Скандий
Ска́ндий (лат. Scandium; обозначается символом Sc) — элемент 3-й группы, четвёртого периода периодической системы (по устаревшей классификации — главной подгруппы третьей группы, IIIA) с атомным номером 21. Как простое вещество скандий представляет собой переходный редкоземельный металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Относится к группе лёгких металлов.
| 21 | Скандий
|
| 3d14s2 | |
Существование скандия было предсказано Д. И. Менделеевым 11 декабря 1870 года, довольно точно описавшим металл, его свойства и давшим ему название «эка-бор» (по «старшему» аналогу в группе). Спустя девять лет предсказанный элемент был открыт в шведским химиком Ларсом Нильсоном, и назван в честь Скандинавии (лат. Scandia).
Скандий в определениях и коротких цитатах
правитьЭкабор в отдельности должен представлять металл… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в чётных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах…[1] | |
| — Дмитрий Менделеев, 1871 |
| — Анатолий Бетехтин, «Курс минералогии», 1951 |
Открытие галлия, скандия и германия было величайшим триумфом периодического закона <Д. И. Менделеева>.[3] | |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
Этот серебристый металл почти так же лёгок как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в сорок раз дороже золота. До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов Периодической системы.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
...скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
Сами за себя говорят названия таких химических элементов, как скандий или калифорний.[5] | |
| — Георгий Скарлато, «Удивительная планета Земля. География: тайны и открытия», 1997 |
Скандий в настоящее время используется как вольфрамоподобная присадка в алюминиевых бейсбольных битах и велосипедных рамах.[6] | |
| — Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010 |
| — Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010 |
Скандий в научной и научно-популярной литературе
правитьИттрий в земной коре известен как составная часть нескольких минералов. Хотя его и относят к группе бора вместе с лантаном, скандием и индием, однако он ближе всего стоит к редкоземельным металлам...[7] | |
| — Н. Я., «Иттрий в земной коре», 1923 |
Весьма показательно, что двухвалентный марганец в главной своей массе входит в состав минералов в виде изоморфной примеси к двухвалентным железу и кальцию, но зато четырехвалентный марганец всегда образует явно индивидуализированные соединения. Этим же объясняется, что такие элементы, как рубидий, скандий, галлий, гафний, индий, рений и др., обладающие низкими атомными кларками, в природе совершенно не образуют самостоятельных минералов, а находятся в рассеянном состоянии, присутствуя в виде изоморфной примеси к другим элементам.[2] | |
| — Анатолий Бетехтин, «Курс минералогии», 1951 |
Как мы знаем, ионные радиусы в вертикальных группах периодической системы элементов возрастают с увеличением порядкового номера и уменьшаются в горизонтальном направлении с увеличением номера группы (т. е. с увеличением валентности). На этом основании А. Е. Ферсманом выведен закон диагональных рядов изоморфных ионов в периодической системе элементов, справедливый для левой ее части. <...> Действительно, в природных соединениях мы нередко наблюдаем, что литиевые минералы, например, содержат изоморфные примеси магния, магниевые минералы ― примеси скандия, натриевые ― примеси кальция, кальциевые ― примеси иттрия и т. д.[2] | |
| — Анатолий Бетехтин, «Курс минералогии», 1951 |
Скандий, имеющий электронную конфигурацию [Ar]3d4s2, является аналогом алюминия, но проявляет значительно более осно́вные свойства. Во многих отношениях он напоминает иттрий и лантаниды, хотя за счёт меньшего радиуса ион скандия(III) (~0,7 A по сравнению с интервалом 0,85 — 1,06 для иттрия и лантанидов) заметно отличается от них.[8] | |
| — Коттон Ф., Уилкинсон Дж. «Современная неорганическая химия» (том третий), 1961 |
Этот серебристый металл почти так же лёгок как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в сорок раз дороже золота. До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов Периодической системы.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
Сравнительно чистый металлический скандий (94-98%) был получен лишь в 1937 году. <...> Почти полвека потратили ученые на выделение элемента №21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 0,0006%. Это значит, что его почти в три раза меньше, чем свинца, но в сто двадцать раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым. Наиболее богатый скандием минерал ― тортвейтит ― один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за сорок лет, с 1911 по 1952 год, на норвежских рудниках было добыто всего 23 килограмма тортвейтита.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
...в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
Получение металлического скандия из окисла ― не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее фтористым водородом или бифторидом аммония. Чтобы переход Sc2O3 в ScF3 был полным, реакцию проводят дважды. Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при температуре 850° и идет в атмосфере инертного газа ― аргона. Затем температура повышается до 1600°. Полученный металлический скандий и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нём ― от 3 до 5 процентов тантала. Последняя стадия очистки ― вакуумная дистилляция.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
