Skandium, s prvkom Sc a atómovým číslom 21, je ľahko rozpustný vo vode, môže reagovať s horúcou vodou a ľahko tmavne na vzduchu. Jeho hlavná valencia je +3. Často sa mieša s gadolíniom, erbiom a ďalšími prvkami, s nízkym výťažkom a obsahom približne 0,0005 % v kôre. Skandium sa často používa na výrobu špeciálneho skla a ľahkých vysokoteplotných zliatin.
V súčasnosti sú preukázané zásoby skandia na svete iba 2 milióny ton, z ktorých 90 až 95 % sa nachádza v bauxitových, fosforitových a železo-titánových rudách a malá časť v uránových, tóriových, volfrámových a vzácnych zeminových rudách, ktoré sa nachádzajú najmä v Rusku, Číne, Tadžikistane, Madagaskare, Nórsku a ďalších krajinách. Čína je veľmi bohatá na zdroje skandia s obrovskými zásobami nerastov súvisiacich so skandiom. Podľa neúplných štatistík sú zásoby skandia v Číne približne 600 000 ton, ktoré sa nachádzajú v ložiskách bauxitu a fosforitu, ložiskách volfrámu s porfýrovými a kremennými žilami v južnej Číne, ložiskách vzácnych zemín v južnej Číne, ložiskách železných rúd Bayan Obo vo Vnútornom Mongolsku a ložiskách vanádu a titán magnetitu Panzhihua v provincii S'-čchuan.
Kvôli nedostatku skandia je jeho cena tiež veľmi vysoká a na svojom vrchole bola cena skandia desaťnásobne vyššia ako cena zlata. Hoci cena skandia klesla, stále je štvornásobne vyššia ako cena zlata!
Objavovanie histórie
V roku 1869 si Mendelejev všimol rozdiel v atómovej hmotnosti medzi vápnikom (40) a titánom (48) a predpovedal, že tu existuje aj neobjavený prvok s medziľahlou atómovou hmotnosťou. Predpovedal, že jeho oxidom je X ₂ O Å. Skandium objavil v roku 1879 Lars Frederik Nilson z Uppsalskej univerzity vo Švédsku. Vyťažil ho z čiernej vzácnej zlatej bane, komplexnej rudy, ktorá obsahuje 8 druhov oxidov kovov. Vyťažil...Oxid erbia(III)z čiernej vzácnej zlatej rudy a získanéOxid yterbia(III)z tohto oxidu a existuje ďalší oxid ľahšieho prvku, ktorého spektrum ukazuje, že ide o neznámy kov. Toto je kov predpovedaný Mendelejevom, ktorého oxid jeSc₂O₃Samotný kovový skandium sa vyrábal zChlorid skandiaelektrolytickým tavením v roku 1937.
Mendelejev
Elektrónová konfigurácia
Elektrónová konfigurácia: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Skandium je mäkký, strieborno-biely prechodný kov s bodom topenia 1541 ℃ a bodom varu 2831 ℃.
Po jeho objavení sa použitie skandia pomerne dlho nepreukázalo kvôli jeho náročnosti výroby. S rastúcim zdokonaľovaním metód separácie prvkov vzácnych zemín existuje v súčasnosti vyspelý proces čistenia zlúčenín skandia. Keďže skandium je menej zásadité ako ytrium a lantanoidy, hydroxid je najslabší, takže zmes minerálov prvkov vzácnych zemín obsahujúcich skandium sa oddelí od prvku vzácnych zemín metódou „stupňovitého zrážania“, keď sa hydroxid skandia(III) po prevedení do roztoku spracuje s amoniakom. Druhou metódou je oddelenie dusičnanu skandia polárnym rozkladom dusičnanu. Keďže dusičnan skandia sa najľahšie rozkladá, skandium sa dá oddeliť. Okrem toho je dôležitým zdrojom skandia aj komplexné získavanie sprievodného skandia z ložísk uránu, tória, volfrámu, cínu a iných minerálov.
Po získaní čistej zlúčeniny skandia sa táto premení na ScCl Å a roztaví sa spolu s KCl a LiCl. Roztavený zinok sa používa ako katóda pre elektrolýzu, čo spôsobuje vyzrážanie skandia na zinkovej elektróde. Potom sa zinok odparí, čím sa získa kovové skandium. Ide o ľahký strieborno-biely kov s veľmi aktívnymi chemickými vlastnosťami, ktorý môže reagovať s horúcou vodou za vzniku vodíka. Kovové skandium, ktoré vidíte na obrázku, je teda uzavreté vo fľaši a chránené argónom, inak skandium rýchlo vytvorí tmavožltú alebo sivú oxidovú vrstvu a stratí svoj lesklý kovový lesk.
Aplikácie
Osvetľovací priemysel
Použitie skandia sa sústreďuje vo veľmi jasných smeroch a nie je prehnané nazvať ho Synom Svetla. Prvou magickou zbraňou skandia je skandium-sodíková výbojka, ktorá môže priniesť svetlo do tisícov domácností. Ide o halogenidové elektrické svetlo: žiarovka je naplnená jodidom sodným a trijodidom skandia a súčasne sa pridávajú skandium a sodíková fólia. Počas vysokonapäťového výboja skandium a sodík vyžarujú svetlo svojich charakteristických emisných vlnových dĺžok. Spektrálne čiary sodíka sú 589,0 a 589,6 nm, dve známe žlté svetlá, zatiaľ čo spektrálne čiary skandia sú 361,3 ~ 424,7 nm, čo je séria emisií blízkeho ultrafialového a modrého svetla. Pretože sa navzájom dopĺňajú, celková produkovaná farba svetla je biela. Práve preto, že skandium-sodíkové výbojky sa vyznačujú vysokou svetelnou účinnosťou, dobrou farbou svetla, úsporou energie, dlhou životnosťou a silnou schopnosťou rozptyľovať hmlu, sa dajú široko používať pre televízne kamery, osvetlenie námestí, športovísk a ciest a sú známe ako svetelné zdroje tretej generácie. V Číne sa tento typ výbojky postupne propaguje ako nová technológia, zatiaľ čo v niektorých rozvinutých krajinách sa tento typ výbojky hojne používal už začiatkom 80. rokov 20. storočia.
Druhou magickou zbraňou skandia sú solárne fotovoltaické články, ktoré dokážu zhromažďovať svetlo rozptýlené na zemi a premieňať ho na elektrinu na pohon ľudskej spoločnosti. Skandium je najlepší bariérový kov v kovových izolantoch, polovodičových kremíkových solárnych článkoch a solárnych článkoch.
Jeho tretia magická zbraň sa nazýva zdroj γ A lúča. Táto magická zbraň dokáže jasne svietiť sama o sebe, ale tento druh svetla nie je možné vnímať voľným okom, ide o tok fotónov s vysokou energiou. Z minerálov zvyčajne extrahujeme 45Sc, čo sú jediné prírodné izotopy skandia. Každé jadro 45Sc obsahuje 21 protónov a 24 neutrónov. 46Sc, umelý rádioaktívny izotop, sa môže použiť ako zdroj γ žiarenia alebo ako stopovacie atómy, ktoré sa môžu použiť aj na rádioterapiu zhubných nádorov. Existujú aj aplikácie, ako je ytriovo-gálium-skandiovo-granátový laser.Fluorid skandiasklenené infračervené optické vlákno a katódová trubica potiahnutá škandiom v televízii. Zdá sa, že škandium sa rodí s jasom.
Priemysel zliatin
Škandium vo svojej elementárnej forme sa široko používa na dopovanie hliníkových zliatin. Stačí, ak sa do hliníka pridá niekoľko tisícin skandia, vytvorí sa nová fáza Al3Sc, ktorá bude hrať úlohu metamorfózy v hliníkovej zliatine a výrazne zmení štruktúru a vlastnosti zliatiny. Pridanie 0,2 % až 0,4 % Sc (čo je naozaj podobné pomeru pridania soli do domácej restovanej zeleniny, stačí len malé množstvo) môže zvýšiť teplotu rekryštalizácie zliatiny o 150 – 200 ℃ a výrazne zlepšiť pevnosť pri vysokých teplotách, štrukturálnu stabilitu, zváracie vlastnosti a odolnosť proti korózii. Môže sa tiež zabrániť javu krehnutia, ktorý sa ľahko vyskytuje pri dlhodobej práci pri vysokých teplotách. Vysokopevnostné a vysokohúževnaté hliníkové zliatiny, nové vysokopevnostné zvárateľné hliníkové zliatiny odolné voči korózii, nové vysokoteplotné hliníkové zliatiny, vysokopevnostné hliníkové zliatiny odolné voči neutrónovému žiareniu atď. majú veľmi atraktívne rozvojové vyhliadky v leteckom priemysle, letectve, lodiach, jadrových reaktoroch, ľahkých vozidlách a vysokorýchlostných vlakoch.
