Skẹo, với ký hiệu nguyên tố Sc và số nguyên tử là 21, dễ tan trong nước, có thể tương tác với nước nóng và dễ bị sẫm màu trong không khí. Hóa trị chính của nó là +3. Nó thường được trộn với gadolinium, erbium và các nguyên tố khác, với hiệu suất thấp và hàm lượng khoảng 0,0005% trong lớp vỏ. Scandium thường được sử dụng để chế tạo thủy tinh đặc biệt và các hợp kim nhẹ ở nhiệt độ cao.
Hiện tại, trữ lượng scandium đã được chứng minh trên thế giới chỉ có 2 triệu tấn, 90 ~ 95% trong số đó được chứa trong quặng Bauxite, photphorite và sắt titan, và một phần nhỏ trong quặng uranium, thorium, vonfram và đất hiếm, chủ yếu là phân bố ở Nga, Trung Quốc, Tajikistan, Madagascar, Na Uy và các nước khác. Trung Quốc rất giàu tài nguyên scandium, với trữ lượng khoáng sản khổng lồ liên quan đến scandium. Theo thống kê chưa đầy đủ, trữ lượng scandium ở Trung Quốc khoảng 600.000 tấn, được chứa trong các mỏ Bauxite và photphorit, các mỏ vonfram tĩnh mạch porphyr và thạch anh ở Nam Trung Quốc, các mỏ đất hiếm ở Nam Trung Quốc, các mỏ quặng sắt đất hiếm Bayan Obo ở Nội Mông và mỏ magnetite titan vanadi Panzhihua ở Tứ Xuyên.
Do khan hiếm scandium nên giá scandium cũng rất cao, có thời điểm đỉnh điểm giá scandium bị thổi phồng lên gấp 10 lần giá vàng. Mặc dù giá scandium đã giảm nhưng nó vẫn cao gấp bốn lần giá vàng!
Khám phá lịch sử
Năm 1869, Mendeleev nhận thấy khoảng cách về khối lượng nguyên tử giữa canxi (40) và titan (48), và dự đoán rằng ở đây cũng có một nguyên tố khối lượng nguyên tử trung gian chưa được khám phá. Ông dự đoán rằng oxit của nó là X ₂ O Å. Scandium được phát hiện vào năm 1879 bởi Lars Frederik Nilson thuộc Đại học Uppsala ở Thụy Điển. Ông đã khai thác nó từ mỏ vàng hiếm đen, một loại quặng phức tạp chứa 8 loại oxit kim loại. Anh ấy đã rút raErbi(III) oxittừ quặng vàng hiếm đen và thu đượcYtterbi(III) oxittừ oxit này, và có một oxit khác của nguyên tố nhẹ hơn, quang phổ cho thấy nó là một kim loại chưa biết. Đây là kim loại được Mendeleev dự đoán, có oxitSc₂O₃. Bản thân kim loại scandium được sản xuất từScandi cloruabằng phương pháp nấu chảy điện phân vào năm 1937.
Mendeleev
cấu hình electron
Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Scandium là kim loại chuyển tiếp mềm, màu trắng bạc, có nhiệt độ nóng chảy là 1541oC và nhiệt độ sôi là 2831oC.
Trong một khoảng thời gian đáng kể sau khi được phát hiện, việc sử dụng scandium đã không được chứng minh do khó khăn trong sản xuất. Với sự cải tiến ngày càng tăng của các phương pháp tách nguyên tố đất hiếm, hiện nay đã có một quy trình hoàn thiện để tinh chế các hợp chất scandium. Do scandium có tính kiềm kém hơn yttrium và Lanthanide nên hydroxit yếu nhất nên nguyên tố đất hiếm hỗn hợp khoáng chất chứa scandium sẽ được tách ra khỏi nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp “kết tủa từng bước” khi Scandium(III) hydroxit được xử lý bằng amoniac sau được chuyển vào dung dịch. Phương pháp khác là tách Scandium nitrat bằng cách phân hủy cực của nitrat. Vì scandium nitrat dễ phân hủy nhất nên scandium có thể được tách ra. Ngoài ra, việc thu hồi toàn diện scandium đi kèm từ uranium, thorium, vonfram, thiếc và các mỏ khoáng sản khác cũng là một nguồn scandium quan trọng.
Sau khi thu được hợp chất scandium tinh khiết, nó được chuyển thành ScCl Å và nấu chảy với KCl và LiCl. Kẽm nóng chảy được sử dụng làm cực âm cho quá trình điện phân, khiến scandium kết tủa trên điện cực kẽm. Sau đó, kẽm được làm bay hơi để thu được scandium kim loại. Đây là kim loại nhẹ màu trắng bạc, có tính chất hóa học rất tích cực, có thể phản ứng với nước nóng tạo ra khí hydro. Vì vậy scandium kim loại mà bạn nhìn thấy trong hình được đậy kín trong chai và bảo vệ bằng khí argon, nếu không scandium sẽ nhanh chóng tạo thành lớp oxit màu vàng đậm hoặc xám, mất đi độ bóng kim loại sáng bóng.
