Химический элемент - Скандий (стр. 1 из 3)
| Sc | 21 |
| 44,95591 | |
| [Ar]3d14s2 | |
| 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 элементовД. 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.
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, (tпл 1539 °С, tкип 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.
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)33-. 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).
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.