Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место скандий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 162 pm — that is 0.162 nm, so about 3086 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Скандий is liquid over a 1295 K window, from 1814 K to 3109 K.
История
Познакомьтесь со скандием — сверхредким «металлом космической эры», который делает самолёты легче и прочнее. Этот серебристо-белый переходный металл настолько редок, что во всём мире ежегодно производят лишь около 15 тонн, поэтому он дороже золота. Открытый в 1879 году шведским химиком Ларсом Фредриком Нильсоном, скандий на самом деле был предсказан Менделеевым: до открытия он называл его «экабором». Что делает скандий по-настоящему удивительным, так это его способность образовывать сверхпрочные лёгкие сплавы. При добавлении всего 0,1–0,5 % скандия к алюминию полученный сплав становится значительно прочнее, сохраняя малую массу, — идеально для аэрокосмической отрасли. Советский Союз тайно использовал алюминиево-скандиевые сплавы в истребителях МиГ, что давало им значительное преимущество во время холодной войны. Скандий обладает уникальным свойством: он является переходным металлом, но в некоторой степени ведёт себя подобно алюминию. Он образует только одну стабильную степень окисления (+3) и создаёт бесцветные соединения, в отличие от большинства переходных металлов, образующих окрашенные соединения. Этот элемент также парамагнитен и имеет одну из самых высоких температур плавления среди лёгких элементов — 1 541 °C. Название «скандий» происходит от «Scandia» — латинского названия Скандинавии, где он впервые был обнаружен в редких минералах. Сегодня скандий встречается более чем в 800 минеральных видах, но никогда не образует концентрированных залежей, поэтому его извлечение чрезвычайно дорого и сложно. Вот что действительно поражает: скандий рассеян в земной коре в количестве около 22 частей на миллион, поэтому он встречается чаще свинца или ртути, однако его невероятно трудно извлекать экономически выгодным способом. Сегодня большая часть скандия получается как побочный продукт добычи урана и вольфрама либо переработки редкоземельных элементов в Китае и России.
Открытие скандия служит примером силы предсказаний Менделеева на основе периодической таблицы: он стал одним из элементов, наряду с галлием и германием, предсказанных до их фактического обнаружения. Этот редкоземельный элемент был открыт благодаря систематическому спектроскопическому анализу и теоретической химии.
В 1869 году Дмитрий Менделеев обнаружил пробел в своей периодической таблице между кальцием и титаном и предсказал неизвестный элемент, который назвал «экабором» (то есть «расположенным за бором»). Его предсказания включали:
Ларс Фредрик Нильсон (1840–1899), шведский химик из Уппсальского университета, открыл скандий 21 октября 1879 года, анализируя редкоземельные минералы из Скандинавии. Используя недавно разработанный метод эмиссионной спектроскопии, Нильсон обнаружил неизвестные спектральные линии в образцах эвксенита и гадолинита.
Кропотливая работа Нильсона включала переработку 10 килограммов эвксенита с помощью повторяющихся стадий осаждения и кристаллизации; в итоге он выделил 2 грамма оксида скандия (Sc₂O₃) в виде белого порошка с уникальными спектроскопическими свойствами.
Пер Теодор Клеве (1840–1905), коллега Нильсона из Уппсалы, сразу понял, что новый элемент Нильсона идеально соответствует предсказаниям Менделеева об экаборе. Систематический анализ Клеве подтвердил атомную массу и химические свойства скандия, обеспечив ещё одно впечатляющее подтверждение периодического закона.
Нильсон назвал своё открытие «скандием» в честь Скандинавии — региона, откуда происходили минералы, сыгравшие ключевую роль в открытии. Это название отражало сильную традицию связывать наименования элементов с географическим происхождением.
Чистый металлический скандий оставался недоступным до 1937 года, когда Вернер Фишер и его коллеги из Института кайзера Вильгельма впервые получили его электролизом расплавленных хлоридов калия, лития и скандия. Чрезвычайная сложность производства металлического скандия по-прежнему ограничивает его применение, несмотря на выдающиеся свойства.
Применение
Скандий превращает обычный алюминий в выдающийся аэрокосмический материал благодаря точному легированию, создавая самые лёгкие высокопрочные материалы из доступных. Уникальные свойства этого редкоземельного элемента делают его незаменимым в передовых технологиях, несмотря на чрезвычайно высокую стоимость и дефицит.
Сплавы Al-Sc достигают беспрецедентного соотношения прочности и массы благодаря измельчению зерна под действием скандия. Добавление всего 0,1–0,3 % скандия к алюминию создаёт выделения Al₃Sc, препятствующие росту зёрен при сварке и термообработке и сохраняющие прочность при повышенных температурах. Эти сплавы позволяют создавать аэрокосмические компоненты на 15–20 % легче традиционных алюминиевых деталей, обеспечивая при этом более высокую усталостную прочность.
Военные самолёты, такие как МиГ-29 и Су-57, используют алюминиево-скандиевые компоненты в ответственных конструкциях, топливных баках и шасси, где снижение массы напрямую повышает характеристики и топливную эффективность. Российская аэрокосмическая промышленность стала пионером широкого применения скандия, сохранив технологические преимущества в разработке истребителей.
Высококачественные бейсбольные биты, велосипедные рамы и клюшки для лакросса содержат скандиевые сплавы и используются в профессиональных соревнованиях и на олимпийском уровне. Бейсбольная бита из алюминиево-скандиевого сплава стоит $400–800, но обеспечивает оптимальные характеристики «сладкой точки» и долговечность, недостижимые для чистого алюминия.
Электролиты из стабилизированной скандием диоксида циркония (ScSZ) позволяют топливным элементам работать при более низких температурах (650–750 °C по сравнению с 800–1 000 °C) и обладают более высокой ионной проводимостью. Это применение может произвести революцию в распределённой генерации электроэнергии и увеличить запас хода электромобилей, хотя стоимость скандия пока ограничивает коммерческое внедрение.
Откуда он берётся
22 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 74% of elements
Космическое путешествие скандия начинается в ядерных недрах массивных звёзд благодаря процессам горения кремния и реакциям захвата нейтронов. Эти события звёздного нуклеосинтеза происходят на последних этапах эволюции звёзд, создавая изотопы скандия, которые рассеиваются по галактике во время взрывов сверхновых, хотя и в гораздо меньших количествах, чем более распространённые элементы.
Земная кора содержит примерно 22 части на миллион скандия, поэтому он встречается чаще серебра или ртути, но парадоксальным образом является одним из самых редких коммерчески доступных элементов. Этот парадокс объясняется геохимическим поведением скандия: он редко концентрируется в экономически выгодных рудных месторождениях, а вместо этого широко рассеивается в породообразующих минералах.
Тортвейтит ((Sc,Y)₂Si₂O₇) — единственный известный минерал, богатый скандием; он содержит до 40 % оксида скандия. Однако тортвейтит встречается лишь в небольших количествах в норвежских пегматитах и месторождениях Мадагаскара, поэтому его недостаточно для удовлетворения мирового спроса на скандий.
Большая часть промышленного скандия получается как побочный продукт переработки урана и титана. Редкоземельное месторождение Баян-Обо в Китае и некоторые австралийские латеритные месторождения содержат 100–300 частей на миллион скандия, который извлекают с помощью сложных гидрометаллургических процессов.
Россия доминирует в мировом производстве скандия, перерабатывая хвосты урановых заводов и производя 60–80 % мирового годового объёма в 15–20 тонн. Китай получает скандий при переработке редкоземельного сырья, а Австралия разрабатывает новые методы извлечения из латеритных месторождений никеля и кобальта.
Производство алюминия ежегодно образует миллионы тонн отходов красного шлама, содержащих 100–150 частей на миллион скандия. Исследования сосредоточены на экономически выгодном извлечении скандия из этого abundant потока отходов, что потенциально может произвести революцию в доступности скандия и уменьшить воздействие переработки алюминия на окружающую среду.
Обращение
Скандий и его соединения обладают относительно низкой токсичностью по сравнению с другими редкоземельными элементами, однако соблюдение правил обращения остаётся необходимым из-за ограниченных токсикологических данных и возможного раздражения дыхательных путей при воздействии пыли.
Скандий демонстрирует низкую острую токсичность: исследования на животных показывают, что значения LD₅₀ для большинства соединений скандия превышают 4 грамма на килограмм. Однако, как и другие редкоземельные элементы, скандий при длительном воздействии может накапливаться в тканях печени и костей. Хлорид скандия обладает умеренной токсичностью и требует осторожного обращения.
Металлический скандий пожароопасен в порошкообразной форме: он может воспламениться на воздухе или бурно реагировать с водой. Скандиевые сплавы обычно обладают отличной огнестойкостью, что способствует их применению в аэрокосмической отрасли, где пожарная безопасность имеет первостепенное значение.
Вдыхание: выйдите на свежий воздух; при сохраняющемся раздражении дыхательных путей обратитесь за медицинской помощью. Попадание на кожу: промойте водой с мылом; снимите загрязнённую одежду. Попадание в глаза: промывайте чистой водой в течение 15 минут; если раздражение сохраняется, обратитесь за медицинской помощью. Проглатывание: прополощите рот водой; при попадании значительного количества обратитесь за медицинской помощью.
Краткие ответы
Скандий (symbol Sc) is element 21 on the periodic table, a переходный металл in period 4, group 3. A rare-earth-adjacent metal that makes aluminium alloys far stronger, at a price that keeps it exotic. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹ 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 9, 2 electrons respectively.Скандий melts at 1814 K (1540.9 °C) and boils at 3109 K (2835.9 °C).
The standard atomic weight of Скандий is 44.956 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Скандий has a density of 2.985 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of скандий is about 3× heavier.
Скандий has a Pauling electronegativity of 1.36. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Скандий was discovered in 1879 by Lars Fredrik Nilson. It is named after latin Scandia, Scandinavia.
Скандий makes up about 22 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.