Sκάνδιο, με σύμβολο στοιχείου Sc και ατομικό αριθμό 21, είναι εύκολα διαλυτό στο νερό, μπορεί να αλληλεπιδράσει με ζεστό νερό και σκουραίνει εύκολα στον αέρα. Το κύριο σθένος του είναι +3. Συχνά αναμειγνύεται 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.
Προς το παρόν, τα αποδεδειγμένα αποθέματα σκανδίου στον κόσμο είναι μόνο 2 εκατομμύρια τόνοι, εκ των οποίων το 90-95% περιέχεται σε μεταλλεύματα βωξίτη, φωσφορίτη και σιδηροτιτανίου, και ένα μικρό μέρος σε μεταλλεύματα ουρανίου, θορίου, βολφραμίου και σπάνιων γαιών, που διανέμονται κυρίως στη Ρωσία, την Κίνα, το Τατζικιστάν, τη Μαδαγασκάρη, τη Νορβηγία και άλλες χώρες. Η Κίνα είναι πολύ πλούσια σε πόρους σκανδίου, με τεράστια ορυκτά αποθέματα που σχετίζονται με το σκάνδιο. Σύμφωνα με ελλιπή στατιστικά στοιχεία, τα αποθέματα σκανδίου στην Κίνα είναι περίπου 600.000 τόνοι, οι οποίοι περιέχονται σε κοιτάσματα βωξίτη και φωσφορίτη, κοιτάσματα πορφυρίτη και φλεβών χαλαζία βολφραμίου στη Νότια Κίνα, κοιτάσματα σπάνιων γαιών στη Νότια Κίνα, κοίτασμα σιδηρομεταλλεύματος σπάνιων γαιών Bayan Obo στην Εσωτερική Μογγολία και κοίτασμα βαναδίου-τιτανίου-μαγνητίτη Panzhihua στο Σιτσουάν.
Λόγω της σπανιότητας του σκανδίου, η τιμή του είναι επίσης πολύ υψηλή, και στο αποκορύφωμά της, η τιμή του σκανδίου είχε διογκωθεί στο 10πλάσιο της τιμής του χρυσού. Αν και η τιμή του σκανδίου έχει μειωθεί, εξακολουθεί να είναι τέσσερις φορές υψηλότερη από την τιμή του χρυσού!
Ανακαλύπτοντας την Ιστορία
Το 1869, ο Μεντελέγιεφ παρατήρησε ένα κενό στην ατομική μάζα μεταξύ του ασβεστίου (40) και του τιτανίου (48) και προέβλεψε ότι υπήρχε επίσης ένα ανεξερεύνητο στοιχείο ενδιάμεσης ατομικής μάζας εδώ. Προέβλεψε ότι το οξείδιο του είναι X ₂ O Å. Το σκάνδιο ανακαλύφθηκε το 1879 από τον Λαρς Φρέντερικ Νίλσον του Πανεπιστημίου της Ουψάλα στη Σουηδία. Το εξήγαγε από το ορυχείο μαύρου σπάνιου χρυσού, ένα σύνθετο μετάλλευμα που περιέχει 8 τύπους μεταλλικών οξειδίων. Έχει εξάγειΟξείδιο του ερβίου(III)από μαύρο σπάνιο χρυσό μετάλλευμα και αποκτήθηκεΟξείδιο του 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 Μεντελέγιεφ, του οποίου το οξείδιο είναιSc₂O₃Το ίδιο το μέταλλο σκάνδιο παρήχθη απόΧλωριούχο σκάνδιομε ηλεκτρολυτική τήξη το 1937.
Μεντελέγιεφ
Ηλεκτρονική διαμόρφωση
Ηλεκτρονική διαμόρφωση: 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 ένα σημαντικό χρονικό διάστημα μετά την ανακάλυψή του, η χρήση του σκανδίου δεν είχε αποδειχθεί λόγω της δυσκολίας παραγωγής του. Με την αυξανόμενη βελτίωση των μεθόδων διαχωρισμού σπάνιων γαιών, υπάρχει πλέον μια ώριμη ροή διεργασίας για τον καθαρισμό των ενώσεων σκανδίου. Επειδή το σκάνδιο είναι λιγότερο αλκαλικό από το ύττριο και τις λανθανίδες, το υδροξείδιο είναι το ασθενέστερο, επομένως το μικτό ορυκτό σπάνιων γαιών που περιέχει σκάνδιο θα διαχωριστεί από το στοιχείο σπάνιων γαιών με τη μέθοδο «σταδιακής καθίζησης» όταν το υδροξείδιο του σκανδίου(III) υποβάλλεται σε επεξεργασία με αμμωνία αφού μεταφερθεί στο διάλυμα. Η άλλη μέθοδος είναι ο διαχωρισμός του νιτρικού σκανδίου με πολική αποσύνθεση των νιτρικών. Επειδή το νιτρικό σκάνδιο είναι το πιο εύκολο στην αποσύνθεση, το σκάνδιο μπορεί να διαχωριστεί. Επιπλέον, η ολοκληρωμένη ανάκτηση του συνοδευτικού σκανδίου από ουράνιο, θόριο, βολφράμιο, κασσίτερο και άλλα ορυκτά κοιτάσματα είναι επίσης μια σημαντική πηγή σκανδίου.