Чем же ценен скандий? Прежде всего, он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с лёгкостью. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла ― 1539 градусов Цельсия. Удельный вес стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5-7,9 г/см3, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°, на 9° ниже, чем скандий). Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента №21. Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам, скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США и была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия многократно увеличивали её стоимость.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
Минерал тортвейтит Sc2Si2O7 ― единственный собственный минерал редкого элемента скандия. Но тортвейтит интересен и другим: это единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf4+ и Sc3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония.[9] | |
| — Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о гафнии и его соединениях», 1968 |
Скандий не имеет своих собственных минеральных источников, пригодных для промышленной разработки. Перспективный легирующий элемент для алюминиевых сплавов, он оказывает модифицирующее влияние на структуру слитков, способствует формированию субзернистой структуры в деформируемых полуфабрикатах. Легирование скандием привело к созданию алюминиевых сплавов с существенно более высокими характеристиками: удельной прочностью, свариваемостью, деформируемостью, что позволило внедрить в серийное производство крупногабаритные, геометрически сложные силовые штампосварные конструкции с минимальным полетным весом для ракетной и авиационной техники.[10] | |
| — Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003 |
Основные проблемы в применении сплавов со скандием в авиа-, судо-и автомобилестроении ― высокая стоимость алюминиевоскандиевой лигатуры и сплавов, хотя испытания образцов изделий из них, проведенные фирмами Ford и «АвтоВАЗ», показали хорошие результаты. Скандий при использовании его в осветительных приборах, лазерах, сплавах и ряде других случаев не имеет аналогов: только он обеспечивает кардинально новые потребительские качества там, где требуются изделия с высокими удельными прочностными характеристиками. Еще в СССР была разработана программа создания производства скандия и его лигатуры.[10] | |
| — Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003 |
Красные шламы составляют не менее половины объема поступающего на завод боксита. В то же время эти отходы представляют собой огромный источник многих ценных компонентов. Они содержат в своем составе железо ― до 40%, алюминий ― до 16%, кальций, кремний, титан, цирконий, ниобий, галлий и даже золото. Особый интерес представляют редкоземельные элементы ― скандий и иттрий. Содержание первого в К<расных>Ш<ламах> составляет 80-120 г/т., второго ― до 300-400 г/т.[11] | |
| — Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003 |
Оценивая состояние скандиевой продукции в России в целом, отметим, что как в России, так и в других странах СНГ в настоящее время нет реального переработчика бедного скандиевого сырья. Среди российских источников наиболее перспективны и экономически выгодны для извлечения скандия именно отходы глинозёмного производства. Шламы в результате применения методов физического обогащения позволяют получать концентрат с содержанием оксида скандия до 360 г/т, а дополнительное использование классификации и химической активации дает большее извлечение в концентрат, увеличивая содержание до 400 г/т. Для сравнения: эти показатели на порядок превышают содержание скандия в концентрате Западной Австралии по проекту, осуществляемому американской компанией Ashurst Technology с планируемым объемом выпуска оксида скандия 40 т/год.[10] | |
| — Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003 |
Скандий в публицистике и документальной литературе
править
Незадолго до этой дискуссии (в 1879 г.) был открыт ещё один из предсказанных Менделеевым элементов ― экабор, получивший название скандий (Л. Нильсон в Швеции). Вскоре (в 1886 г.) был обнаружен и третий, предсказанный Менделеевым элемент ― экасилиций, названный германием (К. Винклер в Саксонии). Все эти открытия явились блестящим торжеством периодического закона, который, наконец, завоевал общее признание, как основной закон химии.[12] | |
| — Сергей Погодин, «Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и его борьба за первенство русской науки», 1949 |
Большинство иностранных исследователей отнеслось вначале к закону Менделеева довольно скептически. Но ближайшее будущее показало, что гениальные предвидения Менделеева оправдались, что найденный им периодический закон действительно знаменует «открытие взаимной связи всех атомов в мироздании» (Н. Д. Зелинский). В 1875-1886 годах были открыты все три предсказанных Менделеевым элемента, названные галлием, скандием и германием. Их свойства точно совпали с теми характеристиками, которые им дал великий русский ученый. В дальнейшем подтвердились и все исправления атомных весов элементов, сделанные Менделеевым на основании периодического закона. [13] | |
| — Виталий Гольданский, «Основа науки о веществе», 1951 |
Открытие экабора произошло ещё при жизни Д. И. Менделеева, в 1879 году. Шведский химик Ларс Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора. В честь Скандинавии ― своей родины ― Нильсон назвал этот элемент скандием. Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделись этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей. <...> Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента № 21 ― скандия, было установление в 1884 году правильного атомного веса бериллия (совместно с шведским химиком С. О. Петерсоном).[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
В последние годы важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд. О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в сороковых годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.[4] | |
| — Владимир Станцо, «Скандий», 1965 |
| — Геннадий Диогенов, «Литий», 1969 |
Элемент лютеций назван в честь Парижа (латинское название “Лютеция”), а магний ― от греческого города Магнезия. Сами за себя говорят названия таких химических элементов, как скандий или калифорний.[5] | |
| — Георгий Скарлато, «Удивительная планета Земля. География: тайны и открытия», 1997 |
Три четверти всех элементов являются металлами, но, если не считать алюминия, железа и некоторых других, большинство из них до Второй мировой войны считались лишь бесполезными значками в периодической системе. <...> Но примерно с 1950 года почти все металлы нашли свое место. <...> Скандий в настоящее время используется как вольфрамоподобная присадка в алюминиевых бейсбольных битах и велосипедных рамах. В Советском Союзе в 1980-е годы скандий применялся в производстве лёгких вертолётов. Говорят даже, что он входил в состав наконечников советских межконтинентальных баллистических ракет, спрятанных глубоко в Арктике. Оснащённые таким образом боеголовки легко пробивали бы толстые слои льда.[6] | |
| — Сэм Кин, «Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева», 2010 |
Скандий в мемуарах и художественной прозе
править| — Александр Ферсман, «Воспоминания о камне», 1940 |
Вечером зашел Володя Краснокутский. Выглядит он неплохо, но значительно располнел. Работает в Воркуте. В этом районе богатейшие россыпные м<есторожден>ия титано-магнетита (ильменит, рутил), большие перспективы по скандию, неважные по алмазам, оптическому сырью и меди и не особенно высокие по золоту.[16] | |
| — Борис Вронский, Дневник, 1961 |
Знакомство с Верой Михайловной <Инбер> давало мне возможность своевременно узнавать о предстоящих выступлениях Троцкого на различных вечерах, собраниях, митингах. А однажды тогдашний супруг ее, видный учёный-химик профессор Фрумкин провёл меня на собрание деятелей химической науки, где выступал Троцкий. С удивившей меня неожиданной эрудицией он ярко и образно говорил о пополнении таблицы Менделеева новыми элементами: скандием, галлием и германием. Запомнилась мне и произнесенная им красивая сентенция: «Практика без науки слепа, наука без практики бесплодна».[17] | |
| — Борис Ефимов, «Десять десятилетий», 2000 |
| — Андрей Измайлов, «Трюкач», 2001 |
Источники
править- ↑ Менделеев Д. И. Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов. — СПб.: Журнал Русского химического общества. — 1871 г. — Т. III. — С. 25—56
- ↑ 1 2 3 А.Г.Бетехтин, «Курс минералогии». — М.: Государственное издательство геологической литературы, 1951 год
- ↑ Н. Л. Глинка. Общая химия: Учебное пособие для вузов (под. ред. В.А.Рабиновича, издание 16-е, исправленное и дополненное). ― Л.: Химия, 1973 г. ― 720 стр.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 В. В. Станцо. «Скандий». — М.: «Химия и жизнь», № 7-8, 1965 г.
- ↑ 1 2 Г. П. Скарлато, «Удивительная планета Земля. География: тайны и открытия», — Москва. Прибой. 1997 г.
- ↑ 1 2 3 Сэм Кин. Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева. — М.: Эксмо, 2015 г. — 464 с.
- ↑ Н. Я.. Иттрий в земной коре. — М.: «Природа», № 1-6, 1923 г.
- ↑ Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия, часть 2 (пер. с англ.: Иванова Е.К., Прохорова Г.В., Чуранов С.С. Под ред.: Астахов К.В.) — М.: Мир, 1969 г.
- ↑ Борис Горзев. Что вы знаете и чего не знаете о гафнии и его соединениях (редакционная колонка). — М.: «Химия и жизнь», № 8, 1968 год
- ↑ 1 2 3 Лазарь Рохлин. Техногенная реальность ― беда или надежда? — М.: «Металлы Евразии», 3 ноября 2003 г.
- ↑ Ошибка цитирования Неверный тег
<ref>; для сносокреалне указан текст - ↑ С. А. Погодин. Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и его борьба за первенство русской науки. — М.: «Химия и жизнь», № 3, 1949 г.
- ↑ В. И. Гольданский, Основа науки о веществе. ― М.: «Наука и жизнь», № 9, 1951 г.
- ↑ Г. Диогенов. «Литий». — М.: «Химия и жизнь», № 3, 1969 г.
- ↑ А.Е.Ферсман. «Воспоминания о камне». — М.: Издательство Академии Наук СССР, 1958 г.
- ↑ Вронский Б. И. По таёжным тропам: Записки геолога. — Магадан: Кн. изд-во, 1960 г.
- ↑ Борис Ефимов. «Десять десятилетий». О том, что видел, пережил, запомнил. — М.: Вагриус, 2000 г. — 636 c. — ISBN 5-264-00438-2
- ↑ Андрей Измайлов. Трюкач. — М.: Вагриус, 2001 г.
