Skandij, sa simbolom elementa Sc i atomskim brojem 21, lako je topljiv u vodi, može reagirati s vrućom vodom i lako potamnjuje na zraku. Njegova glavna valencija je +3. Često se miješa s gadolinijem, erbijem i drugim elementima, s niskim prinosom i sadržajem od približno 0,0005% u kori. Skandij se često koristi za izradu posebnog stakla i laganih legura otpornih na visoke temperature.
Trenutno su dokazane rezerve skandija u svijetu samo 2 milijuna tona, od čega se 90~95% nalazi u rudama boksita, fosforita i željeza i titana, a mali dio u rudama uranija, torija, volframa i rijetkih zemalja, uglavnom raspoređenih u Rusiji, Kini, Tadžikistanu, Madagaskaru, Norveškoj i drugim zemljama. Kina je vrlo bogata resursima skandija, s ogromnim mineralnim rezervama vezanim za skandij. Prema nepotpunim statistikama, rezerve skandija u Kini iznose oko 600 000 tona, koje se nalaze u ležištima boksita i fosforita, ležištima volframa u porfirnim i kvarcnim žilama u Južnoj Kini, ležištima rijetkih zemalja u Južnoj Kini, ležištu rijetke zemlje željezne rude Bayan Obo u Unutarnjoj Mongoliji i ležištu vanadija i titana magnetita Panzhihua u Sečuanu.
Zbog rijetkosti skandija, cijena skandija je također vrlo visoka, a na vrhuncu je cijena skandija bila napuhana 10 puta u odnosu na cijenu zlata. Iako je cijena skandija pala, još uvijek je četiri puta veća od cijene zlata!
Otkrivanje povijesti
Godine 1869. Mendeljejev je uočio razliku u atomskoj masi između kalcija (40) i titana (48) te predvidio da ovdje postoji i neotkriveni element s međuelementom atomske mase. Predvidio je da je njegov oksid X ₂ O Å. Skandij je 1879. otkrio Lars Frederik Nilson sa Sveučilišta Uppsala u Švedskoj. Izvadio ga je iz rudnika crnog rijetkog zlata, složene rude koja sadrži 8 vrsta metalnih oksida. Izvadio jeErbijev(III) oksidiz crne rijetke zlatne rude i dobiveneIterbijev(III) oksidiz ovog oksida, a postoji i drugi oksid lakšeg elementa, čiji spektar pokazuje da je to nepoznati metal. To je metal koji je predvidio Mendeljejev, čiji je oksidSc₂O₃Sam metal skandij proizveden je izSkandij kloridelektrolitičkim taljenjem 1937. godine.
Mendeljejev
Elektronska konfiguracija
Elektronska konfiguracija: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Skandij je mekani, srebrno-bijeli prijelazni metal s talištem od 1541 ℃ i vrelištem od 2831 ℃.
Znatno vrijeme nakon otkrića, upotreba skandija nije bila demonstrirana zbog njegove teškoće u proizvodnji. S rastućim poboljšanjem metoda odvajanja rijetkozemnih elemenata, sada postoji zreli procesni tok za pročišćavanje skandijevih spojeva. Budući da je skandij manje alkalan od itrija i lantanoida, hidroksid je najslabiji, pa će se miješani mineral rijetkozemnog elementa koji sadrži skandij odvojiti od rijetkozemnog elementa metodom "stupnjevitog taloženja" kada se skandijev(III) hidroksid tretira amonijakom nakon što se prenese u otopinu. Druga metoda je odvajanje skandijevog nitrata polarnom razgradnjom nitrata. Budući da se skandijev nitrat najlakše razgrađuje, skandij se može odvojiti. Osim toga, sveobuhvatno izdvajanje pratećeg skandija iz naslaga uranija, torija, volframa, kositra i drugih minerala također je važan izvor skandija.
Nakon dobivanja čistog skandijevog spoja, on se pretvara u ScCl Å i tali s KCl i LiCl. Rastaljeni cink se koristi kao katoda za elektrolizu, što uzrokuje taloženje skandija na cinkovoj elektrodi. Zatim se cink isparava kako bi se dobio metalni skandij. To je lagani srebrno-bijeli metal s vrlo aktivnim kemijskim svojstvima, koji može reagirati s vrućom vodom stvarajući vodik. Dakle, metalni skandij koji vidite na slici zatvoren je u boci i zaštićen argonom, inače će skandij brzo stvoriti tamnožuti ili sivi oksidni sloj, gubeći svoj sjajni metalni sjaj.