Αφού ληφθεί μια καθαρή ένωση σκανδίου, αυτή μετατρέπεται σε ScCl3 Å και συντήκεται με KCl3 και LiCl3. Ο τηγμένος 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 δραστικές χημικές ιδιότητες, το οποίο μπορεί να αντιδράσει με ζεστό νερό για να παράγει αέριο υδρογόνο. Έτσι, το μεταλλικό σκάνδιο που βλέπετε στην εικόνα σφραγίζεται σε μια φιάλη και προστατεύεται με αέριο αργόν, διαφορετικά το σκάνδιο θα σχηματίσει γρήγορα ένα σκούρο κίτρινο ή γκρι στρώμα οξειδίου, χάνοντας τη λαμπερή μεταλλική του λάμψη.
Εφαρμογές
Βιομηχανία φωτισμού
Οι χρήσεις του σκάνδιου επικεντρώνονται σε πολύ φωτεινές κατευθύνσεις και δεν είναι υπερβολή να το ονομάσουμε Υιό του Φωτός. Το πρώτο μαγικό όπλο του σκάνδιου ονομάζεται λάμπα σκανδίου νατρίου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φέρει φως σε χιλιάδες νοικοκυριά. Πρόκειται για ένα ηλεκτρικό φως αλογονιδίων μετάλλου: η λάμπα είναι γεμάτη με ιωδιούχο νάτριο και τριιωδιούχο σκάνδιο και προστίθενται ταυτόχρονα φύλλο σκανδίου και νατρίου. Κατά την εκκένωση υψηλής τάσης, τα ιόντα σκανδίου και τα ιόντα νατρίου εκπέμπουν αντίστοιχα φως των χαρακτηριστικών μηκών κύματος εκπομπής τους. 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 εγγύς υπεριώδους και μπλε φωτός. Επειδή αλληλοσυμπληρώνονται, το συνολικό χρώμα φωτός που παράγεται είναι λευκό φως. Ακριβώς επειδή οι λαμπτήρες σκανδίου-νατρίου έχουν τα χαρακτηριστικά της υψηλής φωτεινής απόδοσης, του καλού χρώματος φωτός, της εξοικονόμησης ενέργειας, της μεγάλης διάρκειας ζωής και της ισχυρής ικανότητας διάσπασης της ομίχλης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως για τηλεοπτικές κάμερες, πλατείες, αθλητικές εγκαταστάσεις και φωτισμό δρόμων και είναι γνωστοί 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 σκάνδιου είναι τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα οποία μπορούν να συλλέξουν το φως που διασκορπίζεται στο έδαφος και να το μετατρέψουν σε ηλεκτρική ενέργεια για να κινήσουν την ανθρώπινη κοινωνία. Το σκάνδιο είναι το καλύτερο μέταλλο φραγμού σε μεταλλικά μονωτικά ημιαγωγικά πυριτίου ηλιακά στοιχεία και ηλιακά στοιχεία.
Το τρίτο μαγικό του όπλο ονομάζεται πηγή ακτίνων γ. Αυτό το μαγικό όπλο μπορεί να λάμπει έντονα από μόνο του, αλλά αυτό το είδος φωτός δεν μπορεί να γίνει αντιληπτό με γυμνό μάτι, είναι μια ροή φωτονίων υψηλής ενέργειας. Συνήθως εξάγουμε 45Sc από ορυκτά, τα οποία 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 πηγή ακτινοβολίας γ ή άτομα ιχνηθέτη που μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ακτινοθεραπεία κακοήθων όγκων. Υπάρχουν επίσης εφαρμογές όπως το λέιζερ υττρίου-γαλλίου-σκανδίου-γρανάτη,φθοριούχο σκάνδιοΟπτική ίνα υπέρυθρης ακτινοβολίας από γυαλί 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 την προσθήκη κραμάτων αλουμινίου. Εφόσον προστεθούν μερικά χιλιοστά σκάνδιου στο αλουμίνιο, θα σχηματιστεί μια νέα φάση Al3Sc, η οποία θα παίξει ρόλο μεταμόρφωσης στο κράμα αλουμινίου και θα αλλάξει σημαντικά τη δομή και τις ιδιότητες του κράματος. Η προσθήκη 0,2%~0,4% Sc (η οποία είναι πολύ παρόμοια με την αναλογία 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 την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, τη δομική σταθερότητα, την απόδοση συγκόλλησης και την αντοχή στη διάβρωση. Μπορεί επίσης να αποφύγει το φαινόμενο ευθραυστότητας που είναι εύκολο να συμβεί κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας εργασίας σε υψηλές θερμοκρασίες. Το κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής και υψηλής σκληρότητας, το νέο συγκολλήσιμο κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής ανθεκτικό στη διάβρωση, το νέο κράμα αλουμινίου υψηλής θερμοκρασίας, το κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής ανθεκτικό στην ακτινοβολία νετρονίων κ.λπ., έχουν πολύ ελκυστικές προοπτικές ανάπτυξης στην αεροδιαστημική, την αεροπορία, τα πλοία, τους πυρηνικούς αντιδραστήρες, τα ελαφρά οχήματα και τα τρένα υψηλής ταχύτητας.
