου σπάνιου χρυσού, ένα σύνθετο μετάλλευμα που περιέχει 8 τύπους οξειδίων μετάλλων. Έχει αποσπάσειΟξείδιο του ερβίου (III).από μετάλλευμα μαύρου σπάνιου χρυσού, και λαμβάνεταιΟξείδιο υττερβίου (III).από αυτό το οξείδιο, και υπάρχει ένα άλλο οξείδιο ελαφρύτερου στοιχείου, του οποίου το φάσμα δείχνει ότι είναι ένα άγνωστο μέταλλο. Αυτό είναι το μέταλλο που προέβλεψε ο Mendeleev, του οποίου το οξείδιο είναιSc2O3. Το ίδιο το μέταλλο σκανδίου παρήχθη απόΧλωριούχο σκάνδιομε ηλεκτρολυτική τήξη το 1937.
Μεντελέεφ
Διαμόρφωση ηλεκτρονίων
Διαμόρφωση ηλεκτρονίων: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Το σκάνδιο είναι ένα μαλακό, ασημί λευκό μέταλλο μετάπτωσης με σημείο τήξης 1541 ℃ και σημείο βρασμού 2831 ℃.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα μετά την ανακάλυψή του, η χρήση του σκανδίου δεν αποδείχθηκε λόγω της δυσκολίας παραγωγής του. Με την αυξανόμενη βελτίωση των μεθόδων διαχωρισμού στοιχείων σπάνιων γαιών, υπάρχει τώρα μια ώριμη ροή διεργασίας για τον καθαρισμό των ενώσεων του σκανδίου. Επειδή το σκάνδιο είναι λιγότερο αλκαλικό από το ύττριο και το λανθανίδιο, το υδροξείδιο είναι το πιο ασθενές, επομένως το μικτό ορυκτό που περιέχει σκάνδιο θα διαχωριστεί από το στοιχείο σπανίων γαιών με τη μέθοδο «βήμα κατακρήμνισης» όταν το υδροξείδιο του σκανδίου (III) υποβάλλεται σε επεξεργασία με αμμωνία μετά μεταφέρεται σε διάλυμα. Η άλλη μέθοδος είναι ο διαχωρισμός του νιτρικού σκανδίου με πολική αποσύνθεση του νιτρικού. Επειδή το νιτρικό σκάνδιο είναι το πιο εύκολο να αποσυντεθεί, το σκάνδιο μπορεί να διαχωριστεί. Επιπλέον, η συνολική ανάκτηση του συνοδευτικού σκανδίου από κοιτάσματα ουρανίου, θορίου, βολφραμίου, κασσίτερου και άλλων ορυκτών αποτελεί επίσης σημαντική πηγή σκανδίου.
Αφού ληφθεί μια καθαρή ένωση σκανδίου, μετατρέπεται σε ScCl Å και συντήκεται με KCl και LiCl. Ο λιωμένος ψευδάργυρος χρησιμοποιείται ως κάθοδος για την ηλεκτρόλυση, προκαλώντας την καθίζηση του σκανδίου στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου. Στη συνέχεια, ο ψευδάργυρος εξατμίζεται για να ληφθεί μεταλλικό σκάνδιο. Αυτό είναι ένα ελαφρύ ασημί λευκό μέταλλο με πολύ ενεργές χημικές ιδιότητες, το οποίο μπορεί να αντιδράσει με το ζεστό νερό για να δημιουργήσει αέριο υδρογόνο. Έτσι, το μεταλλικό σκάνδιο που βλέπετε στην εικόνα είναι σφραγισμένο σε ένα μπουκάλι και προστατεύεται με αέριο αργό, διαφορετικά το σκάνδιο θα σχηματίσει γρήγορα ένα σκούρο κίτρινο ή γκρι στρώμα οξειδίου, χάνοντας τη γυαλιστερή μεταλλική του λάμψη.