Primjene
Rasvjetna industrija
Upotreba skandija koncentrirana je u vrlo svijetlim smjerovima i nije pretjerano nazvati ga Sinom svjetlosti. Prvo čarobno oružje skandija naziva se skandij-natrijeva lampa, koja se može koristiti za osvjetljavanje tisuća kućanstava. Riječ je o metal-halogenidnoj električnoj lampi: žarulja je ispunjena natrijevim jodidom i skandijevim trijodidom, a istovremeno se dodaju skandij i natrijeva folija. Tijekom visokonaponskog pražnjenja, skandijevi ioni, odnosno natrijevi ioni, emitiraju svjetlost svojih karakterističnih valnih duljina emisije. Spektralne linije natrija su 589,0 i 589,6 nm, dvije poznate žute svjetlosti, dok su spektralne linije skandija 361,3~424,7 nm, niz emisija bliskog ultraljubičastog i plavog svjetla. Budući da se međusobno nadopunjuju, ukupna proizvedena boja svjetlosti je bijela svjetlost. Upravo zato što skandij-natrijeve žarulje imaju karakteristike visoke svjetlosne učinkovitosti, dobre boje svjetlosti, uštede energije, dugog vijeka trajanja i snažne sposobnosti razbijanja magle, mogu se široko koristiti za televizijske kamere, trgove, sportske objekte i cestovnu rasvjetu te su poznate kao izvori svjetlosti treće generacije. U Kini se ova vrsta žarulje postupno promovira kao nova tehnologija, dok se u nekim razvijenim zemljama ova vrsta žarulje široko koristila već početkom 1980-ih.
Drugo čarobno oružje skandija su solarne fotonaponske ćelije, koje mogu skupljati svjetlost raspršenu na tlu i pretvarati je u električnu energiju za pokretanje ljudskog društva. Skandij je najbolji metalni barijera u metalnim izolatorima, poluvodičkim silicijskim solarnim ćelijama i solarnim ćelijama.
Njegovo treće magično oružje naziva se izvor γ A zraka. Ovo magično oružje može jarko sjati samo po sebi, ali ovu vrstu svjetlosti ne možemo primiti golim okom, već je riječ o visokoenergetskom toku fotona. Obično izdvajamo 45Sc iz minerala, što je jedini prirodni izotop skandija. Svaka jezgra 45Sc sadrži 21 proton i 24 neutrona. 46Sc, umjetni radioaktivni izotop, može se koristiti kao izvor γ zračenja ili kao trasirajući atomi koji se također mogu koristiti za radioterapiju malignih tumora. Postoje i primjene poput itrijevog galijevog skandijevog granatnog lasera.Skandij fluoridStaklena infracrvena optička vlakna i katodna cijev obložena skandijem na televiziji. Čini se da se skandij rađa sa sjajem.
Industrija legura
Skandij u svom elementarnom obliku široko se koristi za dopiranje aluminijevih legura. Čim se aluminiju doda nekoliko tisućinki skandija, formirat će se nova faza Al3Sc, koja će igrati ulogu metamorfoze u aluminijevoj leguri i značajno promijeniti strukturu i svojstva legure. Dodavanje 0,2% do 0,4% Sc (što je stvarno slično udjelu dodavanja soli prženom povrću kod kuće, potrebno je samo malo) može povećati temperaturu rekristalizacije legure za 150-200 ℃ i značajno poboljšati čvrstoću na visokim temperaturama, strukturnu stabilnost, performanse zavarivanja i otpornost na koroziju. Također može izbjeći fenomen krhkosti koji se lako javlja tijekom dugotrajnog rada na visokim temperaturama. Aluminijske legure visoke čvrstoće i visoke žilavosti, nove visokočvrste zavarive aluminijske legure otporne na koroziju, nove visokotemperaturne aluminijske legure, visokočvrste aluminijske legure otporne na neutronsko zračenje itd. imaju vrlo atraktivne razvojne izglede u zrakoplovstvu, zrakoplovstvu, brodovima, nuklearnim reaktorima, lakim vozilima i brzim vlakovima.
