Scandio, con símbolo de elemento Sc y número atómico de 21, es fácilmente soluble en agua, puede interactuar con agua caliente y se oscurece fácilmente en el aire. Su valencia principal es +3. A menudo se mezcla con gadolinio, erbio y otros elementos, con un rendimiento bajo y un contenido aproximado del 0,0005% en la corteza. El escandio se utiliza a menudo para fabricar vidrio especial y aleaciones ligeras de alta temperatura.
En la actualidad, las reservas probadas de escandio en el mundo son sólo de 2 millones de toneladas, de las cuales el 90-95% están contenidas en minerales de bauxita, fosforita y hierro-titanio, y una pequeña parte en minerales de uranio, torio, tungsteno y tierras raras, principalmente Distribuido en Rusia, China, Tayikistán, Madagascar, Noruega y otros países. China es muy rica en recursos de escandio, con enormes reservas minerales relacionadas con el escandio. Según estadísticas incompletas, las reservas de escandio en China ascienden a unas 600.000 toneladas, que se encuentran en depósitos de bauxita y fosforita, depósitos de pórfido y vetas de tungsteno de cuarzo en el sur de China, depósitos de tierras raras en el sur de China, depósitos de mineral de hierro de tierras raras de Bayan Obo en Mongolia Interior y depósito de magnetita de titanio y vanadio Panzhihua en Sichuan.
Debido a la escasez de escandio, el precio del escandio también es muy alto y, en su punto máximo, el precio del escandio se infló hasta 10 veces el precio del oro. Aunque el precio del escandio ha caído, ¡sigue siendo cuatro veces el precio del oro!
Descubriendo la historia
En 1869, Mendeleev notó una brecha en la masa atómica entre el calcio (40) y el titanio (48), y predijo que aquí también había un elemento de masa atómica intermedia no descubierto. Predijo que su óxido es X ₂ O Å. El escandio fue descubierto en 1879 por Lars Frederik Nilson de la Universidad de Uppsala en Suecia. Lo extrajo de la mina de oro negro raro, un mineral complejo que contiene 8 tipos de óxidos metálicos. el ha extraidoÓxido de erbio (III)de mineral de oro raro negro, y obtenidoÓxido de iterbio (III)de este óxido, y hay otro óxido de elemento más ligero, cuyo espectro muestra que es un metal desconocido. Este es el metal predicho por Mendeleev, cuyo óxido esSc₂O₃. El metal escandio en sí fue producido a partir deCloruro de escandiopor fusión electrolítica en 1937.
Mendeleev
configuración electrónica
Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
El escandio es un metal de transición blando, de color blanco plateado, con un punto de fusión de 1541 ℃ y un punto de ebullición de 2831 ℃.
Durante un período de tiempo considerable después de su descubrimiento, el uso del escandio no fue demostrado debido a su dificultad de producción. Con la mejora cada vez mayor de los métodos de separación de elementos de tierras raras, ahora existe un flujo de proceso maduro para purificar compuestos de escandio. Debido a que el escandio es menos alcalino que el itrio y el lantánido, el hidróxido es el más débil, por lo que el mineral mixto de elementos de tierras raras que contiene escandio se separará del elemento de tierras raras mediante el método de "precipitación escalonada" cuando el hidróxido de escandio (III) se trata con amoníaco después. siendo transferido a la solución. El otro método consiste en separar el nitrato de escandio mediante descomposición polar del nitrato. Debido a que el nitrato de escandio es el más fácil de descomponer, el escandio se puede separar. Además, la recuperación integral del escandio que lo acompaña a partir de depósitos de uranio, torio, tungsteno, estaño y otros minerales también es una fuente importante de escandio.
Después de obtener un compuesto de escandio puro, se convierte en ScCl Å y se fusiona con KCl y LiCl. El zinc fundido se utiliza como cátodo para la electrólisis, lo que hace que el escandio precipite en el electrodo de zinc. Luego, el zinc se evapora para obtener escandio metálico. Se trata de un metal ligero de color blanco plateado con propiedades químicas muy activas, que puede reaccionar con agua caliente para generar gas hidrógeno. Entonces, el escandio metálico que ves en la imagen está sellado en una botella y protegido con gas argón; de lo contrario, el escandio formará rápidamente una capa de óxido de color amarillo oscuro o gris oscuro, perdiendo su brillo metálico.
Aplicaciones
Industria de la iluminación
Los usos del escandio se concentran en direcciones muy brillantes, y no es exagerado llamarlo Hijo de la Luz. La primera arma mágica del escandio se llama lámpara de escandio y sodio, que puede utilizarse para llevar luz a miles de hogares. Se trata de una luz eléctrica de halogenuros metálicos: la bombilla se llena con yoduro de sodio y triyoduro de escandio, y al mismo tiempo se añaden láminas de escandio y sodio. Durante una descarga de alto voltaje, los iones de escandio y los iones de sodio emiten respectivamente luz en sus longitudes de onda de emisión características. Las líneas espectrales del sodio son 589,0 y 589,6 nm, dos famosas luces amarillas, mientras que las líneas espectrales del escandio son 361,3~424,7 nm, una serie de emisiones de luz casi ultravioleta y azul. Debido a que se complementan entre sí, el color de luz general producido es luz blanca. Precisamente porque las lámparas de escandio y sodio tienen las características de alta eficiencia luminosa, buen color de luz, ahorro de energía, larga vida útil y gran capacidad para romper la niebla, pueden usarse ampliamente para cámaras de televisión, plazas, instalaciones deportivas e iluminación vial. y se conocen como fuentes de luz de tercera generación. En China, este tipo de lámpara se está promoviendo gradualmente como una nueva tecnología, mientras que en algunos países desarrollados, este tipo de lámpara se utilizaba ampliamente ya a principios de los años 1980.
La segunda arma mágica del escandio son las células solares fotovoltaicas, que pueden recoger la luz esparcida por el suelo y convertirla en electricidad para impulsar la sociedad humana. El escandio es el mejor metal barrera en células solares de silicio semiconductor aislante metálico y células solares.
Su tercera arma mágica se llama fuente de rayos γ A. Esta arma mágica puede brillar por sí sola, pero este tipo de luz no se puede recibir a simple vista, es un flujo de fotones de alta energía. Normalmente extraemos 45Sc de minerales, que son los únicos isótopos naturales del escandio. Cada núcleo de 45Sc contiene 21 protones y 24 neutrones. El 46Sc, un isótopo radiactivo artificial, se puede utilizar como fuente de radiación γ o los átomos trazadores también se pueden utilizar para la radioterapia de tumores malignos. También existen aplicaciones como el láser de granate de itrio, galio y escandio,fluoruro de escandioFibra óptica infrarroja de vidrio y tubo de rayos catódicos recubierto de escandio en televisión. Parece que el escandio nace con brillo.
Industria de aleaciones
El escandio en su forma elemental se ha utilizado ampliamente para dopar aleaciones de aluminio. Siempre que se agreguen unas milésimas de escandio al aluminio, se formará una nueva fase Al3Sc, que desempeñará un papel de metamorfismo en la aleación de aluminio y hará que la estructura y las propiedades de la aleación cambien significativamente. Agregar 0,2% ~ 0,4% Sc (que es realmente similar a la proporción de agregar sal a las verduras salteadas en casa, solo se necesita un poco) puede aumentar la temperatura de recristalización de la aleación entre 150 y 200 ℃ y mejorar significativamente la alta temperatura. -resistencia a la temperatura, estabilidad estructural, rendimiento de soldadura y resistencia a la corrosión. También puede evitar el fenómeno de fragilización que es fácil de producir durante el trabajo prolongado a altas temperaturas. La aleación de aluminio de alta resistencia y alta tenacidad, la nueva aleación de aluminio soldable resistente a la corrosión de alta resistencia, la nueva aleación de aluminio de alta temperatura, la aleación de aluminio resistente a la irradiación de neutrones de alta resistencia, etc., tienen perspectivas de desarrollo muy atractivas en la industria aeroespacial, la aviación y los barcos. reactores nucleares, vehículos ligeros y trenes de alta velocidad.
El escandio también es un excelente modificador del hierro y una pequeña cantidad de escandio puede mejorar significativamente la resistencia y dureza del hierro fundido. Además, el escandio también se puede utilizar como aditivo para aleaciones de cromo y tungsteno de alta temperatura. Por supuesto, además de fabricar ropa de boda para otras personas, el escandio tiene un alto punto de fusión y su densidad es similar a la del aluminio, y también se utiliza en aleaciones ligeras de alto punto de fusión, como la aleación de escandio, titanio y la aleación de escandio y magnesio. Sin embargo, debido a su alto precio, generalmente sólo se utiliza en industrias manufactureras de alto nivel, como transbordadores espaciales y cohetes.
Material cerámico
El escandio, una sustancia única, se utiliza generalmente en aleaciones, y sus óxidos desempeñan un papel importante en materiales cerámicos de forma similar. El material cerámico de circonio tetragonal, que se puede utilizar como material de electrodo para pilas de combustible de óxido sólido, tiene una propiedad única en la que la conductividad de este electrolito aumenta al aumentar la temperatura y la concentración de oxígeno en el medio ambiente. Sin embargo, la estructura cristalina de este material cerámico en sí no puede existir de manera estable y no tiene valor industrial; Es necesario dopar algunas sustancias que puedan fijar esta estructura para mantener sus propiedades originales. Agregar entre un 6 y un 10 % de óxido de escandio es como una estructura de hormigón, de modo que el circonio se puede estabilizar en una red cuadrada.
También existen materiales cerámicos de ingeniería, como el nitruro de silicio de alta resistencia y alta temperatura, como densificadores y estabilizadores.
Como densificador,óxido de escandioPuede formar una fase refractaria Sc2Si2O7 en el borde de las partículas finas, reduciendo así la deformación a alta temperatura de las cerámicas de ingeniería. En comparación con otros óxidos, puede mejorar mejor las propiedades mecánicas de alta temperatura del nitruro de silicio.
química catalítica
En ingeniería química, el escandio se utiliza a menudo como catalizador, mientras que el Sc2O3 se puede utilizar para la deshidratación y desoxidación de etanol o isopropanol, la descomposición del ácido acético y la producción de etileno a partir de CO y H2. El catalizador de Pt Al que contiene Sc2O3 también es un catalizador importante para los procesos de purificación y refinación de hidrogenación de petróleo pesado en la industria petroquímica. En reacciones de craqueo catalítico como el cumeno, la actividad del catalizador de zeolita Sc-Y es 1000 veces mayor que la del catalizador de silicato de aluminio; En comparación con algunos catalizadores tradicionales, las perspectivas de desarrollo de los catalizadores de escandio serán muy brillantes.
industria de la energía nuclear
Agregar una pequeña cantidad de Sc2O3 al UO2 en el combustible nuclear del reactor de alta temperatura puede evitar la transformación de la red, el aumento de volumen y el agrietamiento causados por la conversión de UO2 a U3O8.
Pila de combustible
De manera similar, agregar entre un 2,5% y un 25% de escandio a las baterías de níquel alcalino aumentará su vida útil.
mejoramiento agrícola
En agricultura, semillas como maíz, remolacha, guisantes, trigo y girasol se pueden tratar con sulfato de escandio (la concentración es generalmente de 10-3~10-8mol/L, diferentes plantas tendrán diferentes), y el efecto real de promover la germinación se ha logrado. Después de 8 horas, el peso seco de raíces y yemas aumentó un 37% y un 78% respectivamente en comparación con las plántulas, pero el mecanismo aún está en estudio.
Desde la atención de Nielsen a la deuda de los datos de masa atómica hasta hoy, el escandio ha entrado en la visión de la gente sólo durante ciento o veinte años, pero casi ha permanecido en el banquillo durante cien años. No fue hasta el vigoroso desarrollo de la ciencia material a finales del siglo pasado que le trajo vitalidad. Hoy en día, los elementos de tierras raras, incluido el escandio, se han convertido en estrellas candentes de la ciencia de los materiales, desempeñando funciones siempre cambiantes en miles de sistemas, aportando más comodidad a nuestras vidas cada día y creando un valor económico que es aún más difícil de medir.
Hora de publicación: 29 de junio de 2023