Εφαρμογές
Βιομηχανία φωτισμού
Οι χρήσεις του σκανδίου συγκεντρώνονται σε πολύ φωτεινές κατευθύνσεις και δεν είναι υπερβολή να το ονομάσουμε Υιός του Φωτός. Το πρώτο μαγικό όπλο του σκανδίου ονομάζεται λάμπα νατρίου σκανδίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φέρει φως σε χιλιάδες νοικοκυριά. Αυτό είναι ένα αλογονίδιο μετάλλου Ηλεκτρικό φως: ο λαμπτήρας είναι γεμάτος με ιωδιούχο νάτριο και τριιωδιούχο σκάνδιο και προστίθενται ταυτόχρονα σκάνδιο και φύλλο νατρίου. Κατά την εκφόρτιση υψηλής τάσης, τα ιόντα σκανδίου και τα ιόντα νατρίου αντίστοιχα εκπέμπουν φως με τα χαρακτηριστικά τους μήκη κύματος εκπομπής. Οι φασματικές γραμμές του νατρίου είναι 589,0 και 589,6 nm, δύο διάσημα κίτρινα φώτα, ενώ οι φασματικές γραμμές του σκανδίου είναι 361,3~424,7 nm, μια σειρά εκπομπών σχεδόν υπεριώδους και μπλε φωτός. Επειδή αλληλοσυμπληρώνονται, το συνολικό χρώμα φωτός που παράγεται είναι το λευκό φως. Ακριβώς επειδή οι λαμπτήρες νατρίου σκανδίου έχουν τα χαρακτηριστικά της υψηλής απόδοσης φωτεινότητας, του καλού χρώματος φωτός, της εξοικονόμησης ενέργειας, της μεγάλης διάρκειας ζωής και της ισχυρής ικανότητας θραύσης της ομίχλης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως για τηλεοπτικές κάμερες, πλατείες, αθλητικούς χώρους και φωτισμό δρόμων. και είναι γνωστές ως πηγές φωτός τρίτης γενιάς. Στην Κίνα, αυτός ο τύπος λαμπτήρα προωθείται σταδιακά ως νέα τεχνολογία, ενώ σε ορισμένες ανεπτυγμένες χώρες, αυτός ο τύπος λαμπτήρα χρησιμοποιήθηκε ευρέως ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1980.
Το δεύτερο μαγικό όπλο του σκανδίου είναι τα ηλιακά φωτοβολταϊκά κύτταρα, τα οποία μπορούν να συλλέξουν το φως που διαχέεται στο έδαφος και να το μετατρέψουν σε ηλεκτρική ενέργεια για να οδηγήσει την ανθρώπινη κοινωνία. Το σκάνδιο είναι το καλύτερο μέταλλο φραγμού σε ηλιακά κύτταρα πυριτίου ημιαγωγών μονωτή μετάλλων και ηλιακών κυψελών.
Το τρίτο μαγικό του όπλο ονομάζεται γ Μια πηγή ακτίνων, αυτό το μαγικό όπλο μπορεί να λάμπει έντονα από μόνο του, αλλά αυτό το είδος φωτός δεν μπορεί να ληφθεί με γυμνό μάτι, είναι μια ροή φωτονίων υψηλής ενέργειας. Συνήθως εξάγουμε 45Sc από ορυκτά, που είναι τα μόνα φυσικά ισότοπα του σκανδίου. Κάθε πυρήνας 45Sc περιέχει 21 πρωτόνια και 24 νετρόνια. Το 46Sc, ένα τεχνητό ραδιενεργό ισότοπο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γ Πηγές ακτινοβολίας ή άτομα ιχνηθέτη μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ακτινοθεραπεία κακοήθων όγκων. Υπάρχουν επίσης εφαρμογές όπως το λέιζερ γρανάτη υττρίου γάλλιο σκανδίου,Φθοριούχο σκάνδιοΓυάλινη υπέρυθρη οπτική ίνα και καθοδικός σωλήνας με επικάλυψη σκανδίου στην τηλεόραση. Φαίνεται ότι το σκάνδιο γεννιέται με τη φωτεινότητα.
Βιομηχανία κραμάτων
Το σκάνδιο στη στοιχειακή του μορφή έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για ντόπινγκ κραμάτων αλουμινίου. Εφόσον προστίθενται μερικά χιλιοστά σκανδίου στο αλουμίνιο, θα σχηματιστεί μια νέα φάση Al3Sc, η οποία θα παίξει ρόλο Μεταμόρφωσης στο κράμα αλουμινίου και θα κάνει τη δομή και τις ιδιότητες του κράματος να αλλάξουν σημαντικά. Η προσθήκη 0,2%~0,4% Sc (που είναι πραγματικά παρόμοια με την αναλογία της προσθήκης αλατιού στα τηγανητά λαχανικά στο σπίτι, χρειάζεται μόνο λίγο) μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης του κράματος κατά 150-200 ℃ και να βελτιώσει σημαντικά το υψηλό - αντοχή στη θερμοκρασία, δομική σταθερότητα, απόδοση συγκόλλησης και αντοχή στη διάβρωση. Μπορεί επίσης να αποφύγει το φαινόμενο της ευθραυστότητας που είναι εύκολο να συμβεί κατά τη μακροχρόνια εργασία σε υψηλές θερμοκρασίες. Υψηλής αντοχής και υψηλής αντοχής κράμα αλουμινίου, νέο υψηλής αντοχής ανθεκτικό στη διάβρωση συγκολλήσιμο κράμα αλουμινίου, νέο κράμα αλουμινίου υψηλής θερμοκρασίας, κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής σε ακτινοβολία νετρονίων κ.λπ. πυρηνικούς αντιδραστήρες, ελαφρά οχήματα και τρένα υψηλής ταχύτητας.
Το σκάνδιο είναι επίσης ένας εξαιρετικός τροποποιητής για το σίδηρο και μια μικρή ποσότητα σκανδίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή και τη σκληρότητα του χυτοσιδήρου. Επιπλέον, το σκάνδιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο για κράματα βολφραμίου και χρωμίου υψηλής θερμοκρασίας. Φυσικά, εκτός από την κατασκευή γαμήλιων ρούχων για άλλους, το σκάνδιο έχει υψηλό σημείο τήξης και η πυκνότητά του είναι παρόμοια με το αλουμίνιο και χρησιμοποιείται επίσης σε ελαφρά κράματα υψηλού σημείου τήξης όπως το κράμα τιτανίου σκανδίου και το κράμα μαγνησίου σκανδίου. Ωστόσο, λόγω της υψηλής τιμής του, χρησιμοποιείται γενικά μόνο σε μεταποιητικές βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας, όπως διαστημικά λεωφορεία και πύραυλοι.
Κεραμικό υλικό
Το σκάνδιο, μια μεμονωμένη ουσία, χρησιμοποιείται γενικά σε κράματα και τα οξείδια του παίζουν σημαντικό ρόλο στα κεραμικά υλικά με παρόμοιο τρόπο. Το τετραγωνικό κεραμικό υλικό ζιρκονίας, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό ηλεκτροδίων για κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου, έχει μια μοναδική ιδιότητα όπου η αγωγιμότητα αυτού του ηλεκτρολύτη αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης οξυγόνου στο περιβάλλον. Ωστόσο, η κρυσταλλική δομή αυτού του κεραμικού υλικού δεν μπορεί να υπάρχει σταθερά και δεν έχει βιομηχανική αξία. Είναι απαραίτητο να κάνουμε ντόπινγκ ορισμένες ουσίες που μπορούν να διορθώσουν αυτή τη δομή προκειμένου να διατηρηθούν οι αρχικές της ιδιότητες. Η προσθήκη 6~10% οξειδίου του σκανδίου είναι σαν μια κατασκευή από σκυρόδεμα, έτσι ώστε η ζιρκονία να μπορεί να σταθεροποιηθεί σε ένα τετράγωνο πλέγμα.
Υπάρχουν επίσης μηχανολογικά κεραμικά υλικά όπως το νιτρίδιο του πυριτίου υψηλής αντοχής και αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία ως πυκνωτές και σταθεροποιητές.
Ως πυκνωτής,Οξείδιο του σκανδίουμπορεί να σχηματίσει μια πυρίμαχη φάση Sc2Si2O7 στην άκρη των λεπτών σωματιδίων, μειώνοντας έτσι την παραμόρφωση υψηλής θερμοκρασίας των κεραμικών μηχανικής. Σε σύγκριση με άλλα οξείδια, μπορεί να βελτιώσει καλύτερα τις μηχανικές ιδιότητες του νιτριδίου του πυριτίου σε υψηλή θερμοκρασία.
Καταλυτική χημεία
Στη χημική μηχανική, το σκάνδιο χρησιμοποιείται συχνά ως καταλύτης, ενώ το Sc2O3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αφυδάτωση και αποξείδωση αιθανόλης ή ισοπροπανόλης, αποσύνθεση οξικού οξέος και παραγωγή αιθυλενίου από CO και H2. Ο καταλύτης Pt Al που περιέχει Sc2O3 είναι επίσης ένας σημαντικός καταλύτης για διεργασίες καθαρισμού και διύλισης υδρογόνωσης βαρέος πετρελαίου στην πετροχημική βιομηχανία. Σε αντιδράσεις καταλυτικής πυρόλυσης όπως το Cumene, η δραστικότητα του καταλύτη ζεόλιθου Sc-Y είναι 1000 φορές υψηλότερη από αυτή του καταλύτη πυριτικού αλουμινίου. Σε σύγκριση με ορισμένους παραδοσιακούς καταλύτες, οι προοπτικές ανάπτυξης των καταλυτών σκανδίου θα είναι πολύ λαμπρές.
Βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας
Η προσθήκη μικρής ποσότητας Sc2O3 σε UO2 σε πυρηνικό καύσιμο αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να αποφύγει τον μετασχηματισμό του πλέγματος, την αύξηση του όγκου και τη ρωγμή που προκαλείται από τη μετατροπή UO2 σε U3O8.
Κυψέλη καυσίμου
Ομοίως, η προσθήκη 2,5% έως 25% σκανδίου σε μπαταρίες αλκαλίου νικελίου θα αυξήσει τη διάρκεια ζωής τους.
Αγροτική εκτροφή
Στη γεωργία, σπόροι όπως καλαμπόκι, τεύτλα, μπιζέλι, σιτάρι και ηλίανθος μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία με θειικό σκάνδιο (η συγκέντρωση είναι γενικά 10-3~10-8mol/L, διαφορετικά φυτά θα έχουν διαφορετική) και το πραγματικό αποτέλεσμα της προώθησης της βλάστησης έχει επιτευχθεί. Μετά από 8 ώρες, το ξηρό βάρος των ριζών και των μπουμπουκιών αυξήθηκε κατά 37% και 78% αντίστοιχα σε σύγκριση με τα σπορόφυτα, αλλά ο μηχανισμός είναι ακόμα υπό μελέτη.
Από την προσοχή του Nielsen στο χρέος των δεδομένων Ατομικής Μάζας μέχρι σήμερα, το σκάνδιο έχει μπει στο όραμα των ανθρώπων μόνο για εκατό ή είκοσι χρόνια, αλλά έχει σχεδόν καθίσει στον πάγκο για εκατό χρόνια. Μόλις η δυναμική ανάπτυξη της επιστήμης των υλικών στα τέλη του περασμένου αιώνα έφερε ζωντάνια σε αυτόν. Σήμερα, στοιχεία σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του σκανδίου, έχουν γίνει καυτά αστέρια στην επιστήμη των υλικών, παίζοντας διαρκώς μεταβαλλόμενους ρόλους σε χιλιάδες συστήματα, φέρνοντας περισσότερη άνεση στη ζωή μας κάθε μέρα και δημιουργώντας οικονομική αξία που είναι ακόμη πιο δύσκολο να μετρηθεί.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-29-2023