Ứng dụng
Công nghiệp chiếu sáng
Công dụng của scandium tập trung vào những hướng rất tươi sáng và không quá lời khi gọi nó là Con trai của ánh sáng. Vũ khí thần kỳ đầu tiên của scandium được gọi là đèn natri scandium, có thể dùng để mang lại ánh sáng cho hàng nghìn hộ gia đình. Đây là đèn halogen kim loại Đèn điện: bóng đèn chứa đầy Natri iodide và Scandium triiodide, đồng thời thêm scandium và lá natri. Trong quá trình phóng điện ở điện áp cao, các ion scandi và ion natri lần lượt phát ra ánh sáng có bước sóng phát xạ đặc trưng của chúng. Các vạch quang phổ của natri là 589,0 và 589,6 nm, hai ánh sáng màu vàng nổi tiếng, trong khi các vạch quang phổ của scandium là 361,3 ~ 424,7 nm, một loạt phát xạ ánh sáng gần tia cực tím và xanh lam. Vì chúng bổ sung cho nhau nên màu ánh sáng tổng thể được tạo ra là ánh sáng trắng. Chính vì đèn natri scandium có đặc tính hiệu suất phát sáng cao, màu sắc ánh sáng tốt, tiết kiệm điện, tuổi thọ cao và khả năng phá sương mù mạnh nên chúng có thể được sử dụng rộng rãi cho camera truyền hình, quảng trường, địa điểm thể thao và chiếu sáng đường phố, và được gọi là nguồn sáng thế hệ thứ ba. Ở Trung Quốc, loại đèn này đang dần được quảng bá như một công nghệ mới, trong khi ở một số nước phát triển, loại đèn này đã được sử dụng rộng rãi ngay từ đầu những năm 1980.
Vũ khí ma thuật thứ hai của scandium là tế bào quang điện mặt trời, có thể thu thập ánh sáng rải rác trên mặt đất và biến nó thành điện năng để thúc đẩy xã hội loài người. Scandium là rào cản kim loại tốt nhất trong pin mặt trời silicon bán dẫn cách điện bằng kim loại và pin mặt trời.
Thứ ba ma khí của nó tên là γ Nguồn tia, ma khí này có thể tự mình tỏa sáng rực rỡ, nhưng loại ánh sáng này mắt thường không thể tiếp nhận được, nó là dòng photon năng lượng cao. Chúng tôi thường chiết xuất 45Sc từ khoáng chất, đây là đồng vị tự nhiên duy nhất của scandium. Mỗi hạt nhân 45Sc chứa 21 proton và 24 neutron. 46Sc, một đồng vị phóng xạ nhân tạo, có thể được sử dụng làm nguồn bức xạ γ hoặc nguyên tử đánh dấu cũng có thể được sử dụng để xạ trị các khối u ác tính. Ngoài ra còn có các ứng dụng như laser garnet yttrium gallium scandium,Scandium floruaSợi quang hồng ngoại thủy tinh và ống tia âm cực phủ scandium trên tivi. Có vẻ như scandium được sinh ra với độ sáng.
Công nghiệp hợp kim
Scandium ở dạng nguyên tố đã được sử dụng rộng rãi để pha tạp hợp kim nhôm. Chỉ cần thêm vài phần nghìn scandium vào nhôm, một pha Al3Sc mới sẽ được hình thành, pha này sẽ đóng vai trò Biến chất trong hợp kim nhôm và làm cho cấu trúc cũng như tính chất của hợp kim thay đổi đáng kể. Thêm 0,2% ~ 0,4% Sc (thực sự giống với tỷ lệ thêm muối để xào rau củ tại nhà, chỉ cần một chút) có thể tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim lên 150-200oC, và cải thiện đáng kể độ cao -độ bền nhiệt độ, độ ổn định cấu trúc, hiệu suất hàn và khả năng chống ăn mòn. Nó cũng có thể tránh được hiện tượng giòn dễ xảy ra khi làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao. Hợp kim nhôm có độ bền cao và độ bền cao, hợp kim nhôm có thể hàn chống ăn mòn cường độ cao mới, hợp kim nhôm nhiệt độ cao mới, hợp kim nhôm chống bức xạ neutron cường độ cao, v.v., có triển vọng phát triển rất hấp dẫn trong ngành hàng không vũ trụ, hàng không, tàu thủy, lò phản ứng hạt nhân, xe hạng nhẹ và tàu cao tốc.
Scandium cũng là một chất biến tính tuyệt vời cho sắt và một lượng nhỏ scandium có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của gang. Ngoài ra, scandium còn có thể được sử dụng làm chất phụ gia cho hợp kim vonfram và crom ở nhiệt độ cao. Tất nhiên, ngoài việc làm quần áo cưới cho người khác, scandium còn có điểm nóng chảy cao và mật độ của nó tương tự như nhôm, đồng thời cũng được sử dụng trong các hợp kim nhẹ có điểm nóng chảy cao như hợp kim titan scandium và hợp kim magie scandium. Tuy nhiên, do giá thành cao nên nó thường chỉ được sử dụng trong các ngành sản xuất cao cấp như tàu con thoi và tên lửa.
Chất liệu gốm sứ
Scandium, một chất đơn lẻ, thường được sử dụng trong hợp kim và các oxit của nó đóng vai trò quan trọng trong vật liệu gốm sứ theo cách tương tự. Vật liệu gốm zirconia tứ giác, có thể được sử dụng làm vật liệu điện cực cho pin nhiên liệu oxit rắn, có một đặc tính độc đáo là độ dẫn của chất điện phân này tăng lên khi nhiệt độ và nồng độ oxy trong môi trường tăng lên. Tuy nhiên, bản thân cấu trúc tinh thể của vật liệu gốm này không thể tồn tại ổn định và không có giá trị công nghiệp; Cần phải pha tạp một số chất có khả năng cố định cấu trúc này để duy trì tính chất ban đầu của nó. Việc thêm 6~10% oxit Scandium giống như một cấu trúc bê tông, do đó zirconia có thể được ổn định trên một mạng hình vuông.
Ngoài ra còn có các vật liệu gốm kỹ thuật như silicon nitride có độ bền cao và chịu nhiệt độ cao làm chất làm đặc và chất ổn định.
Là một chất làm đặc,Scandium oxitcó thể tạo thành pha chịu lửa Sc2Si2O7 ở rìa của các hạt mịn, do đó làm giảm sự biến dạng ở nhiệt độ cao của gốm kỹ thuật. So với các oxit khác, nó có thể cải thiện tốt hơn các tính chất cơ học ở nhiệt độ cao của silicon nitride.
Hóa chất xúc tác
Trong kỹ thuật hóa học, scandium thường được sử dụng làm chất xúc tác, trong khi Sc2O3 có thể được sử dụng để khử nước và khử oxy hóa ethanol hoặc isopropanol, phân hủy axit axetic và sản xuất ethylene từ CO và H2. Chất xúc tác Pt Al chứa Sc2O3 cũng là chất xúc tác quan trọng cho quá trình tinh chế và tinh chế hydro hóa dầu nặng trong ngành hóa dầu. Trong các phản ứng Cracking xúc tác như Cumene, hoạt tính của xúc tác zeolit Sc-Y cao gấp 1000 lần so với xúc tác nhôm silicat; So với một số chất xúc tác truyền thống, triển vọng phát triển của chất xúc tác scandium sẽ rất sáng sủa.
Ngành năng lượng hạt nhân
Việc thêm một lượng nhỏ Sc2O3 vào UO2 trong nhiên liệu hạt nhân của lò phản ứng nhiệt độ cao có thể tránh được sự biến đổi mạng tinh thể, tăng thể tích và nứt do chuyển đổi UO2 thành U3O8.
Pin nhiên liệu
Tương tự, việc thêm 2,5% đến 25% scandium vào pin kiềm niken sẽ làm tăng tuổi thọ của chúng.
Chăn nuôi nông nghiệp
Trong nông nghiệp, các loại hạt như ngô, củ cải đường, đậu Hà Lan, lúa mì và hướng dương có thể được xử lý bằng Scandium sulfate (nồng độ thường là 10-3 ~ 10-8mol/L, các loại cây khác nhau sẽ có khác nhau) và tác dụng thực tế của việc thúc đẩy sự nảy mầm đã đạt được. Sau 8 giờ, trọng lượng khô của rễ và chồi tăng lần lượt là 37% và 78% so với cây con, tuy nhiên cơ chế này vẫn đang được nghiên cứu.
Từ sự chú ý của Nielsen đến món nợ dữ liệu khối lượng nguyên tử cho đến ngày nay, scandium mới đi vào tầm nhìn của mọi người chỉ một trăm hai mươi năm, nhưng nó gần như đã ngồi trên ghế dự bị suốt cả trăm năm. Phải đến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học vật chất vào cuối thế kỷ trước nó mới mang lại sức sống cho ông. Ngày nay, các nguyên tố đất hiếm, trong đó có scandium, đã trở thành ngôi sao nóng trong khoa học vật liệu, đóng vai trò luôn thay đổi trong hàng nghìn hệ thống, mang lại nhiều tiện ích hơn cho cuộc sống của chúng ta mỗi ngày và tạo ra giá trị kinh tế thậm chí còn khó đo lường hơn.
Thời gian đăng: 29/06/2023