Scandium, met elementsymbool Sc en atoomnummer 21, is gemakkelijk oplosbaar in water, kan interageren met heet water en wordt gemakkelijk donker in de lucht. De belangrijkste valentie is +3. Het wordt vaak gemengd met gadolinium, erbium en andere elementen, met een lage opbrengst en een gehalte van ongeveer 0,0005% in de korst. Scandium wordt vaak gebruikt om speciaal glas en lichtgewicht hogetemperatuurlegeringen te maken.
Momenteel bedragen de bewezen reserves aan scandium in de wereld slechts 2 miljoen ton, waarvan 90-95% aanwezig is in bauxiet-, fosforiet- en ijzertitaanertsen, en een klein deel in uranium-, thorium-, wolfraam- en zeldzame aardertsen, voornamelijk gedistribueerd in Rusland, China, Tadzjikistan, Madagaskar, Noorwegen en andere landen. China is zeer rijk aan scandiumbronnen, met enorme minerale reserves die verband houden met scandium. Volgens onvolledige statistieken bedragen de reserves aan scandium in China ongeveer 600.000 ton, die zich bevinden in bauxiet- en fosforietafzettingen, porfier- en kwartsader-wolfraamafzettingen in Zuid-China, afzettingen van zeldzame aardmetalen in Zuid-China, Bayan Obo-afzettingen van zeldzame aardijzererts in Binnen-Mongolië en Panzhihua-vanadium-titaniummagnetietafzetting in Sichuan.
Vanwege de schaarste aan scandium is de prijs van scandium ook erg hoog, en op zijn hoogtepunt werd de prijs van scandium opgeblazen tot tien keer de prijs van goud. Hoewel de prijs van scandium is gedaald, is deze nog steeds vier keer de prijs van goud!
Geschiedenis ontdekken
In 1869 merkte Mendelejev een gat in de atomaire massa op tussen calcium (40) en titanium (48), en voorspelde hij dat hier ook een onontdekt tussenliggend atoommassa-element aanwezig was. Hij voorspelde dat het oxide ervan X ₂ O Å is. Scandium werd in 1879 ontdekt door Lars Frederik Nilson van de Universiteit van Uppsala in Zweden. Hij haalde het uit de zwarte zeldzame goudmijn, een complex erts dat 8 soorten metaaloxiden bevat. Hij heeft geëxtraheerdErbium(III)oxideuit zwart zeldzaam gouderts, en verkregenYtterbium(III)oxideuit dit oxide, en er is nog een oxide van een lichter element, waarvan het spectrum laat zien dat het een onbekend metaal is. Dit is het metaal voorspeld door Mendelejev, waarvan het oxide isSc₂O₃. Het scandiummetaal zelf werd geproduceerdScandiumchloridedoor elektrolytisch smelten in 1937.
Mendelejev
Elektronenconfiguratie
Elektronenconfiguratie: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Scandium is een zacht, zilverwit overgangsmetaal met een smeltpunt van 1541 ℃ en een kookpunt van 2831 ℃.
Gedurende een aanzienlijke periode na de ontdekking ervan werd het gebruik van scandium niet aangetoond vanwege de moeilijkheid ervan bij de productie. Met de toenemende verbetering van de scheidingsmethoden voor zeldzame aardelementen is er nu een volwassen processtroom voor het zuiveren van scandiumverbindingen. Omdat scandium minder alkalisch is dan yttrium en lanthanide, is het hydroxide het zwakst, dus het gemengde mineraal dat scandium bevat, zal van het zeldzame aardelement worden gescheiden door middel van de “stapsprecipitatie”-methode wanneer Scandium(III)-hydroxide wordt behandeld met ammoniak. wordt omgezet in een oplossing. De andere methode is het scheiden van Scandiumnitraat door polaire ontleding van nitraat. Omdat scandiumnitraat het gemakkelijkst afbreekbaar is, kan scandium worden afgescheiden. Bovendien is de uitgebreide winning van begeleidend scandium uit uranium-, thorium-, wolfraam-, tin- en andere minerale afzettingen ook een belangrijke bron van scandium.
Nadat een zuivere scandiumverbinding is verkregen, wordt deze omgezet in ScCl Å en samengesmolten met KCl en LiCl. Het gesmolten zink wordt gebruikt als kathode voor de elektrolyse, waardoor scandium op de zinkelektrode neerslaat. Vervolgens wordt het zink verdampt om metallisch scandium te verkrijgen. Dit is een lichtgewicht zilverwit metaal met zeer actieve chemische eigenschappen, dat kan reageren met heet water om waterstofgas te genereren. Het metaalscandium dat u op de foto ziet, wordt dus in een fles verzegeld en beschermd met argongas, anders zal scandium snel een donkergele of grijze oxidelaag vormen, waardoor zijn glanzende metaalachtige glans verloren gaat.
