Скандий

химичен елемент с атомен номер 21

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.

Скандий
Скандий – сребристобял метал
Скандий – сребристобял метал
Сребристобял метал
Спектрални линии на скандий
Спектрални линии на скандий
КалцийСкандийТитан


Sc

Y
Периодична система
Общи данни
Име, символ, ZСкандий, Sc, 21
Група, период, блок3, 4, d
Химическа серияпреходен метал
Електронна конфигурация[Ar] 3d1 4s2
e- на енергийно ниво2, 8, 9, 2
CAS номер7440-20-2
Свойства на атома
Атомна маса44,955910 u
Атомен радиус (изч.)160 (162) pm
Ковалентен радиус170±7 pm
Радиус на ван дер Ваалс211 pm
Степен на окисление3, 2[1], 1[2]
ОксидSc2O3 (амфотерен)[3]
Електроотрицателност
(Скала на Полинг)
1,36
Йонизационна енергияI: 633,1 kJ/mol
II: 1235 kJ/mol
III: 2388,6 kJ/mol
(още)
Физични свойства
Агрегатно състояниетвърдо вещество
Кристална структурашестоъгълна плътно опакована
Плътност2985 kg/m3
Температура на топене1814 K (1541 °C)
Температура на кипене3109 K (2836 °C)
Моларен обем15×10-6 m3/mol
Специф. топлина на топене14,1 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение332,7 kJ/mol
Налягане на парата
P (Pa)110102103104105
T (K)164518042006226626133101
Специф. топл. капацитет568 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост1,77×106 S/m
Специф. ел. съпротивление0,562 Ω.mm2/m
Топлопроводимост15,8 W/(m·K)
Магнетизъмпарамагнитен[4]
Модул на еластичност74,4 GPa
Модул на срязване29,1 GPa
Модул на свиваемост56,6 GPa
Коефициент на Поасон0,279
Твърдост по Бринел736 – 1200 MPa
История
Наименуванна Скандинавия
ОткритиеЛарс Фредрик Нилсон (1879 г.)
Най-дълготрайни изотопи
ИзотопИРППТРПР
44m2Scсинт.58,61 ч.ИП44Sc
γ
ε44Ca
45Sc100 %стабилен
46Scсинт.83,79 дниβ-46Ti
γ
47Scсинт.80,38 дниβ-47Ti
γ
48Scсинт.43,67 ч.β-48Ti
γ

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.

Историяредактиране

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]

Свойстваредактиране

Химичниредактиране

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]

Изотопиредактиране

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]

Наличиередактиране

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-ият най-често срещан елемент на Земята (35-и в земната кора) и е 23-тият 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]

Съединенияредактиране

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)
AlScYLaLu
53,574,590,0103,286,1

Оксиди и хидроксидиредактиране

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

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 псевдохалидиредактиране

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 съединенияредактиране

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 окислениередактиране

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]

Получаванередактиране

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 случаи, 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 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.