Το σκάνδιο είναι επίσης ένας εξαιρετικός τροποποιητής για τον 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 νυφικών ρούχων για άλλους, το σκάνδιο έχει υψηλό σημείο τήξης και η πυκνότητά του είναι παρόμοια με του αλουμινίου, και χρησιμοποιείται επίσης σε ελαφριά κράματα υψηλού σημείου τήξης, όπως κράμα σκανδίου-τιτανίου και κράμα σκανδίου-μαγνησίου. Ωστόσο, λόγω της υψηλής τιμής του, χρησιμοποιείται γενικά μόνο σε βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας, όπως διαστημικά λεωφορεία και πυραύλους.
Κεραμικό υλικό
Το σκάνδιο, μια ενιαία ουσία, χρησιμοποιείται γενικά σε κράματα και τα οξείδια του παίζουν σημαντικό ρόλο στα κεραμικά υλικά με παρόμοιο τρόπο. Το τετραγωνικό κεραμικό υλικό ζιρκονίου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό ηλεκτροδίου 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 προστεθούν ορισμένες ουσίες που μπορούν να σταθεροποιήσουν αυτήν τη δομή προκειμένου να διατηρηθούν οι αρχικές της ιδιότητες. Η προσθήκη 6~10% οξειδίου του σκανδίου είναι σαν μια δομή από σκυρόδεμα, έτσι ώστε το ζιρκόνιο να μπορεί να σταθεροποιηθεί σε ένα τετράγωνο πλέγμα.
Υπάρχουν επίσης κεραμικά υλικά μηχανικής όπως το νιτρίδιο του πυριτίου υψηλής αντοχής και αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες, ως πυκνωτές και σταθεροποιητές.
Ως πυκνωτικό,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 υψηλής θερμοκρασίας του νιτριδίου του πυριτίου.
Καταλυτική χημεία
Στη χημική μηχανική, το σκάνδιο χρησιμοποιείται συχνά ως καταλύτης, ενώ το Sc2O3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφυδάτωση και την αποξείδωση αιθανόλης ή ισοπροπανόλης, την αποσύνθεση οξικού οξέος και την παραγωγή αιθυλενίου από CO και H2. Ο καταλύτης PtAl που περιέχει Sc2O3 είναι επίσης ένας σημαντικός καταλύτης για τις διεργασίες καθαρισμού και διύλισης υδρογόνωσης βαρέων πετρελαίων στην πετροχημική βιομηχανία. Σε αντιδράσεις καταλυτικής πυρόλυσης όπως το κουμένιο, η δραστικότητα του καταλύτη ζεόλιθου Sc-Y είναι 1000 φορές υψηλότερη από αυτή του καταλύτη πυριτικού αργιλίου. 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 αποτρέψει τον μετασχηματισμό πλέγματος, την αύξηση του όγκου και τις ρωγμές που προκαλούνται από τη μετατροπή του UO2 σε U3O8.
Κυψέλη καυσίμου
Ομοίως, η προσθήκη 2,5% έως 25% σκάνδιου σε μπαταρίες νικελίου-αλκαλίων θα αυξήσει τη διάρκεια ζωής τους.
Γεωργική αναπαραγωγή
Στη γεωργία, σπόροι όπως καλαμπόκι, τεύτλα, μπιζέλια, 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 επίδραση) και έχει επιτευχθεί το πραγματικό αποτέλεσμα της προώθησης της βλάστησης. 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 βρίσκεται ακόμη υπό μελέτη.
Από την προσοχή του Nielsen στο χρέος των δεδομένων ατομικής μάζας μέχρι σήμερα, το σκάνδιο έχει εισέλθει στο όραμα των ανθρώπων μόνο για εκατόν ή είκοσι χρόνια, αλλά σχεδόν κάθεται στο παγκάκι για εκατό χρόνια. Μόνο με την έντονη ανάπτυξη της επιστήμης των υλικών στα τέλη του περασμένου αιώνα έφερε ζωντάνια σε αυτόν. Σήμερα, τα στοιχεία σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του σκανδίου, έχουν γίνει καυτά αστέρια στην επιστήμη των υλικών, παίζοντας συνεχώς μεταβαλλόμενους ρόλους σε χιλιάδες συστήματα, φέρνοντας περισσότερη ευκολία στη ζωή μας καθημερινά και δημιουργώντας οικονομική αξία που είναι ακόμη πιο δύσκολο να μετρηθεί.
Ώρα δημοσίευσης: 29 Ιουνίου 2023