Škandium je tiež vynikajúcim modifikátorom železa a malé množstvo skandia môže výrazne zlepšiť pevnosť a tvrdosť liatiny. Okrem toho sa skandium môže použiť aj ako prísada do vysokoteplotných zliatin volfrámu a chrómu. Okrem výroby svadobných šiat má skandium samozrejme vysoký bod topenia a jeho hustota je podobná hliníku a používa sa aj v ľahkých zliatinách s vysokým bodom topenia, ako je skandium-titánová zliatina a skandium-horčíková zliatina. Vzhľadom na svoju vysokú cenu sa však vo všeobecnosti používa iba v odvetviach špičkovej výroby, ako sú raketoplány a rakety.
Keramický materiál
Škandium, samostatná látka, sa všeobecne používa v zliatinách a jeho oxidy zohrávajú dôležitú úlohu v keramických materiáloch podobným spôsobom. Tetragonálny zirkoničitý keramický materiál, ktorý sa môže použiť ako elektródový materiál pre palivové články na tuhý oxid, má jedinečnú vlastnosť, kde vodivosť tohto elektrolytu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a koncentráciou kyslíka v prostredí. Kryštálová štruktúra tohto keramického materiálu však sama o sebe nemôže existovať stabilne a nemá žiadnu priemyselnú hodnotu; na zachovanie pôvodných vlastností je potrebné dopovanie niektorými látkami, ktoré dokážu túto štruktúru fixovať. Pridanie 6 až 10 % oxidu skandia je podobné betónovej štruktúre, takže zirkon sa môže stabilizovať na štvorcovej mriežke.
Existujú aj technické keramické materiály, ako napríklad vysokopevnostný a teplotne odolný nitrid kremíka, ako zahusťovadlá a stabilizátory.
Ako zahusťovadlo,Oxid skandiaNa okraji jemných častíc môže tvoriť žiaruvzdornú fázu Sc2Si2O7, čím sa znižuje deformácia technickej keramiky pri vysokých teplotách. V porovnaní s inými oxidmi dokáže lepšie zlepšiť mechanické vlastnosti nitridu kremíka pri vysokých teplotách.
Katalytická chémia
V chemickom inžinierstve sa skandium často používa ako katalyzátor, zatiaľ čo Sc2O3 sa môže použiť na dehydratáciu a deoxidáciu etanolu alebo izopropanolu, rozklad kyseliny octovej a výrobu etylénu z CO a H2. Katalyzátor PtAl obsahujúci Sc2O3 je tiež dôležitým katalyzátorom pre procesy čistenia a rafinácie hydrogenáciou ťažkých olejov v petrochemickom priemysle. V katalytických krakovacích reakciách, ako je kumén, je aktivita zeolitového katalyzátora Sc-Y 1000-krát vyššia ako aktivita hlinitokremičitanového katalyzátora; v porovnaní s niektorými tradičnými katalyzátormi budú vyhliadky vývoja skandiových katalyzátorov veľmi sľubné.
Jadrový energetický priemysel
Pridanie malého množstva Sc2O3 k UO2 vo vysokoteplotnom jadrovom palive reaktora môže zabrániť mriežkovej transformácii, zväčšeniu objemu a praskaniu spôsobenému premenou UO2 na U3O8.
Palivový článok
Podobne pridanie 2,5 % až 25 % skandia do nikel-alkalických batérií predĺži ich životnosť.
Poľnohospodársky chov
V poľnohospodárstve sa semená ako kukurica, repa, hrach, pšenica a slnečnica môžu ošetrovať síranom skandium (koncentrácia je vo všeobecnosti 10⁻³ až 10⁻⁶ mol/l, rôzne rastliny sa budú líšiť) a skutočný účinok podpory klíčenia sa dosiahol. Po 8 hodinách sa suchá hmotnosť koreňov a púčikov zvýšila o 37 % a 78 % v porovnaní so sadenicami, ale mechanizmus je stále predmetom štúdia.
Od Nielsenovej pozornosti venovanej dlhu údajov o atómovej hmotnosti až po súčasnosť sa skandium dostalo do povedomia ľudí len sto alebo dvadsať rokov, ale takmer sto rokov sedelo na lavičke. Až prudký rozvoj materiálovej vedy koncom minulého storočia mu priniesol vitalitu. Dnes sa prvky vzácnych zemín vrátane skandia stali horúcimi hviezdami v materiálovej vede, zohrávajú neustále sa meniace úlohy v tisíckach systémov, prinášajú nám každý deň väčšie pohodlie a vytvárajú ekonomickú hodnotu, ktorú je ešte ťažšie merať.
Čas uverejnenia: 29. júna 2023