Skandij, s simbolom elementa Sc in atomsko številko 21, je zlahka topen v vodi, lahko deluje z vročo vodo in zlahka potemni na zraku. Njegova glavna valenca je +3. Pogosto je mešan z gadolinijem, erbijem in drugimi elementi z nizkim izkoristkom in vsebnostjo približno 0,0005 % v skorji. Skandij se pogosto uporablja za izdelavo posebnega stekla in lahkih visokotemperaturnih zlitin.
Trenutno so dokazane zaloge skandija na svetu le 2 milijona ton, od tega jih je 90–95 % vsebovanih v boksitu, fosforitu in železovih titanovih rudah, majhen del pa v rudah urana, torija, volframa in redkih zemelj, predvsem razdeljen v Rusiji, na Kitajskem, v Tadžikistanu, na Madagaskarju, Norveškem in v drugih državah. Kitajska je zelo bogata z viri skandija, z ogromnimi zalogami mineralov, povezanih s skandijem. Po nepopolnih statističnih podatkih so rezerve skandija na Kitajskem približno 600.000 ton, ki jih vsebujejo nahajališča boksita in fosforita, nahajališča volframa iz porfirja in kremenčevih žil na južnem Kitajskem, nahajališča redkih zemelj na južnem Kitajskem, nahajališča železove rude redkih zemelj Bayan Obo v Notranja Mongolija in nahajališče vanadijevega titanovega magnetita Panzhihua v Sečuanu.
Zaradi pomanjkanja skandija je tudi cena skandija zelo visoka, na vrhuncu pa je bila cena skandija napihnjena do 10-kratne cene zlata. Čeprav je cena skandija padla, je še vedno štirikrat višja od cene zlata!
Odkrivanje zgodovine
Leta 1869 je Mendelejev opazil vrzel v atomski masi med kalcijem (40) in titanom (48) in napovedal, da je tu tudi neodkrit element vmesne atomske mase. Napovedal je, da je njegov oksid X ₂ O Å. Skandij je leta 1879 odkril Lars Frederik Nilson z univerze Uppsala na Švedskem. Pridobil ga je iz rudnika črnega redkega zlata, kompleksne rude, ki vsebuje 8 vrst kovinskih oksidov. Izvlekel jeErbijev(III) oksidiz rude črnega redkega zlata in pridobljenoIterbijev(III) oksidiz tega oksida, obstaja pa še en oksid lažjega elementa, katerega spekter kaže, da je neznana kovina. To je kovina, ki jo je predvidel Mendelejev, katere oksid jeSc₂O3. Sama kovina skandij je bila proizvedena izSkandijev kloridz elektrolitskim taljenjem leta 1937.
Mendelejev
Elektronska konfiguracija
Konfiguracija elektronov: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Skandij je mehka, srebrno bela prehodna kovina s tališčem 1541 ℃ in vreliščem 2831 ℃.
Precej časa po odkritju uporaba skandija zaradi težav pri proizvodnji ni bila dokazana. Z naraščajočim izboljšanjem metod ločevanja redkih zemeljskih elementov je zdaj zrel postopek za čiščenje skandijevih spojin. Ker je skandij manj alkalen kot itrij in lantanid, je hidroksid najšibkejši, zato bo mešanica mineralov redkih zemeljskih elementov, ki vsebuje skandij, ločena od redkih zemeljskih elementov z metodo "stopenjskega obarjanja", ko skandijev (III) hidroksid po obdelavi z amoniakom se prenese v raztopino. Druga metoda je ločevanje skandijevega nitrata s polarno razgradnjo nitrata. Ker je skandijev nitrat najlažje razgradljiv, je skandij mogoče ločiti. Poleg tega je pomemben vir skandija tudi obsežno pridobivanje spremljajočega skandija iz nahajališč urana, torija, volframa, kositra in drugih mineralov.
Ko dobimo čisto skandijevo spojino, jo pretvorimo v ScCl Å in stopimo skupaj s KCl in LiCl. Staljeni cink se uporablja kot katoda za elektrolizo, zaradi česar se skandij obarja na cinkovi elektrodi. Nato cink uparimo, da dobimo kovinski skandij. To je lahka srebrno bela kovina z zelo aktivnimi kemičnimi lastnostmi, ki lahko reagira z vročo vodo in tvori vodikov plin. Kovinski skandij, ki ga vidite na sliki, je torej zaprt v steklenici in zaščiten z argonom, sicer bo skandij hitro oblikoval temno rumeno ali sivo oksidno plast, ki bo izgubila sijoč kovinski lesk.
Aplikacije
Industrija razsvetljave
Uporaba skandija je koncentrirana v zelo svetlih smereh in ni pretiravanje, če ga imenujemo Sin svetlobe. Prvo čarobno orožje skandija se imenuje skandijeva natrijeva svetilka, s katero je mogoče osvetliti na tisoče gospodinjstev. To je metalhalogenidna električna luč: žarnica je napolnjena z natrijevim jodidom in skandijevim trijodidom, hkrati pa sta dodana skandijeva in natrijeva folija. Med visokonapetostno razelektritvijo oddajajo skandijevi oziroma natrijevi ioni svetlobo svojih značilnih emisijskih valovnih dolžin. Spektralni črti natrija sta 589,0 in 589,6 nm, dve znameniti rumeni luči, medtem ko so spektralne črte skandija 361,3~424,7 nm, serija skoraj ultravijoličnih in modrih svetlobnih emisij. Ker se med seboj dopolnjujeta, je skupna proizvedena svetlobna barva bela svetloba. Prav zato, ker imajo skandijeve natrijeve sijalke značilnosti visoke svetlobne učinkovitosti, dobre barve svetlobe, varčevanja z energijo, dolge življenjske dobe in močne sposobnosti razbijanja megle, jih je mogoče široko uporabljati za televizijske kamere, trge, športna prizorišča in cestno razsvetljavo, in so znani kot viri svetlobe tretje generacije. Na Kitajskem se tovrstna svetilka postopoma uveljavlja kot nova tehnologija, v nekaterih razvitih državah pa je bila tovrstna svetilka razširjena že v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja.
Drugo čarobno orožje skandija so sončne fotonapetostne celice, ki lahko zbirajo svetlobo, razpršeno na tleh, in jo pretvorijo v elektriko za pogon človeške družbe. Skandij je najboljša pregradna kovina v kovinskih izolatorjih, polprevodniških silicijevih sončnih celicah in sončnih celicah.
Njegovo tretje čarobno orožje se imenuje vir žarkov γ A, to čarobno orožje lahko samo po sebi močno sveti, vendar te vrste svetlobe ne more sprejeti s prostim očesom, gre za visokoenergijski fotonski tok. Običajno pridobivamo 45Sc iz mineralov, ki je edini naravni izotop skandija. Vsako jedro 45Sc vsebuje 21 protonov in 24 nevtronov. 46Sc, umetni radioaktivni izotop, se lahko uporablja kot vir sevanja γ ali se atomi sledilci lahko uporabljajo tudi za radioterapijo malignih tumorjev. Obstajajo tudi aplikacije, kot je itrijev galijev skandijev granatni laser,Skandijev fluoridsteklena infrardeča optična vlakna in katodna cev, prevlečena s skandijem, na televiziji. Zdi se, da se skandij rodi s svetlostjo.
Industrija zlitin
Skandij v svoji elementarni obliki se pogosto uporablja za dopiranje aluminijevih zlitin. Dokler aluminiju dodamo nekaj tisočink skandija, bo nastala nova faza Al3Sc, ki bo igrala vlogo metamorfizma v aluminijevi zlitini in močno spremenila strukturo in lastnosti zlitine. Dodajanje 0,2 % ~ 0,4 % Sc (kar je resnično podobno deležu dodajanja soli za mešanje ocvrte zelenjave doma, potrebno je le malo) lahko poveča rekristalizacijsko temperaturo zlitine za 150-200 ℃ in znatno izboljša visoko -temperaturna trdnost, strukturna stabilnost, varilna zmogljivost in odpornost proti koroziji. Prav tako se lahko izogne pojavu krhkosti, ki se zlahka pojavi pri dolgotrajnem delu pri visokih temperaturah. Aluminijeve zlitine z visoko trdnostjo in visoko žilavostjo, nove visokotrdne aluminijeve zlitine, odporne proti koroziji, ki jih je mogoče variti, nove visokotemperaturne aluminijeve zlitine, visoko trdne aluminijeve zlitine, odporne na nevtronsko sevanje itd., imajo zelo privlačne razvojne možnosti v vesolju, letalstvu, ladjah, jedrski reaktorji, lahka vozila in hitri vlaki.
Skandij je tudi odličen modifikator za železo in majhna količina skandija lahko bistveno izboljša trdnost in trdoto litega železa. Poleg tega se lahko skandij uporablja tudi kot dodatek za visokotemperaturne volframove in kromove zlitine. Seveda ima skandij poleg izdelave poročnih oblačil za druge visoko tališče in njegova gostota je podobna aluminiju, uporablja pa se tudi v lahkih zlitinah z visokim tališčem, kot sta skandijeva titanova zlitina in skandijeva magnezijeva zlitina. Vendar pa se zaradi svoje visoke cene na splošno uporablja le v vrhunskih proizvodnih panogah, kot so vesoljski čolni in rakete.
Keramični material
Skandij, ena sama snov, se običajno uporablja v zlitinah, njegovi oksidi pa igrajo pomembno vlogo v keramičnih materialih na podoben način. Tetragonalni cirkonijev keramični material, ki se lahko uporablja kot elektrodni material za trdne oksidne gorivne celice, ima edinstveno lastnost, kjer se prevodnost tega elektrolita povečuje z naraščajočo temperaturo in koncentracijo kisika v okolju. Vendar sama kristalna struktura tega keramičnega materiala ne more obstajati stabilno in nima industrijske vrednosti; Potrebno je dopingirati nekatere snovi, ki lahko popravijo to strukturo, da ohrani svoje prvotne lastnosti. Dodajanje 6~10 % skandijevega oksida je kot betonska struktura, tako da se lahko cirkonij stabilizira na kvadratni rešetki.
Obstajajo tudi inženirski keramični materiali, kot je silicijev nitrid visoke trdnosti in odporen na visoke temperature, kot sredstva za zgoščevanje in stabilizatorje.
Kot zgoščevalec,Skandijev oksidlahko tvori ognjevzdržno fazo Sc2Si2O7 na robu finih delcev in tako zmanjša visokotemperaturno deformacijo inženirske keramike. V primerjavi z drugimi oksidi lahko bolje izboljša visokotemperaturne mehanske lastnosti silicijevega nitrida.
Katalitska kemija
V kemijskem inženirstvu se skandij pogosto uporablja kot katalizator, medtem ko se Sc2O3 lahko uporablja za dehidracijo in deoksidacijo etanola ali izopropanola, razgradnjo ocetne kisline in proizvodnjo etilena iz CO in H2. Katalizator Pt Al, ki vsebuje Sc2O3, je prav tako pomemben katalizator za čiščenje hidrogenacije težkega olja in procese rafiniranja v petrokemični industriji. V reakcijah katalitskega krekinga, kot je kumen, je aktivnost zeolitnega katalizatorja Sc-Y 1000-krat višja od aktivnosti aluminijevega silikatnega katalizatorja; V primerjavi z nekaterimi tradicionalnimi katalizatorji bodo razvojne možnosti skandijevih katalizatorjev zelo svetle.
Industrija jedrske energije
Z dodajanjem majhne količine Sc2O3 k UO2 v jedrskem gorivu visokotemperaturnega reaktorja se lahko izognemo transformaciji rešetke, povečanju volumna in razpokanju, ki jih povzroči pretvorba UO2 v U3O8.
Gorivna celica
Podobno bo dodajanje 2,5 % do 25 % skandija nikelj alkalijskim baterijam podaljšalo njihovo življenjsko dobo.
Kmetijska reja
V kmetijstvu je mogoče semena, kot so koruza, pesa, grah, pšenica in sončnica, obdelati s skandijevim sulfatom (koncentracija je na splošno 10-3~10-8mol/L, različne rastline bodo imele različne) in dejanski učinek pospeševanja kalitve je bil dosežen. Po 8 urah se je suha teža korenin in popkov povečala za 37 % oziroma 78 % v primerjavi s sadikami, vendar mehanizem še preučujejo.
Od Nielsenove pozornosti do dolga podatkov o atomski masi do danes je bil skandij v vidnem polju ljudi le sto ali dvajset let, vendar je sto let skoraj obstal na zatožni klopi. Šele močan razvoj znanosti o materialih v poznem prejšnjem stoletju mu je prinesel vitalnost. Danes so redki zemeljski elementi, vključno s skandijem, postali vroče zvezde v znanosti o materialih, igrajo nenehno spreminjajoče se vloge v tisočih sistemih, vsak dan prinašajo več udobja v naša življenja in ustvarjajo ekonomsko vrednost, ki jo je še težje izmeriti.
Čas objave: 29. junij 2023