Toepassingen
Verlichtingsindustrie
Het gebruik van scandium is geconcentreerd in zeer heldere richtingen, en het is niet overdreven om het de Zoon van het Licht te noemen. Het eerste magische wapen van scandium heet scandiumnatriumlamp, die kan worden gebruikt om duizenden huishoudens van licht te voorzien. Dit is een metaalhalogenide Elektrisch licht: de lamp is gevuld met natriumjodide en scandiumtrijodide en tegelijkertijd worden scandium- en natriumfolie toegevoegd. Tijdens hoogspanningsontlading zenden scandiumionen en natriumionen respectievelijk licht uit met hun karakteristieke emissiegolflengten. De spectraallijnen van natrium zijn 589,0 en 589,6 nm, twee beroemde gele lichten, terwijl de spectraallijnen van scandium 361,3 ~ 424,7 nm zijn, een reeks bijna-ultraviolette en blauwe lichtemissies. Omdat ze elkaar aanvullen, is de totale geproduceerde lichtkleur wit licht. Juist omdat scandiumnatriumlampen de kenmerken hebben van hoge lichtopbrengst, goede lichtkleur, energiebesparing, lange levensduur en sterk mistbrekend vermogen, kunnen ze op grote schaal worden gebruikt voor televisiecamera's, pleinen, sportlocaties en wegverlichting. en staan bekend als de derde generatie lichtbronnen. In China wordt dit type lamp geleidelijk gepromoot als een nieuwe technologie, terwijl dit type lamp in sommige ontwikkelde landen al begin jaren tachtig op grote schaal werd gebruikt.
Het tweede magische wapen van scandium zijn fotovoltaïsche zonnecellen, die het over de grond verspreide licht kunnen verzamelen en omzetten in elektriciteit om de menselijke samenleving aan te drijven. Scandium is het beste barrièremetaal in silicium-zonnecellen en zonnecellen met metaalisolatoren.
Het derde magische wapen heet γ. Een straalbron. Dit magische wapen kan op zichzelf helder schijnen, maar dit soort licht kan niet met het blote oog worden ontvangen; het is een hoogenergetische fotonenstroom. Meestal halen we 45Sc uit mineralen, de enige natuurlijke isotopen van scandium. Elke 45Sc-kern bevat 21 protonen en 24 neutronen. 46Sc, een kunstmatige radioactieve isotoop, kan worden gebruikt als γ. Stralingsbronnen of traceratomen kunnen ook worden gebruikt voor radiotherapie van kwaadaardige tumoren. Er zijn ook toepassingen zoals yttrium gallium scandium-granaatlaser,Scandiumfluorideglas infrarood optische vezel en scandium gecoate kathodestraalbuis op televisie. Het lijkt erop dat scandium met helderheid wordt geboren.
Legeringsindustrie
Scandium in zijn elementaire vorm wordt veel gebruikt voor het doteren van aluminiumlegeringen. Zolang er een paar duizendste scandium aan aluminium wordt toegevoegd, zal er een nieuwe Al3Sc-fase worden gevormd, die een metamorfoserol zal spelen in aluminiumlegeringen en de structuur en eigenschappen van de legering aanzienlijk zal veranderen. Het toevoegen van 0,2% ~ 0,4% Sc (wat erg vergelijkbaar is met het aandeel van het toevoegen van zout aan roergebakken groenten thuis, er is maar een klein beetje nodig) kan de herkristallisatietemperatuur van de legering met 150-200 ℃ verhogen en de hoge temperatuur aanzienlijk verbeteren. -temperatuursterkte, structurele stabiliteit, lasprestaties en corrosieweerstand. Het kan ook het verbrossingsverschijnsel vermijden dat gemakkelijk optreedt tijdens langdurig werken bij hoge temperaturen. Aluminiumlegering met hoge sterkte en hoge taaiheid, nieuwe corrosiebestendige lasbare aluminiumlegering met hoge sterkte, nieuwe aluminiumlegering op hoge temperatuur, hoge sterkte neutronenstralingbestendige aluminiumlegering, enz., hebben zeer aantrekkelijke ontwikkelingsperspectieven in de lucht- en ruimtevaart, luchtvaart, schepen, kernreactoren, lichte voertuigen en hogesnelheidstreinen.
Scandium is ook een uitstekende modificator voor ijzer, en een kleine hoeveelheid scandium kan de sterkte en hardheid van gietijzer aanzienlijk verbeteren. Daarnaast kan scandium ook worden gebruikt als additief voor wolfraam- en chroomlegeringen op hoge temperatuur. Natuurlijk heeft scandium, naast het maken van trouwkleding voor anderen, een hoog smeltpunt en is de dichtheid vergelijkbaar met aluminium, en wordt het ook gebruikt in lichtgewicht legeringen met een hoog smeltpunt, zoals scandium-titaanlegering en scandium-magnesiumlegering. Vanwege de hoge prijs wordt het echter over het algemeen alleen gebruikt in hoogwaardige productie-industrieën zoals space shuttles en raketten.
Keramisch materiaal
Scandium, een enkele stof, wordt over het algemeen gebruikt in legeringen, en de oxiden ervan spelen op vergelijkbare wijze een belangrijke rol in keramische materialen. Het tetragonale keramische materiaal van zirkoniumoxide, dat kan worden gebruikt als elektrodemateriaal voor vaste-oxidebrandstofcellen, heeft een unieke eigenschap waarbij de geleidbaarheid van deze elektrolyt toeneemt met toenemende temperatuur en zuurstofconcentratie in de omgeving. De kristalstructuur van dit keramische materiaal zelf kan echter niet stabiel bestaan en heeft geen industriële waarde; Het is noodzakelijk om bepaalde stoffen te doteren die deze structuur kunnen fixeren om de oorspronkelijke eigenschappen te behouden. Het toevoegen van 6~10% Scandiumoxide lijkt op een betonstructuur, zodat zirkoniumoxide op een vierkant rooster kan worden gestabiliseerd.
Er zijn ook technische keramische materialen zoals siliciumnitride met hoge sterkte en hoge temperatuur als verdichters en stabilisatoren.
Als verdichter,Scandiumoxidekan een vuurvaste fase Sc2Si2O7 vormen aan de rand van fijne deeltjes, waardoor de vervorming bij hoge temperaturen van technisch keramiek wordt verminderd. Vergeleken met andere oxiden kan het de mechanische eigenschappen van siliciumnitride bij hoge temperaturen beter verbeteren.
Katalytische chemie
In de chemische technologie wordt scandium vaak gebruikt als katalysator, terwijl Sc2O3 kan worden gebruikt voor dehydratatie en deoxidatie van ethanol of isopropanol, de ontleding van azijnzuur en de productie van ethyleen uit CO en H2. De Pt Al-katalysator die Sc2O3 bevat, is ook een belangrijke katalysator voor de hydrogenering van zware olie, zuivering en raffinageprocessen in de petrochemische industrie. Bij katalytische kraakreacties zoals Cumeen is de activiteit van de Sc-Y-zeolietkatalysator 1000 maal hoger dan die van de aluminiumsilicaatkatalysator; Vergeleken met sommige traditionele katalysatoren zullen de ontwikkelingsvooruitzichten van scandiumkatalysatoren zeer rooskleurig zijn.
Kernenergie-industrie
Het toevoegen van een kleine hoeveelheid Sc2O3 aan UO2 in splijtstof voor hogetemperatuurreactoren kan roostertransformatie, volumetoename en scheurvorming als gevolg van de omzetting van UO2 in U3O8 voorkomen.
Brandstofcel
Op dezelfde manier zal het toevoegen van 2,5% tot 25% scandium aan nikkel-alkalibatterijen hun levensduur verlengen.
Agrarische veredeling
In de landbouw kunnen zaden zoals maïs, bieten, erwten, tarwe en zonnebloemen worden behandeld met scandiumsulfaat (de concentratie is over het algemeen 10-3 ~ 10-8 mol / l, verschillende planten zullen verschillend zijn), en het daadwerkelijke effect van het bevorderen van kieming is bereikt. Na 8 uur was het droge gewicht van wortels en knoppen met respectievelijk 37% en 78% toegenomen vergeleken met zaailingen, maar het mechanisme wordt nog onderzocht.
Vanaf de aandacht van Nielsen voor de schuldenlast van atomaire massagegevens tot vandaag de dag is scandium slechts honderd tot twintig jaar in de visie van mensen terechtgekomen, maar het heeft al honderd jaar bijna op de bank gezeten. Pas tijdens de krachtige ontwikkeling van de materiële wetenschap aan het eind van de vorige eeuw kreeg hij er vitaliteit door. Tegenwoordig zijn zeldzame aardelementen, waaronder scandium, hete sterren geworden in de materiaalkunde. Ze spelen steeds veranderende rollen in duizenden systemen, brengen elke dag meer gemak in ons leven en creëren economische waarde die zelfs nog moeilijker te meten is.
Posttijd: 29 juni 2023