Կախարդական հազվագյուտ երկրային տարրեր Սկանդիում

ScandiumSc տարրի նշանով և 21 ատոմային համարով, հեշտությամբ լուծվում է ջրում, կարող է փոխազդել տաք ջրի հետ և հեշտությամբ մթնում է օդում։ Նրա հիմնական վալենտությունը +3 է։ Այն հաճախ խառնվում է գադոլինիումի, էրբիումի և այլ տարրերի հետ՝ ցածր եկամտաբերությամբ և ընդերքում մոտավորապես 0,0005% պարունակությամբ։ Սկանդիումը հաճախ օգտագործվում է հատուկ ապակու և թեթև բարձր ջերմաստիճանի համաձուլվածքներ պատրաստելու համար։

Ներկայումս աշխարհում սկանդիումի ապացուցված պաշարները կազմում են ընդամենը 2 մլն տոննա, որից 90-95%-ը պարունակվում է բոքսիտի, ֆոսֆորիտի և երկաթի տիտանի հանքաքարերում, իսկ փոքր մասը՝ ուրանի, թորիումի, վոլֆրամի և հազվագյուտ հողի հանքաքարերում, հիմնականում։ տարածված է Ռուսաստանում, Չինաստանում, Տաջիկստանում, Մադագասկարում, Նորվեգիայում և այլ երկրներում։ Չինաստանը շատ հարուստ է սկանդիումի պաշարներով, հսկայական հանքային պաշարներով՝ կապված սկանդիումի հետ։ Թերի վիճակագրության համաձայն՝ Չինաստանում սկանդիումի պաշարները կազմում են մոտ 600000 տոննա, որոնք պարունակվում են բոքսիտների և ֆոսֆորիտների, պորֆիրի և քվարցային վոլֆրամի հանքավայրերում՝ Հարավային Չինաստանում, հազվագյուտ հողերի հանքավայրերում՝ Հարավային Չինաստանում, Բայան Օբոյի հազվագյուտ հողերի երկաթի հանքաքարում։ Ներքին Մոնղոլիա և Պանժիհուա վանադիումի տիտան մագնետիտի հանքավայր Սիչուանում։

Սկանդիումի սակավության պատճառով սկանդիումի գինը նույնպես շատ բարձր է, և դրա գագաթնակետին սկանդիումի գինը ուռճացվել է ոսկու գնից 10 անգամ։ Չնայած սկանդիումի գինը նվազել է, այն դեռ չորս անգամ գերազանցում է ոսկու գինը:

Պատմության բացահայտում

1869 թվականին Մենդելեևը նկատեց ատոմային զանգվածի բացը կալցիումի (40) և տիտանի (48) միջև և կանխատեսեց, որ այստեղ կա նաև չբացահայտված միջանկյալ ատոմային զանգվածի տարր։ Նա կանխատեսեց, որ դրա օքսիդը X 2 O Å է: Սկանդիումը հայտնաբերվել է 1879 թվականին Շվեդիայի Ուփսալայի համալսարանից Լարս Ֆրեդերիկ Նիլսոնի կողմից։ Նա այն հանել է սև հազվագյուտ ոսկու հանքից՝ բարդ հանքաքարից, որը պարունակում է 8 տեսակի մետաղական օքսիդներ։ Նա հանել էԷրբիում (III) օքսիդսև հազվագյուտ ոսկու հանքաքարից և ստացվելԻտերբիումի (III) օքսիդայս օքսիդից, և կա ավելի թեթև տարրի մեկ այլ օքսիդ, որի սպեկտրը ցույց է տալիս, որ այն անհայտ մետաղ է: Սա Մենդելեևի կանխատեսած մետաղն է, որի օքսիդն էSc2O3. Ինքնին սկանդիում մետաղը արտադրվել էՍկանդիումի քլորիդէլեկտրոլիտիկ հալման միջոցով 1937 թ.

Մենդելեևը

Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա

Էլեկտրոնի կոնֆիգուրացիա՝ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

Սկանդիում մետաղ

Սկանդիումը փափուկ, արծաթագույն, սպիտակ անցումային մետաղ է, որի հալման կետը 1541 ℃ է և եռման ջերմաստիճանը 2831 ℃:

Բացահայտումից հետո զգալի ժամանակահատվածում սկանդիումի օգտագործումը չի ցուցադրվել՝ արտադրության դժվարության պատճառով։ Հազվագյուտ հողային տարրերի տարանջատման մեթոդների աճող բարելավմամբ, այժմ կա սկանդիումի միացությունների մաքրման հասուն գործընթացի հոսք: Քանի որ սկանդիան ավելի քիչ ալկալային է, քան իտրիումը և լանթանիդը, հիդրօքսիդը ամենաթույլն է, ուստի սկանդիում պարունակող հազվագյուտ հողային տարրը կառանձնացվի հազվագյուտ հողային տարրից «քայլ տեղումների» մեթոդով, երբ սկանդիումի (III) հիդրօքսիդը մշակվում է ամոնիակով: տեղափոխվում է լուծույթ: Մյուս մեթոդը սկանդիումի նիտրատի առանձնացումն է նիտրատի բևեռային տարրալուծմամբ: Քանի որ սկանդիումի նիտրատը ամենահեշտ է քայքայվում, սկանդիումը կարելի է առանձնացնել: Բացի այդ, ուրանի, թորիումի, վոլֆրամի, անագի և այլ օգտակար հանածոների հանքավայրերից ուղեկցող սկանդիումի համապարփակ վերականգնումը նույնպես սկանդիումի կարևոր աղբյուր է:

Մաքուր սկանդիումի միացություն ստանալուց հետո այն վերածվում է ScCl Å-ի և համաձուլվում KCl-ի և LiCl-ի հետ։ Հալած ցինկը օգտագործվում է որպես էլեկտրոլիզի կաթոդ, ինչը հանգեցնում է սկանդիումի նստվածքի ցինկի էլեկտրոդի վրա: Այնուհետև ցինկը գոլորշիացվում է մետաղական սկանդիում ստանալու համար: Սա թեթև արծաթագույն սպիտակ մետաղ է՝ շատ ակտիվ քիմիական հատկություններով, որը կարող է արձագանքել տաք ջրի հետ՝ առաջացնելով ջրածնի գազ: Այսպիսով, մետաղական սկանդիումը, որը տեսնում եք նկարում, փակված է շշի մեջ և պաշտպանված է արգոն գազով, հակառակ դեպքում սկանդիումը արագ կձևավորի մուգ դեղին կամ մոխրագույն օքսիդի շերտ՝ կորցնելով իր փայլուն մետաղական փայլը:

Դիմումներ

Լուսավորության արդյունաբերություն

Սկանդիումի օգտագործումը կենտրոնացած է շատ վառ ուղղություններով, և չափազանցություն չէ այն անվանել Լույսի Որդի։ Սկանդիումի առաջին կախարդական զենքը կոչվում է սկանդիումի նատրիումի լամպ, որը կարող է օգտագործվել հազարավոր տնային տնտեսություններ լույս բերելու համար: Սա մետաղական հալոգենիկ է Էլեկտրական լույս. լամպը լցված է նատրիումի յոդիդով և սկանդիումի տրիիոդիդով, և միաժամանակ ավելացվում են սկանդիում և նատրիումի փայլաթիթեղ: Բարձր լարման լիցքաթափման ժամանակ սկանդիումի իոնները և նատրիումի իոնները համապատասխանաբար արձակում են իրենց բնորոշ արտանետման ալիքի երկարությամբ լույս: Նատրիումի սպեկտրալ գծերը 589.0 և 589.6 նմ են, երկու հայտնի դեղին լույսեր, մինչդեռ սկանդիումի սպեկտրալ գծերը 361.3-424.7 նմ են, մոտ ուլտրամանուշակագույն և կապույտ լույսի արտանետումների շարք: Քանի որ դրանք լրացնում են միմյանց, արտադրված ընդհանուր բաց գույնը սպիտակ լույսն է: Հենց այն պատճառով, որ սկանդիումի նատրիումի լամպերը ունեն բարձր լուսավորության արդյունավետություն, լավ լույսի գույն, էներգիայի խնայողություն, երկար սպասարկման ժամկետ և ուժեղ մառախուղը կոտրելու ունակություն, դրանք կարող են լայնորեն օգտագործվել հեռուստատեսային տեսախցիկների, հրապարակների, սպորտային վայրերի և ճանապարհների լուսավորության համար: և հայտնի են որպես երրորդ սերնդի լույսի աղբյուրներ: Չինաստանում այս տեսակի լամպերը աստիճանաբար տարածվում են որպես նոր տեխնոլոգիա, մինչդեռ որոշ զարգացած երկրներում լամպերի այս տեսակը լայնորեն կիրառվում էր դեռևս 1980-ականների սկզբին:

Սկանդիումի երկրորդ կախարդական զենքը արևային ֆոտովոլտային բջիջներն են, որոնք կարող են հավաքել գետնին ցրված լույսը և այն վերածել էլեկտրականության՝ մարդկային հասարակությանը քշելու համար: Սկանդիումը լավագույն պատնեշ մետաղն է մետաղական մեկուսիչ կիսահաղորդչային սիլիկոնային արևային բջիջներում և արևային բջիջներում:

Նրա երրորդ կախարդական զենքը կոչվում է γ A ճառագայթի աղբյուր, այս կախարդական զենքը կարող է ինքնուրույն փայլել պայծառ, բայց այս տեսակի լույսը չի կարող ընդունվել անզեն աչքով, դա բարձր էներգիայի ֆոտոնների հոսք է։ Մենք սովորաբար հանում ենք 45Sc հանքանյութերից, որը սկանդիումի միակ բնական իզոտոպն է: Յուրաքանչյուր 45Sc միջուկը պարունակում է 21 պրոտոն և 24 նեյտրոն: 46Sc-ը՝ արհեստական ​​ռադիոակտիվ իզոտոպ, կարող է օգտագործվել որպես γ Ճառագայթման աղբյուրներ կամ հետագծող ատոմները կարող են օգտագործվել նաև չարորակ ուռուցքների ռադիոթերապիայի համար։ Կան նաև այնպիսի ծրագրեր, ինչպիսիք են իտրիում գալիումի սկանդիումի նռնաքարային լազերը,Սկանդիումի ֆտորիդԱպակի ինֆրակարմիր Օպտիկական մանրաթել և սկանդիումով պատված կաթոդային խողովակ հեռուստացույցով: Թվում է, թե սկանդիումը ծնվում է պայծառությամբ։

Ալյումինե արդյունաբերություն

Սկանդիումը իր տարերային տեսքով լայնորեն օգտագործվել է ալյումինի համաձուլվածքների դոպինգի համար: Քանի դեռ մի քանի հազարերորդական սկանդիում կավելացվի ալյումինին, կձևավորվի նոր Al3Sc փուլ, որը կխաղա մետամորֆիզմի դերը ալյումինի համաձուլվածքում և կստիպի համաձուլվածքի կառուցվածքն ու հատկությունները զգալիորեն փոխվել: 0.2%~0.4% Sc ավելացնելով (որը իսկապես նման է տանը տապակած բանջարեղենին աղ ավելացնելու համամասնությանը, միայն մի քիչ անհրաժեշտ է) կարող է բարձրացնել խառնուրդի վերաբյուրեղացման ջերմաստիճանը 150-200 ℃-ով և զգալիորեն բարելավել բարձր - ջերմաստիճանի ուժ, կառուցվածքային կայունություն, եռակցման կատարում և կոռոզիոն դիմադրություն: Այն կարող է նաև խուսափել փխրունության երևույթից, որը հեշտ է առաջանալ բարձր ջերմաստիճանում երկարատև աշխատանքի ժամանակ: Բարձր ամրության և բարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածքը, նոր բարձր ամրության կոռոզիակայուն եռակցվող ալյումինե համաձուլվածքը, նոր բարձր ջերմաստիճանի ալյումինի համաձուլվածքը, բարձր ամրության նեյտրոնային ճառագայթման դիմացկուն ալյումինե համաձուլվածքը և այլն, ունեն զարգացման շատ գրավիչ հեռանկարներ օդատիեզերքում, ավիացիայում, նավերում, միջուկային ռեակտորներ, թեթև մեքենաներ և արագընթաց գնացքներ։

Scandium-ը նաև հիանալի փոփոխիչ է երկաթի համար, և սկանդիումի փոքր քանակությունը կարող է զգալիորեն բարելավել չուգունի ամրությունն ու կարծրությունը: Բացի այդ, սկանդիումը կարող է օգտագործվել նաև որպես հավելում բարձր ջերմաստիճան վոլֆրամի և քրոմի համաձուլվածքների համար։ Իհարկե, բացի ուրիշների համար հարսանյաց հագուստ պատրաստելուց, սկանդիան ունի բարձր հալման կետ և դրա խտությունը նման է ալյումինին, ինչպես նաև օգտագործվում է բարձր հալման ջերմաստիճանի թեթև համաձուլվածքներում, ինչպիսիք են սկանդիումի տիտանի խառնուրդը և սկանդիումի մագնեզիումի համաձուլվածքը: Այնուամենայնիվ, իր բարձր գնի պատճառով այն հիմնականում օգտագործվում է միայն բարձրակարգ արտադրական ոլորտներում, ինչպիսիք են տիեզերական մաքոքները և հրթիռները:

Կերամիկական նյութ

Սկանդիումը՝ մեկ նյութ, սովորաբար օգտագործվում է համաձուլվածքների մեջ, և դրա օքսիդները նման կերպ կարևոր դեր են խաղում կերամիկական նյութերում։ Քառանկյուն ցիրկոնի կերամիկական նյութը, որը կարող է օգտագործվել որպես էլեկտրոդային նյութ պինդ օքսիդ վառելիքի բջիջների համար, ունի եզակի հատկություն, որտեղ այս էլեկտրոլիտի հաղորդունակությունը մեծանում է շրջակա միջավայրում ջերմաստիճանի և թթվածնի կոնցենտրացիայի բարձրացմամբ: Այնուամենայնիվ, այս կերամիկական նյութի բյուրեղային կառուցվածքը ինքնին չի կարող կայուն գոյություն ունենալ և չունի արդյունաբերական արժեք. Անհրաժեշտ է դոպինգ անել որոշ նյութեր, որոնք կարող են ֆիքսել այս կառուցվածքը, որպեսզի պահպանի իր սկզբնական հատկությունները։ 6~10% սկանդիումի օքսիդ ավելացնելը նման է բետոնե կառուցվածքի, որպեսզի ցիրկոնիան կայունացվի քառակուսի վանդակի վրա:

Կան նաև ինժեներական կերամիկական նյութեր, ինչպիսիք են բարձր ամրության և բարձր ջերմաստիճանի դիմացկուն սիլիցիումի նիտրիդը՝ որպես խտացուցիչ և կայունացուցիչ:

Որպես խտացուցիչ՝Սկանդիումի օքսիդկարող է ձևավորել հրակայուն փուլ Sc2Si2O7 նուրբ մասնիկների եզրին, այդպիսով նվազեցնելով ինժեներական կերամիկայի բարձր ջերմաստիճանի դեֆորմացիան: Համեմատած այլ օքսիդների հետ, այն կարող է ավելի լավ բարելավել սիլիցիումի նիտրիդի բարձր ջերմաստիճանի մեխանիկական հատկությունները:

Կատալիտիկ քիմիա

Քիմիական ճարտարագիտության մեջ սկանդիումը հաճախ օգտագործվում է որպես կատալիզատոր, մինչդեռ Sc2O3-ը կարող է օգտագործվել էթանոլի կամ իզոպրոպանոլի ջրազրկման և դօքսիդացման, քացախաթթվի տարրալուծման և CO-ից և H2-ից էթիլենի արտադրության համար: Sc2O3 պարունակող Pt Al կատալիզատորը նաև կարևոր կատալիզատոր է նավթաքիմիական արդյունաբերության մեջ ծանր նավթի հիդրոգենացման և զտման գործընթացների համար: Կումենի նման կատալիտիկ ճեղքման ռեակցիաներում Sc-Y ցեոլիտ կատալիզատորի ակտիվությունը 1000 անգամ ավելի բարձր է, քան ալյումինի սիլիկատային կատալիզատորի ակտիվությունը; Համեմատած որոշ ավանդական կատալիզատորների հետ, սկանդիումի կատալիզատորների զարգացման հեռանկարները շատ վառ կլինեն:

Միջուկային էներգիայի արդյունաբերություն

Բարձր ջերմաստիճանի ռեակտորի միջուկային վառելիքում Sc2O3-ի ավելացումը UO2-ին կարող է խուսափել ցանցի փոխակերպումից, ծավալի ավելացումից և UO2-ի U3O8-ի փոխակերպման հետևանքով առաջացած ճաքերից:

Վառելիքի բջիջ

Նմանապես, նիկելային ալկալային մարտկոցներին 2,5-25% սկանդիում ավելացնելը կբարձրացնի դրանց ծառայության ժամկետը:

Գյուղատնտեսական բուծում

Գյուղատնտեսության մեջ սերմերը, ինչպիսիք են եգիպտացորենը, ճակնդեղը, սիսեռը, ցորենը և արևածաղիկը, կարող են մշակվել սկանդիումի սուլֆատով (կոնցենտրացիան ընդհանուր առմամբ 10-3~10-8 մոլ/լ է, տարբեր բույսեր կունենան տարբեր), և բողբոջումը խթանելու իրական ազդեցությունը: ձեռք է բերվել։ 8 ժամ հետո արմատների և բողբոջների չոր քաշն աճել է համապատասխանաբար 37% և 78% տնկիների համեմատ, սակայն մեխանիզմը դեռ ուսումնասիրության փուլում է:

Ատոմային զանգվածի տվյալների պարտքի վրա Նիլսենի ուշադրությունից մինչև այսօր, սկանդիումը մարդկանց տեսլականի մեջ է մտել ընդամենը հարյուր կամ քսան տարի, բայց գրեթե հարյուր տարի նստած է նստարանին: Միայն անցյալ դարի վերջին նյութագիտության բուռն զարգացումը նրան կենսունակություն բերեց: Այսօր հազվագյուտ երկրային տարրերը, այդ թվում՝ սկանդիումը, դարձել են նյութագիտության մեջ տաք աստղեր՝ խաղալով անընդհատ փոփոխվող դերեր հազարավոր համակարգերում, ամեն օր ավելի շատ հարմարավետություն բերելով մեր կյանքին և ստեղծելով տնտեսական արժեք, որն էլ ավելի դժվար է չափել: