Scandi, 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, erbi và các nguyên tố khác, với năng suất thấp và hàm lượng khoảng 0,0005% trong lớp vỏ. Scandi thường được sử dụng để làm thủy tinh đặc biệt và hợp kim nhẹ chịu nhiệt độ cao.
Hiện nay, trữ lượng scandium đã được chứng minh trên thế giới chỉ có 2 triệu tấn, trong đó 90~95% có trong quặng Bauxite, phosphorite và sắt titan, và một phần nhỏ trong quặng urani, thorium, vonfram và đất hiếm, chủ yếu 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 số liệu thống kê chưa đầy đủ, trữ lượng scandium ở Trung Quốc là khoảng 600.000 tấn, có trong các mỏ Bauxite và phosphorite, các mỏ vonfram mạch porphyry và thạch anh ở Nam Trung Quốc, các mỏ đất hiếm ở Nam Trung Quốc, mỏ quặng sắt đất hiếm Bayan Obo ở Nội Mông và mỏ magnetit titan vanadi Panzhihua ở Tứ Xuyên.
Do sự khan hiếm của scandium, giá của scandium cũng rất cao, và ở thời kỳ đỉnh cao, giá của scandium đã bị thổi phồng lên gấp 10 lần giá vàng. Mặc dù giá của scandium đã giảm, nhưng vẫn cao gấp bốn lần giá vàng!
Khám phá Lịch sử
Năm 1869, Mendeleev nhận thấy một khoảng cách về khối lượng nguyên tử giữa canxi (40) và titan (48), và dự đoán rằng cũng có một nguyên tố khối lượng nguyên tử trung gian chưa được phát hiện ở đây. Ông dự đoán rằng oxit của nó là X ₂ O Å. Scandium được Lars Frederik Nilson của Đại học Uppsala ở Thụy Điển phát hiện vào năm 1879. Ông đã khai thác nó từ mỏ vàng đen hiếm, một loại quặng phức tạp chứa 8 loại oxit kim loại. Ông đã khai thácErbi(III) oxittừ quặng vàng đen hiếm và thu đượcYtterbi(III) oxittừ oxit này, và có một oxit khác của nguyên tố nhẹ hơn, quang phổ của nó cho thấy nó là một kim loại chưa biết. Đây là kim loại được Mendeleev dự đoán, oxit của nó làSc₂O₃. Bản thân kim loại scandium được sản xuất từScandi cloruabằng phương pháp điện phân nóng chảy vào năm 1937.
Mendeleev
Cấu hình electron
Cấu hình electron: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Scandium là một kim loại chuyển tiếp mềm, màu trắng bạc, có nhiệt độ nóng chảy là 1541℃ và nhiệt độ sôi là 2831℃.
Trong một thời gian dài sau khi phát hiện ra nó, việc sử dụng scandium không được chứng minh do khó 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. Vì scandium có tính kiềm yếu hơn yttri và Lanthanide, nên hydroxide là yếu nhất, vì vậy khoáng chất hỗn hợp nguyên tố đất hiếm có chứa scandium sẽ được tách ra khỏi nguyên tố đất hiếm bằng phương pháp "kết tủa từng bước" khi scandium(III) hydroxide được xử lý bằng amoniac sau khi chuyển vào dung dịch. Phương pháp khác là tách scandium nitrate bằng cách phân hủy cực của nitrat. Vì scandium nitrate là dễ phân hủy nhất, nên scandium có thể được tách ra. Ngoài ra, việc thu hồi toàn diện scandium đi kèm từ urani, thori, 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 đồng nóng chảy với KCl và LiCl. Kẽm nóng chảy được sử dụng làm catốt để điện phân, khiến scandium kết tủa trên điện cực kẽm. Sau đó, kẽm được bốc hơi để thu được scandium kim loại. Đây là một kim loại màu trắng bạc nhẹ có tính chất hóa học rất hoạt động, có thể phản ứng với nước nóng để tạo ra khí hydro. Vì vậy, scandium kim loại mà bạn thấy trong hình được niêm phong trong một chai và được bảo vệ bằng khí argon, nếu không scandium sẽ nhanh chóng hình thành lớp oxit màu vàng sẫm hoặc xám, mất đi độ bóng kim loại.
Ứng dụng
Ngành công nghiệp chiếu sáng
Công dụng của scandium tập trung ở những hướng rất sáng, và không ngoa khi gọi nó là Con của Ánh sáng. Vũ khí ma thuật đầu tiên của scandium được gọi là đèn natri scandium, có thể được sử dụng để mang lại ánh sáng cho hàng ngàn hộ gia đình. Đây là đèn điện halogen kim loại: bóng đèn được đổ đầy Natri iodide và Scandium triiodide, đồng thời thêm lá scandium và natri. Trong quá trình phóng điện cao áp, các ion scandium 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 loại ánh sáng vàng nổi tiếng, trong khi các vạch quang phổ của scandium là 361,3 ~ 424,7 nm, một loạt các phát xạ ánh sáng cực tím và xanh lam gần. Vì chúng bổ sung cho nhau, nên màu sáng tổng thể được tạo ra là ánh sáng trắng. Chính vì đèn natri scandium có đặc điểm là hiệu suất phát sáng cao, màu sắc ánh sáng đẹp, tiết kiệm điện, tuổi thọ cao, khả năng phá sương mù mạnh nên có thể được sử dụng rộng rãi cho máy quay truyền hình, quảng trường, địa điểm thể thao, chiếu sáng đường bộ, 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 từ đầu những năm 1980.
Vũ khí ma thuật thứ hai của scandium là pin quang điện mặt trời, có thể thu thập ánh sáng phân tán trên mặt đất và biến nó thành điện để thúc đẩy xã hội loài người. Scandium là kim loại rào cản tốt nhất trong chất cách điện kim loại bán dẫn silicon pin mặt trời và pin mặt trời.
Vũ khí ma thuật thứ ba của nó được gọi là nguồn tia γ A, vũ khí ma thuật này có thể tự phát sáng rực rỡ, nhưng loại ánh sáng này không thể được mắt thường tiếp nhận, nó là luồng photon năng lượng cao. Chúng ta 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 yttrium gallium scandium garnet,Scandi 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.
Ngành công nghiệp hợp kim
Scandium ở dạng nguyên tố của nó đã được sử dụng rộng rãi để pha tạp hợp kim nhôm. Chỉ cần thêm một vài phần nghìn scandium vào nhôm, một pha Al3Sc mới sẽ được hình thành, đóng vai trò Biến chất trong hợp kim nhôm và làm cho cấu trúc và tính chất của hợp kim thay đổi đáng kể. Thêm 0,2% ~ 0,4% Sc (thực sự giống với tỷ lệ thêm muối vào rau xào ở nhà, chỉ cần một chút) có thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim thêm 150-200 ℃ và cải thiện đáng kể độ bền nhiệt độ cao, độ ổn định cấu trúc, hiệu suất hàn và khả năng chống ăn mòn. Nó cũng có thể tránh hiện tượng giòn dễ xảy ra trong quá trình làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao. Hợp kim nhôm có độ bền cao và độ dẻo dai cao, hợp kim nhôm 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 cũng có thể được sử dụng làm phụ gia cho hợp kim vonfram và crom chịu nhiệt độ cao. Tất nhiên, ngoài việc làm đồ cưới cho người khác, scandium có điểm nóng chảy cao và mật độ của nó tương tự như nhôm, và cũng được sử dụng trong các hợp kim nhẹ có điểm nóng chảy cao như hợp kim titan scandium và hợp kim magiê 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.
Vật liệu gốm
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 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 tính chất độc đáo là độ dẫn điện của chất điện phân này tăng lên khi nhiệt độ và nồng độ oxy trong môi trường tăng. Tuy nhiên, 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 thể cố định cấu trúc này để duy trì các tính chất ban đầu của nó. Thêm 6 ~ 10% oxit Scandium giống như một cấu trúc bê tông, do đó zirconia có thể được ổn định trên một mạng 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 ổn định.
Là một chất làm đặc,Scandi oxitcó thể hình thành pha chịu lửa Sc2Si2O7 ở rìa các hạt mịn, do đó làm giảm biến dạng nhiệt độ cao của gốm kỹ thuật. So với các oxit khác, nó có thể cải thiện tốt hơn các tính chất cơ học nhiệt độ cao của silicon nitride.
Hóa học 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 tách nước và khử oxy hóa etanol hoặc isopropanol, phân hủy axit axetic và sản xuất etylen từ CO và H2. Chất xúc tác Pt Al chứa Sc2O3 cũng là chất xúc tác quan trọng cho quá trình tinh chế và lọc hydro hóa dầu nặng trong ngành công nghiệp hóa dầu. Trong các phản ứng cracking xúc tác như Cumene, hoạt tính của chất xúc tác zeolit Sc-Y cao hơn 1000 lần so với chất xúc tác nhôm silicat; So với một số chất xúc tác truyền thống, triển vọng phát triển của chất xúc tác scandium sẽ rất tươi sáng.
Ngành công nghiệp 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 hiện tượng chuyển đổi mạng tinh thể, tăng thể tích và nứt do quá trình chuyển đổi UO2 thành U3O8.
Pin nhiên liệu
Tương tự như vậy, việc thêm 2,5% đến 25% scandium vào pin kiềm niken sẽ làm tăng tuổi thọ của pin.
Chăn nuôi nông nghiệp
Trong nông nghiệp, hạt giống như ngô, củ cải đường, đậu Hà Lan, lúa mì và hướng dương có thể được xử lý bằng Scandium sulfat (nồng độ thường là 10-3 ~ 10-8mol / L, các loại cây khác nhau sẽ khác nhau), và hiệu quả thúc đẩy nảy mầm thực tế đã đạt được. Sau 8 giờ, trọng lượng khô của rễ và chồi tăng lần lượt là 37% và 78% so với cây con, nhưng cơ chế vẫn đang được nghiên cứu.
Từ sự chú ý của Nielsen đến khoản nợ của dữ liệu khối lượng nguyên tử cho đến ngày nay, scandium đã đi vào tầm nhìn của mọi người chỉ trong một trăm hoặc hai mươi năm, nhưng nó đã gần như ngồi trên băng ghế dự bị trong một trăm năm. Phải đến khi khoa học vật liệu phát triển mạnh mẽ vào cuối thế kỷ trước, nó mới mang lại sức sống cho ông. Ngày nay, các nguyên tố đất hiếm, bao gồm cả scandium, đã trở thành những ngôi sao sáng trong khoa học vật liệu, đóng vai trò liên tục thay đổi trong hàng nghìn hệ thống, mang lại nhiều tiện lợi 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