Химический элемент - Скандий

   
 
 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ  РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ» 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «ХИМИЯ»

на тему: «Химический элемент - Скандий» 
 
 
 

                                                                                    Подготовил студент          

                                                                                    4 ЭФ 2 Тарасов С.В.

                                                                                          Научный руководитель:

                                                                             Патрушева О.А. 
 
 
 
 

МОСКВА 2010

Содержание

• История Скандия и происхождение его названия
• Физические свойства Скандия
• Химические свойства Скандия
• Мировые ресурсы Скандия
• Распространение Скандия в природе
• Получение и производство Скандия
• Применение Скандия

• Металлургия
• Сплавы скандия
• Сверхтвёрдые материалы
• Микроэлектроника
• Источники света
• Изотопы скандия
• Ядерная энергетика
• Медицина
• Лазерные материалы
• Производство солнечных батарей
• МГД-генераторы
• Рентгеновские зеркала
• Огнеупорные материалы
• Производство фианитов
• Люминофоры
•   Литература

 
 
 
 

История Скандия и происхождение его названия

Ска́ндий — элемент побочной подгруппы третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 21 и атомной массой 44,9559, обозначается символом Sc (лат. Scandium). Простое вещество скандий (CAS-номер: 7440-20-2) — легкий металл серебристого цвета с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом.

Известен один природный стабильный изотоп ⁴⁵Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший ⁴⁶Sc с периодом полураспада 84 сут.

Скандий был  предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Физические  свойства Cкандия

Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С - β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой. Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см³, атомный радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t_пл 1539 °С, t_кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) [6,01 ккал/(г·°С)], удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10^-6 ом·см;

Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10^-6 (20 °С). Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке - ковке, прокатке, штамповке.

Химические  свойства Cкандия

Sc - первый переходный  элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d¹4s². По химическому поведению сходен с другими переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti³⁺, Fe³⁺, Mn³⁺), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам.

На воздухе  покрывается защитной оксидной пленкой  толщиной до 600Å, заметное окисление  начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH₂, с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) - соединения типа SсСl₃.

Также Скандий  реагирует с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С.

В воде соединения Скандия заметно гидролизуются  с образованием основных солей. Ионы Sc³⁺ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО₃)₂^-, Sc (SO₄)₃^3-. Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

Металл легко  растворяется в соляной, азотной  и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия резко падает и с 0,001 н. растворами он не реагирует). Соли соляной, серной, азотной, роданистоводородной и уксусной кислот хорошо растворяются в воде, а соли фосфорной, щавелевой и плавиковой кислот мало растворимы; некоторой летучестью обладают ацетилацетонат и его фторпроизводные. На Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO₃ и HF (1 : 1).

Мировые ресурсы скандия

Колоссальные  ресурсы скандия сосредоточены  в России и бывшем Советском Союзе (данные по добыче весьма разрозненны, но объёмы добычи по оценкам независимых специалистов равны или превышают официальную мировую добычу). В целом по оценкам независимых специалистов в настоящее время, основными продуцентами скандия (оксида скандия) являются Россия, Китай, Украина и Казахстан. В определённой степени в ближайшие годы ожидается значительный объём поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии.

Следует также  отметить, что запасы редкоземельного  сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия.

Распространение Cкандия в природе

Среднее содержание скандия в земной коре 10 г/т. Содержание Скандия в морской воде 4·10^-5 г/л.

Известно два собственных минерала Скандия: тортвейтит (Sc, Y)2 Si₂O₇ (Sc2O3 до 53,5%) и стерреттит Sc[PO₄] • 2H₂O (Sc₂O₃ до 39,2%), но встречаются они чрезвычайно редко.

Скандий является типичным рассеянным элементом и  слабым мигрантом и входит в состав многих минералов.

По химическим и физическим свойствам к скандию  близки иттрий, лантан и лантаноиды. Во всех природных соединениях скандий, так же как и его аналоги  алюминий, иттрий, лантан, проявляет  положительную валентность, равную трём, поэтому в окислительно-восстановительных процессах он участия не принимает.

В процессе формирования магматических пород и их жильных  производных скандий в главной  своей массе рассеивается преимущественно  в тёмноцветных минералах магматических  пород и в незначительной степени  концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований.

Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1% Sc2O3), касситерит (0,005-0,2%), вольфрамит (0-0,4%), ильменорутил (0,0015-0,3%), торианит (0,46% Sc2O3), самарскит (0,45%), виикит (1,17%), ксенотим (0,0015-1,5%), берилл (0,2%), баццит (скандиевый берилл, 3-14,44%). Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов

Так как, в горных породах содержание Скандия различно, и в связи с тем, что по свойствам  скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn₂+,Fe₂+, TR, Hf, Th, U, Zr, то  главная его масса рассеивается в минералах, содержащих эти элементы.

Наиболее высокие (30 г/т Sc₂O₃) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит), в которых широко развито гетеровалентное замещение скандием Fe₂+ и магния, а замещение циркония – в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

В породах среднего состава среднее содержание Sc₂O₃ - 10 г/т, в кислых – 2 г/т, здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене.

Также имеет  место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно  иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc – Y в тортвейтите и замещение Al в берилле).

Получение и производство Cкандия

Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для  технологии добычи этого элемента важно  полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать.

Скандий преимущественно  в виде оксидов извлекают попутно  при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10^-6 н/м² (10^-6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

Скандий смело  можно назвать металлом XXI века и прогнозировать резкий рост его добычи, рост цен и спрос в связи с переработкой огромного количества каменных углей (особенно переработка каменных углей России) на жидкое топливо.  

Применение  Скандия

Скандий моноизотопный  элемент и на 100 % состоит из атомов скандий-45.

Металлургия

Применение скандия  в виде микролегирующей примеси  оказывает значительное влияние  на ряд практически важных сплавов, так например прибавление 0,4 % скандия к сплавам алюминий-магний повышает временное сопротивление на 35 %, а предел текучести на 65—84 %, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20—27 %. Добавка 0,3—0,67 % к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290°C, и аналогичное, но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так как прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.

Сплавы  скандия

Главным по объёму применения скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, бейсбольные биты и т. п.) — везде, где требуется высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 МПа (40 кг/мм), у титана например 250—350 МПа, а у нелегированного иттрия 300 МПа. Применение скандиевых сплавов в авиации и ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надёжность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Очень важно и то обстоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированные гафнием. Важной и практически не изученной областью применения скандия является то обстоятельство что подобно легированию иттрием алюминия, легирование чистого алюминия скандием так же повышает электропроводность проводов и эффект резкого упрочнения имеет большие перспективы для применения такого сплава для транспортировки электроэнергии (ЛЭП). Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. Ряд специальных сплавов скандия композитов на скандиевой связке весьма перспективен в области конструирования скелета киборгов. В последние годы важная роль скандия (и отчасти иттрия и лютеция) выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше 700 кг/мм (свыше 7000 МПа).