Скандий

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Jump to navigation Jump to search
Скандий
Скандий – сребристобял метал
Сребристобял метал
Спектрални линии на скандий
КалцийСкандийТитан


Sc

Y
Периодична система
Общи данни
Име, символ, № Скандий, Sc, 21
Група, период, блок 34d
Химическа серия преходен метал
Електронна конфигурация [Ar] 3d1 4s2
e- на енергийно ниво 2, 8, 9, 2
CAS номер 7440-20-2
Свойства на атома
Атомна маса 44,955910 u
Атомен радиус (изч.) 160 (162) pm
Ковалентен радиус 170±7 pm
Радиус на ван дер Ваалс 211 pm
Степен на окисление 3, 2[1], 1[2]
Оксид Sc2O3 (амфотерен)[3]
Електроотрицателност
(Скала на Полинг)
1,36
Йонизационна енергия I: 633,1 kJ/mol
II: 1235 kJ/mol
III: 2388,6 kJ/mol
(още)
Физични свойства
Агрегатно състояние твърдо вещество
Кристална структура шестоъгълна плътно опакована
Плътност 2985 kg/m3
Температура на топене 1814 K (1541 °C)
Температура на кипене 3109 K (2836 °C)
Моларен обем 15×10-6 m3/mol
Специф. топлина на топене 14,1 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 332,7 kJ/mol
P (Pa) 1 10 102 103 104 105
T (K) 1645 1804 2006 2266 2613 3101
Специф. топл. капацитет 568 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост 1,77×106 S/m
Специф. ел. съпротивление 0,562 Ω.mm2/m
Топлопроводимост 15,8 W/(m·K)
Магнетизъм парамагнитен[4]
Модул на еластичност 74,4 GPa
Модул на срязване 29,1 GPa
Модул на свиваемост 56,6 GPa
Коефициент на Поасон 0,279
Твърдост по Бринел 736 – 1200 MPa
История
Наименован на Скандинавия
Откритие Ларс Фредрик Нилсон (1879 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР
44m2Sc синт. 58,61 ч. ИП 44Sc
γ
ε 44Ca
45Sc 100 % стабилен
46Sc синт. 83,79 дни β- 46Ti
γ
47Sc синт. 80,38 дни β- 47Ti
γ
48Sc синт. 43,67 ч. β- 48Ti
γ
Скандий в Общомедия

Скандий е химичен елемент със символ Sc и атомен номер 21. Той е сребристо-бял преходен метал от d-блока, a исторически е класифициран и като редкоземен елемент,[5] заедно с итрия и лантанидите. Открит е през 1879 г, чрез спектрален анализ на минералите евксенит и гадолинит в Скандинавия.

Скандият присъства в повечето находища на редкоземните и уранови съединения, но се извлича от тези руди, само на няколко места в света. Поради ниския добив и трудностите при отделянето му, скандият е бил извличан в много малки количества до 70-те години на миналия век. По-късно са установени полезните ефекти на скандия в сплави с други метали, като алуминия и употребата му в такива сплави става главното му приложение. Световната търговия със скандиев оксид е около 10 тона годишно.

Свойствата на скандиевите съединения са подобни на тези на алуминия и итрия. Наблюдава се диагонално сходство в свойствата на магнезий и скандий, точно както между берилия и алуминия. В химичните си съединения, проявява предимно трета степен на окисление.

История[редактиране | редактиране на кода]

Менделеев предсказва съществуването на елемента ека-бор, с атомна маса 40 – 48 през 1869 г.

Ларс Фредрик Нилсон и неговият екип откриват този елемент в минералите евксенит и гадолинит, десет години по-късно. Нилсон подготвя 2 грама скандиев оксид с висока чистота.[6][7] Той нарича елемента скандий от латинското Scandia – „Скандинавия“.

Чист скандий е произведен за първи път през 1937 г, чрез електролизата на евтектична смес от калиев, литиев и скандиев хлорид, при 700 – 800 °С.[8] Производството на алуминиеви сплави започва през 1971 г, а после бива патентовано от САЩ.[9] Алуминиево-скандиеви сплави са били разработвани и в СССР.[10]

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Химични[редактиране | редактиране на кода]

Скандият е мек метал със сребрист външен вид. Изложен на въздух, той се окислява и придобива жълтеникав или розов оттенък. Разтваря се бавно в повечето разредени киселини. Той не реагира със азотна киселина (HNO3) (в отношение 1:1) и с 48% флуороводородна киселина (HF), вероятно поради пасивирането му. Скандиеви стружки се възпламенят във въздуха с блестящ жълт пламък, като образуват скандиев оксид (Sc2O3).[11]

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

В природата, скандият се среща най-вече като изотопа 45Sc, който има спин 7/2 и е единственият му стабилен изотоп. Тринадесет радиоизотопа са известни, като най-стабилният е 46Sc, който е с период на полуразпад от 83,8 дни, 47Sc – 3,35 дни, 44Sc – 4 часа и 48Sc – 43,7 часа. Всички останали радиоактивни изотопи на скандия имат период на полуразпад по-малък от 4 часа, като по-голямата част от тях са с период на полуразпад по-малко от 2 минути. Скандият има пет мета-състояния, като най-стабилното е 44mSc (t1/2 = 58,6 часа).[12]

Изотопите на скандия са с масови числа от 36Sc до 60Sc. Основният начин на разпад, за изотопите преди 45Sc е електронен захват, а от 45Sc до 60Sc е бета-разпад. Продуктите на разпад на изотопите на скандия до 45Sc са предимно калциеви изотопи, а след 45Sc са титаниеви изотопи.[12]

Наличие[редактиране | редактиране на кода]

В земната кора, скандият не е от рядкосрещаните елементи, въпреки името на групата в която е. Количествата варират от 18 до 25 ppm, което е сравнимо с наличността на кобалта (20 – 30 ppm). Скандият е 50-ят най-често срещан елемент на Земята (35-ти в земната кора) и е 23-ят най-често срещан елемент в Слънцето.[13] Скандият, обаче, се разпределя по малко и в много минерали.[14] Редките минерали от Скандинавия[15] и Мадагаскар,[16] като тортвейтит, евксенит и гадолинит са единствените известни по-концентрирани минерали, съдържащи този елемент. Тортвейтитът може да съдържа до 45% скандий под формата на скандиев(III) оксид.[15]

Стабилната форма на скандия се създава в суперновите, чрез R-процеса.[17]

Съединения[редактиране | редактиране на кода]

Скандият почти винаги е под формата на тривалентния йон Sc3+. Радиусите на М3+ йоните в таблицата по-долу показват, че химичните свойства на скандиевите йони имат повече общо с итриевите и лантанидните йони, отколкото с алуминиевите йони. Заради това си сходство, скандият често се класифицира като елемент, наподобяващ лантанидите.

Йонен радиус (pm)
Al Sc Y La Lu
53,5 74,5 90,0 103,2 86,1

Оксиди и хидроксиди[редактиране | редактиране на кода]

Oксидът Sc2O3 и хидроксидът Sc(ОН)3 са амфотерни:

Sc(OH)3 + 3OH- → [Sc(OH)6]3-
Sc(ОН)3 + 3H+ + 3H2O → [Sc(H2O)6]3+

Формите α- и γ-скандиев оксохидроксид (ScO(OH)), са изоструктурни на алуминиевия оксохидроксид.[18] Разтворите на Sc3+ във вода са киселинни, поради хидролизата му.

Халиди и псевдохалиди[редактиране | редактиране на кода]

Халогенидите ScX3, където X = Cl, Br, I, са разтворими във вода, а ScF3 е неразтворим. Във всичките четири халида, скандият е с координационно число – 6. Халидите му са Люисови киселини. Например, ScF3 се разтваря в разтвор съдържащ излишък от флуоридни йони, до получаване на комплекса [ScF6]3-. Координационното число 6 е типично за Sc(III). При по-големитете йони Y3+, La3+ и Lu3+, координационните числа 8 и 9 са често срещани. Скандиевият(III) трифлат, понякога се използва като Люисова киселина в органичната химия .

Органични съединения[редактиране | редактиране на кода]

Скандият образува множество органометални съединения, под формата на циклопентадиенилови лиганди (Ср), като в това отношение силно наподобява лантанидите. Такъв е димерът [ScCp2Cl]2 и производните на пентаметилциклопентадиенил– лигандите.[19]

Съединения с ниски степени на окисление[редактиране | редактиране на кода]

Съединения, които имат степен на окисление, различни от 3, са редки, но наблюдавани. Синьо-черното съединение цезиево-скандиев хлорид (CsScCl3) е едно от най-простите. Този материал оформя листоподобна структура, която показва удълженото свързване между центровете на скандиевите(II) йони.[20] Скандиевите бориди и карбиди са нестехиометрични, както е характерно и за съседните елементи.[21]

По-ниски степени на окисление (2, 1) също са наблюдавани и в органоскандиевите съединения.[22][23][24][25]

Получаване[редактиране | редактиране на кода]

Световното производство на скандий е от порядъка на 10 тона годишно, под формата на скандиев оксид. Търсенето е с около 50% повече, и както производството, така и търсенето продължават да се увеличават. През 2003 г. само на три места са произвеждали скандий – урановите и железни мини в Жолтие води, Украйна, мините за редкоземни метали в Баян Обо, Китай и мините за апатит на полуостров Кола, Русия. Oттогава насам, доста други държави са изградили съоръжения за производство на скандий. В повечето случай, скандият е страничен продукт при извличането на други елементи и се продава като скандиев оксид.[26][27][28]

За да се получи чист скандий, оксидът се превръща в скандиев флуорид, който пък се редуцира с калций.

В Мадагаскар и в Норвегия се срещат минералите с високо съдържание на скандий – тортвейтит (Sc·Y)2(Si2O7) и колбекит ScPO4·2H2O, но те не се използват.[27]

Поради липсата на надеждно, сигурно, стабилно и дългосрочно производство на скандий, има ограничени търговски приложения за него. Въпреки ниското ниво на употреба, скандият има значителни предимства. Особено обещаващо е подсилването на алуминиевите сплави с до около 0,5% скандий. Стандартизираният, със скандий, цирконий се радва на нарастващо пазарно търсене, за използване като високоефективен електролит в горивните клетки с твърди оксиди.

Употреба[редактиране | редактиране на кода]

Някои части на МиГ-29 са направени от алуминиево-скандиева сплав.[29]

Добавянето на скандия към алуминий, подобрява издръжливостта в зоната на загряване на заварените алуминиеви компоненти. Въпреки това, титановите сплави, които са сходни в лекота и сила, са по-евтини и много по-широко използвани.[30]

Сплавта Al20Li20Mg10Sc20Ti30 е толкова силна, колкото е титана, лека като алуминий и твърда като керамика.

Основното приложение на скандий, в отношение тегло, е в алуминиево-скандиевите сплави, за части, използвани в космическата индустрия. Тези сплави съдържат между 0,1 % и 0,5 % скандий. Те са били използвани при производството на руските военни самолети – МиГ-21 и МиГ-29.[29]

Някои елементи за спортно оборудване, които разчитат на висококачествени материали, са направени от скандиево-алуминиеви сплави, включително бейзболни бухалки[31] и велосипедни рамки и части.[32]

В денталната медицина се използва ербиево-хромен лазер с добавен итриево-скандиево-галиев гранат (ErCr:YSGG) при лечението на кариеси и в ендодонтията.[33]