Употребаредактиране

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 роляредактиране

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 същоредактиране

Източнициредактиране

  1. McGuire, Joseph C. Preparation and Properties of Scandium Dihydride // Journal of Chemical Physics 33. 1960. DOI:10.1063/1.1731452. p. 1584 – 1585. (на английски)
  2. 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. p. 113 – 127. (на английски)
  3. Cotton, Simon. Lanthanide and actinide chemistry. John Wiley and Sons, 2006. ISBN 978-0-470-01006-8. p. 108. (на английски)
  4. 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. (на английски)
  5. ((en)) IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
  6. Nilson, Lars Fredrik. Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac // Comptes Rendus 88. 1879. p. 642 – 647. (на френски)
  7. Nilson, Lars Fredrik. Ueber Scandium, ein neues Erdmetall // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 12 (1). 1879. DOI:10.1002/cber.187901201157. S. 554 – 557. (на немски)
  8. Fischer, Werner. Über das metallische Scandium // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 231 (1 – 2). 1937. DOI:10.1002/zaac.19372310107. S. 54 – 62. (на немски)
  9. ((en)) Burrell, A. Willey Lower „Aluminum scandium alloy“ Щатски патент 3 619 181 издаден на 9.11.1971 г.
  10. 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. p. 246. (на английски)
  11. ((en)) "Scandium." Los Alamos National Laboratory.
  12. а б Audi, Georges et al. 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. p. 3 – 128. (на английски)
  13. Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, CRC Press, 2004. ISBN 978-0-8493-0485-9. p. 4 – 28. (на английски)
  14. 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. (на английски)
  15. а б Kristiansen, Roy. Scandium – Mineraler I Norge // Stein. 2003. с. 14 – 23. (на норвежки)
  16. von Knorring, O. Mineralized pegmatites in Africa // Geological Journal 22. 1987. DOI:10.1002/gj.3350220619. p. 253. (на английски)
  17. Cameron, A.G.W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis // CRL-41. 1957. (на английски)
  18. 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. p. 1121 – 126. (на английски)
  19. 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. p. 4623. (на английски)
  20. Corbett, J. D. Extended metal-metal bonding in halides of the early transition metals // Acc. Chem. Res. 14 (8). 1981. DOI:10.1021/ar00068a003. p. 239 – 246. (на английски)
  21. ((en)) Holleman, A. F.; Wiberg, E. „Inorganic Chemistry“ Academic Press: San Diego, 2001.
  22. 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. p. 7630 – 7631. (на английски)
  23. F. Geoffrey N. Cloke. η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II) // J. Chem. Soc., Chem. Commun. (19). 1991. DOI:10.1039/C39910001372. p. 1372 – 1373. (на английски)
  24. Ana Mirela Neculai. Stabilization of a Diamagnetic ScIBr Molecule in a Sandwich-Like Structure // Organometallics 21 (13). 2002. DOI:10.1021/om020090b. p. 2590 – 2592. (на английски)
  25. 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. p. 797 – 798. (на английски)
  26. Deschamps, Y. Scandium // mineralinfo.com. Архивиран от оригинала на 2012-03-24. Посетен на 2018-01-22. (на английски)
  27. а б Mineral Commodity Summaries 2015: Scandium // United States Geological Survey. (на английски)
  28. ((en)) Scandium. USGS.
  29. а б Ahmad, Zaki. The properties and application of scandium-reinforced aluminum // JOM 55 (2). 2003. DOI:10.1007/s11837-003-0224-6. p. 35. (на английски)
  30. Schwarz, James A. Dekker encyclopédia of nanoscience and nanotechnology. Т. 3. CRC Press, 2004. ISBN 0-8247-5049-7. p. 2274. (на английски)
  31. 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. p. 61. (на английски)
  32. Easton Technology Report: Materials / Scandium // EastonBike.com. (на английски)
  33. History of Laser Dentistry // Lasers in Dermatology and Medicine. 9 ноември 2011. ISBN 978-0-85729-280-3. p. 464 – 465. (на английски)
  34. Simpson, Robert S. Lighting Control: Technology and Applications. Focal Press, 2003. ISBN 978-0-240-51566-3. p. 108. (на английски)
  35. Kobayashi, Shu. Green Lewis acid catalysis in organic synthesis // Pure Appl. Chem. 72 (7). 2000. DOI:10.1351/pac200072071373. p. 1373 – 1380. (на английски)
  36. Horovitz, Chaim T. Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer, 1999. ISBN 978-0-306-45657-2. (на английски)
  37. Haley, Thomas J. Pharmacology and toxicology of scandium chloride // Journal of Pharmaceutical Sciences 51 (11). 1962. DOI:10.1002/jps.2600511107. p. 1043 – 1045. (на английски)
  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, за да видите списъка на съавторите. ​

ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.​

🔥 Top keywords: Начална страницаФейсбукЛятно часово времеЧихуахуа (куче)Иван Андонов (режисьор)Специални:ТърсенеУран (планета)БалтиморБодичекСписък на страните по телефонен кодМера според мера (1981)БългарияДейвид КопърфийлдВтора световна войнаТошко ЙордановЛеда ТасеваСпасителят в ръжтаHell's Kitchen БългарияШенгенско пространствоЕргенътВеликденСкарлатинаЕвропейско първенство по футбол 2024София27 мартКоклюшРегистрационен номер на МПС (България)Параграф 22РусияЗлатно момчеХристо БотевГригор ДимитровСпециални:Последни промениАдам и ЕваЮтюбСлънчева системаБаба ганушOxford University PressНептун (планета)Дан КоловИван ВазовТаджикистанВладимир ЗомбориПърва световна войнаВасил ЛевскиЮгославияЗодиакКоринтски каналDancing StarsСтив ДжобсЕвропейски съюзКомбучаМаршалПловдивГрузияСъботскоЮлий ЦезарВиктор АнгеловКитайМона ЛизаЗвездаАтанас Атанасов (политик, р. 1959 г.)АзияБягство към победатаТурцияЯпонияЦеци КрасимироваКубрат ПулевАприлско въстаниеТруд (село)ЗемяРепублика СръбскаХилда КазасянМарицаБалканска войнаБългарска азбукаСъединени американски щатиПетата болестРамазан байрамВина (сериал)Балтимор (окръг, Мериленд)Мария ГабриелМеждусъюзническа войнаВарнаРазмери на хартиятаМеркурий (планета)Босна и ХерцеговинаКриптонитМета (компания)МалтаРадио Свободна ЕвропаИван Асен IIУкрайнаХристо СмирненскиМария КаварджиковаРая НазарянАлеко КонстантиновНиколай ДенковСърбия