Sc · Элемент 21 · Переходный металл
Металл, близкий к редкоземельным, который значительно повышает прочность алюминиевых сплавов, оставаясь из-за цены экзотическим материалом.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение скандий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 162 pm — это 0,162 нм, поэтому около 3,09 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Скандий находится в жидком состоянии в диапазоне 1295 K — от 1814 K до 3109 K.
Положение
История
Познакомьтесь со скандием — сверхредким металлом «космической эры», который делает самолёты легче и прочнее. Этот переходный металл серебристо-белого цвета настолько редок, что во всём мире ежегодно производят всего около 15 тонн, поэтому он дороже золота. Открытый в 1879 году шведским химиком Lars Fredrik Nilson, скандий был фактически предсказан Менделеевым, который назвал его «экабором» ещё до открытия. Что делает скандий по-настоящему удивительным — это его способность образовывать сверхпрочные лёгкие сплавы. При добавлении всего 0,1–0,5% скандия к алюминию полученный сплав становится значительно прочнее, сохраняя малый вес, что идеально подходит для аэрокосмической промышленности. Советский Союз тайно использовал алюминиево-скандиевые сплавы в своих истребителях МиГ, получая значительное преимущество во время холодной войны. Скандий обладает уникальным свойством: он является переходным металлом, но при этом ведёт себя отчасти подобно алюминию. Он образует только одну устойчивую 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 найден более чем в 800 видах минералов, но никогда не встречается в концентрированных количествах, поэтому его извлечение чрезвычайно дорого и сложно. Вот поразительный факт: скандий рассеян в земной коре в количестве около 22 частей на миллион, поэтому он распространённее свинца или ртути, но его невероятно трудно экономично извлекать. Сегодня большая часть скандия получается как побочный продукт добычи урана и вольфрама или переработки редкоземельных элементов в Китае и России.
Открытие скандия демонстрирует силу 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 Dmitri Mendeleev обнаружил в своей периодической таблице пробел между кальцием и титаном и предсказал неизвестный элемент, который назвал «экабором» (что означает «за бором»). Его предсказания включали:
Lars Fredrik Nilson (1840–1899), шведский химик из Уппсальского университета, открыл скандий 21 октября 1879 года при анализе редкоземельных минералов из Скандинавии. Используя недавно разработанный метод эмиссионной спектроскопии, Nilson обнаружил неизвестные спектральные линии в образцах эвксенита и гадолинита.
Кропотливая работа Nilson включала переработку 10 килограммов эвксенита с помощью многократных этапов осаждения и кристаллизации, в результате чего удалось выделить 2 грамма оксида скандия (Sc₂O₃) в виде белого порошка с уникальными спектроскопическими свойствами.
Per Teodor Cleve (1840–1905), коллега Nilson в Уппсале, сразу понял, что новый элемент Nilson идеально соответствует предсказаниям Менделеева об экаборе. Систематический анализ Cleve подтвердил атомную массу и химические свойства скандия, став ещё одним впечатляющим подтверждением периодического закона.
Nilson назвал своё открытие «скандием» в честь Скандинавии — региона, откуда происходили определяющие образцы минералов. Это название отражало сильную традицию увековечивать географическое происхождение в номенклатуре элементов.
Чистый металлический скандий оставался недоступным до 1937 года, когда Werner Fischer and colleagues из Института кайзера Вильгельма впервые получили его электролизом расплавленных хлоридов калия, лития и скандия. Чрезвычайная сложность производства металлического скандия и сегодня ограничивает его применение, несмотря на замечательные свойства.
Применение
Скандий превращает обычный алюминий в передовой аэрокосмический материал благодаря точному легированию, создавая самые лёгкие высокопрочные материалы из доступных. Уникальные свойства этого редкоземельного элемента делают его незаменимым для передовых технологий, несмотря на чрезвычайно высокую стоимость и редкость.
Сплавы Al-Sc достигают беспрецедентного соотношения прочности и массы благодаря измельчению зёрен под действием скандия. Добавление всего 0,1–0,3% скандия к алюминию создаёт выделения Al₃Sc, препятствующие росту зёрен при сварке и термической обработке 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 экономичность. Российская аэрокосмическая промышленность стала пионером широкомасштабного применения скандия, сохранив технологические преимущества в проектировании 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 одного алюминия.
Электролиты из стабилизированной скандием диоксида циркония (ScSZ) позволяют топливным элементам работать при более низких температурах (650–750°C вместо 800–1000°C) и обеспечивают более высокую ионную проводимость. Это применение может революционизировать распределённую генерацию энергии и увеличители запаса хода электромобилей, хотя стоимость скандия пока ограничивает коммерческое внедрение.
Откуда он происходит
22 мг/кг земной коры · более распространён, чем 74% элементов
Космическое путешествие скандия начинается в ядерных ядрах массивных звёзд благодаря процессам горения кремния и реакциям захвата нейтронов. Эти процессы 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 распространённее серебра или ртути, но парадоксальным образом относится к самым редким элементам, доступным для коммерческого использования. Этот парадокс объясняется геохимическим поведением скандия: он редко концентрируется в экономически рентабельных месторождениях руды, 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 коммерческого 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 производств и обеспечивая 60–80% мировых ежегодных поставок объёмом 15–20 тонн. Китай производит скандий при переработке редкоземельного сырья, а Австралия разрабатывает новые методы извлечения из никелевых и кобальтовых латеритных месторождений.
Производство алюминия ежегодно создаёт миллионы тонн отходов красного шлама, содержащих 100–150 частей на миллион скандия. Исследования сосредоточены на экономически выгодном извлечении скандия из этого abundant waste stream, что потенциально может революционизировать доступность скандия и снизить 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 значения LD₅₀ выше 4 граммов на килограмм для большинства соединений скандия. Однако, как и другие редкоземельные элементы, скандий может накапливаться в тканях печени и костей при длительном воздействии. Хлорид скандия обладает умеренной токсичностью и требует осторожного обращения.
Металлический скандий представляет пожарную опасность 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 технике, 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; при сохраняющемся раздражении обратитесь за медицинской помощью. Проглатывание: прополощите рот водой; при попадании значительного количества обратитесь за медицинской помощью.
Краткие ответы
Скандий (символ Sc) — элемент 21 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 4 периоде, 3 группе. Металл, близкий к редкоземельным, который значительно повышает прочность алюминиевых сплавов, оставаясь из-за цены экзотическим материалом. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹ 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 9, 2.Скандий плавится при 1814 K (1540.9 °C) и кипит при 3109 K (2835.9 °C).
Стандартная атомная масса Скандий составляет 44.956 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Скандий составляет 2.985 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Скандий примерно в 3× тяжелее.
Электроотрицательность Скандий по шкале Полинга составляет 1.36. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Скандий был открыт в 1879 году Lars Fredrik Nilson. Назван в честь латинское Scandia, Скандинавия.
На долю Скандий приходится около 22 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.