Първите скандиево-халогенни лампи са патентовани от „Дженерал Илектрик“ и първоначално са произвеждани в САЩ, въпреки че сега се произвеждат във всички големи индустриализирани страни. Един тип метало-халогенна лампа, подобна на лампата с живачен изпарител, е направена от скандиев йодид и натриев йодид. Тази лампа е източник на бяла светлина с висок индекс на цветопредаване, който наподобява слънчевата светлина и позволява добро възпроизвеждане на цветовете на видеокамерите.[34]

Радиоактивният изотоп, 46Sc се използва в нефтени рафинерии като проследяващ агент. Скандиевият трифлат е каталитична киселина на Люис, използвана в органичната химия.[35]

Биологична роля[редактиране | редактиране на кода]

Скандият се счита за нетоксичен, макар че не е направено обстойно изследване на скандиевите съединения върху животни.[36] Средната летална доза на скандиев(III) хлорид за плъхове, се смята че е около 4 мг/кг при директно инжектиране, и 755 мг/кг при орален прием.[37] Според тези резултати, съединенията на скандия се смятат за умерено-токсични.

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. ((en)) McGuire, Joseph C.. Preparation and Properties of Scandium Dihydride. // Journal of Chemical Physics 33. 1960. DOI:10.1063/1.1731452. с. 1584 – 1585.
  2. ((en)) Smith, R. E.. Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals. // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 332 (1588). 1973. DOI:10.1098/rspa.1973.0015. с. 113 – 127.
  3. ((en)) Cotton, Simon. Lanthanide and actinide chemistry. John Wiley and Sons, 2006. ISBN 978-0-470-01006-8. с. 108.
  4. ((en))  Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds. // CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th. Boca Raton (FL), CRC Press, 2005. ISBN 0-8493-0486-5.
  5. ((en)) IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
  6. ((fr)) Nilson, Lars Fredrik. Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac. // Comptes Rendus 88. 1879. с. 642 – 647.
  7. ((de)) Nilson, Lars Fredrik. Ueber Scandium, ein neues Erdmetall. // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 12 (1). 1879. DOI:10.1002/cber.187901201157. с. 554 – 557.
  8. ((de)) Fischer, Werner. Über das metallische Scandium. // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 231 (1 – 2). 1937. DOI:10.1002/zaac.19372310107. с. 54 – 62.
  9. ((en)) Burrell, A. Willey Lower „Aluminum scandium alloy“ Щатски патент 3 619 181  издаден на 9.11.1971 г.
  10. ((en)) Zakharov, V. V.. Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys. // Metal Science and Heat Treatment 45 (7/8). 2003. DOI:10.1023/A:1027368032062. с. 246.
  11. ((en)) "Scandium." Los Alamos National Laboratory.
  12. а б ((en)) Audi, Georges и др. The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties. // Nuclear Physics A 729. Atomic Mass Data Center, 2003. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. с. 3 – 128.
  13. ((en)) Lide, David R.. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, CRC Press, 2004. ISBN 978-0-8493-0485-9. с. 4 – 28.
  14. ((en)) Bernhard, F.. Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria. // Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse, Balkema, 2001. ISBN 90-265-1846-3.
  15. а б ((no)) Kristiansen, Roy. Scandium – Mineraler I Norge. // Stein. 2003. с. 14 – 23.
  16. ((en)) von Knorring, O.. Mineralized pegmatites in Africa. // Geological Journal 22. 1987. DOI:10.1002/gj.3350220619. с. 253.
  17. ((en)) Cameron, A.G.W.. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis. // CRL-41. 1957.
  18. ((en)) Christensen, A. Nørlund. Hydrothermal Preparation of alpha-ScOOH and of gamma-ScOOH. Crystal Structure of alpha-ScOOH. // Acta Chemica Scandinavica 21. 1967. DOI:10.3891/acta.chem.scand.21-0121. с. 1121 – 126.
  19. ((en)) Shapiro, Pamela J.. Model Ziegler-Natta a-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η5-C5Me4)SiMe2(η1-NCMe3)}(PMe3)Sc(μ2-H)]2 and [{(η5-C5Me4)SiMe2(η1-NCMe3)}Sc(μ2-CH2CH2CH3)]2. Synthesis, Structures and Kinetic and Equilibrium Investigations of the Catalytically active Species in Solution. // J. Am. Chem. Soc. 116 (11). 1994. DOI:10.1021/ja00090a011. с. 4623.
  20. ((en)) Corbett, J. D.. Extended metal-metal bonding in halides of the early transition metals. // Acc. Chem. Res. 14 (8). 1981. DOI:10.1021/ar00068a003. с. 239 – 246.
  21. ((en)) Holleman, A. F.; Wiberg, E. „Inorganic Chemistry“ Academic Press: San Diego, 2001.
  22. ((en)) Polly L. Arnold. The First Example of a Formal Scandium(I) Complex:  Synthesis and Molecular Structure of a 22-Electron Scandium Triple Decker Incorporating the Novel 1,3,5-Triphosphabenzene Ring. // J. Am. Chem. Soc. 118 (32). 1996. DOI:10.1021/ja961253o. с. 7630 – 7631.
  23. ((en)) F. Geoffrey N. Cloke. η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II). // J. Chem. Soc., Chem. Commun. (19). 1991. DOI:10.1039/C39910001372. с. 1372 – 1373.
  24. ((en)) Ana Mirela Neculai. Stabilization of a Diamagnetic ScIBr Molecule in a Sandwich-Like Structure. // Organometallics 21 (13). 2002. DOI:10.1021/om020090b. с. 2590 – 2592.
  25. ((en)) Polly L. Arnold. The first stable scandocene: synthesis and characterisation of bis(η-2,4,5-tri-tert-butyl-1,3-diphosphacyclopentadienyl)scandium(II). // Chem. Commun. (7). 1998. DOI:10.1039/A800089A. с. 797 – 798.
  26. ((en)) Deschamps, Y.. Scandium. // mineralinfo.com.
  27. а б ((en))  Mineral Commodity Summaries 2015: Scandium. // United States Geological Survey.
  28. ((en)) Scandium. USGS.
  29. а б ((en)) Ahmad, Zaki. The properties and application of scandium-reinforced aluminum. // JOM 55 (2). 2003. DOI:10.1007/s11837-003-0224-6. с. 35.
  30. ((en)) Schwarz, James A.. Dekker encyclopédia of nanoscience and nanotechnology. Т. 3. CRC Press, 2004. ISBN 0-8247-5049-7. с. 2274.
  31. ((en)) Bjerklie, Steve. A batty business: Anodized metal bats have revolutionized baseball. But are finishers losing the sweet spot?. // Metal Finishing 104 (4). 2006. DOI:10.1016/S0026-0576(06)80099-1. с. 61.
  32. ((en))  Easton Technology Report : Materials / Scandium. // EastonBike.com.
  33. ((en))  History of Laser Dentistry. // Lasers in Dermatology and Medicine. 2011-11-09. ISBN 978-0-85729-280-3. с. 464 – 465.
  34. ((en)) Simpson, Robert S.. Lighting Control: Technology and Applications. Focal Press, 2003. ISBN 978-0-240-51566-3. с. 108.
  35. ((en)) Kobayashi, Shu. Green Lewis acid catalysis in organic synthesis. // Pure Appl. Chem. 72 (7). 2000. DOI:10.1351/pac200072071373. с. 1373 – 1380.
  36. ((en)) Horovitz, Chaim T.. Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer, 1999. ISBN 978-0-306-45657-2.
  37. ((en)) Haley, Thomas J.. Pharmacology and toxicology of scandium chloride. // Journal of Pharmaceutical Sciences 51 (11). 1962. DOI:10.1002/jps.2600511107. с. 1043 – 1045.
Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Scandium“ в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница. Вижте източниците на оригиналната статия, състоянието ѝ при превода, и списъка на съавторите.