Skandij je također izvrstan modifikator za željezo, a mala količina skandija može značajno poboljšati čvrstoću i tvrdoću lijevanog željeza. Osim toga, skandij se može koristiti i kao dodatak za visokotemperaturne volframove i kromove legure. Naravno, osim što se koristi za izradu vjenčanica za druge, skandij ima visoko talište i gustoću sličnu aluminiju, a koristi se i u lakim legurama visokog tališta poput skandij-titanijeve legure i skandij-magnezijeve legure. Međutim, zbog visoke cijene, općenito se koristi samo u visokokvalitetnim proizvodnim industrijama poput svemirskih letjelica i raketa.
Keramički materijal
Skandij, pojedinačna tvar, općenito se koristi u legurama, a njegovi oksidi igraju važnu ulogu u keramičkim materijalima na sličan način. Tetragonalni cirkonijev keramički materijal, koji se može koristiti kao elektrodni materijal za gorivne ćelije s krutim oksidom, ima jedinstveno svojstvo gdje se vodljivost ovog elektrolita povećava s porastom temperature i koncentracije kisika u okolini. Međutim, kristalna struktura ovog keramičkog materijala sama po sebi ne može stabilno postojati i nema industrijsku vrijednost; potrebno je dopiranje nekim tvarima koje mogu fiksirati ovu strukturu kako bi se održala njezina izvorna svojstva. Dodavanje 6~10% skandijevog oksida je poput betonske strukture, tako da se cirkonijev oksid može stabilizirati na kvadratnoj rešetki.
Tu su i inženjerski keramički materijali poput silicijevog nitrida visoke čvrstoće i otpornosti na visoke temperature kao zgušnjivači i stabilizatori.
Kao zgušnjivač,Skandij oksidMože formirati vatrostalnu fazu Sc2Si2O7 na rubu finih čestica, čime se smanjuje deformacija inženjerske keramike na visokim temperaturama. U usporedbi s drugim oksidima, može bolje poboljšati mehanička svojstva silicijevog nitrida na visokim temperaturama.
Katalitička kemija
U kemijskom inženjerstvu, skandij se često koristi kao katalizator, dok se Sc2O3 može koristiti za dehidraciju i deoksidaciju etanola ili izopropanola, razgradnju octene kiseline i proizvodnju etilena iz CO i H2. PtAl katalizator koji sadrži Sc2O3 također je važan katalizator za procese hidrogenacije i rafiniranja teških ulja u petrokemijskoj industriji. U reakcijama katalitičkog krekiranja poput kumena, aktivnost Sc-Y zeolitnog katalizatora je 1000 puta veća od aktivnosti aluminijevog silikatnog katalizatora; u usporedbi s nekim tradicionalnim katalizatorima, izgledi za razvoj skandijevih katalizatora bit će vrlo svijetli.
Industrija nuklearne energije
Dodavanje male količine Sc2O3 u UO2 u visokotemperaturnom nuklearnom gorivu reaktora može izbjeći transformaciju rešetke, povećanje volumena i pucanje uzrokovano pretvorbom UO2 u U3O8.
Gorivna ćelija
Slično tome, dodavanje 2,5% do 25% skandija u nikal-alkalne baterije povećat će njihov vijek trajanja.
Poljoprivredni uzgoj
U poljoprivredi se sjeme poput kukuruza, repe, graška, pšenice i suncokreta može tretirati skandijevim sulfatom (koncentracija je općenito 10⁻³ do 10⁻⁶ mol/L, različite biljke će imati različite vrijednosti), a stvarni učinak poticanja klijanja je postignut. Nakon 8 sati, suha težina korijena i pupova povećala se za 37% odnosno 78% u usporedbi s sadnicama, ali mehanizam se još uvijek proučava.
Od Nielsenove pažnje prema podacima o atomskoj masi do danas, skandij je ušao u vidokrug ljudi tek stotinu ili dvadeset godina, ali je gotovo stotinu godina sjedio na klupi. Tek je snažan razvoj znanosti o materijalima krajem prošlog stoljeća donio mu vitalnost. Danas su rijetkozemni elementi, uključujući skandij, postali vruće zvijezde u znanosti o materijalima, igrajući stalno promjenjive uloge u tisućama sustava, donoseći nam svaki dan veću udobnost i stvarajući ekonomsku vrijednost koju je još teže izmjeriti.
Vrijeme objave: 29. lipnja 2023.