Scàndid, amb símbol d'element Sc i nombre atòmic 21, és fàcilment soluble en aigua, pot interactuar amb aigua calenta i s'enfosqueix fàcilment a l'aire. La seva valència principal és +3. Sovint es barreja amb gadolini, erbi i altres elements, amb un baix rendiment i un contingut d'aproximadament el 0,0005% a l'escorça. L'escandi s'utilitza sovint per fabricar vidre especial i aliatges lleugers d'alta temperatura.
Actualment, les reserves provades d'escandi al món són només de 2 milions de tones, del 90 al 95% de les quals es troben en minerals de bauxita, fosforita i ferro-titani, i una petita part en minerals d'urani, tori, tungstè i terres rares, distribuïts principalment a Rússia, Xina, Tadjikistan, Madagascar, Noruega i altres països. La Xina és molt rica en recursos d'escandi, amb enormes reserves minerals relacionades amb l'escandi. Segons estadístiques incompletes, les reserves d'escandi a la Xina són d'unes 600.000 tones, que es troben en dipòsits de bauxita i fosforita, dipòsits de tungstè de pòrfir i venes de quars al sud de la Xina, dipòsits de terres rares al sud de la Xina, dipòsit de mineral de ferro de terres rares de Bayan Obo a la Mongòlia Interior i dipòsit de magnetita de vanadi-titani de Panzhihua a Sichuan.
A causa de l'escassetat d'escandi, el preu de l'escandi també és molt alt, i en el seu punt àlgid, el preu de l'escandi es va inflar fins a 10 vegades el preu de l'or. Tot i que el preu de l'escandi ha baixat, encara és quatre vegades el preu de l'or!
Descobrint la història
El 1869, Mendeleev va observar una diferència en la massa atòmica entre el calci (40) i el titani (48), i va predir que també hi havia un element de massa atòmica intermèdia no descobert. Va predir que el seu òxid és X₂OÅ. L'escandi va ser descobert el 1879 per Lars Frederik Nilson de la Universitat d'Uppsala a Suècia. El va extreure de la mina d'or negre rar, un mineral complex que conté 8 tipus d'òxids metàl·lics. Ha extretÒxid d'erbi(III)a partir de mineral d'or negre rar, i obtingutÒxid d'itterbi(III)d'aquest òxid, i hi ha un altre òxid d'un element més lleuger, l'espectre del qual mostra que és un metall desconegut. Aquest és el metall predit per Mendeleev, l'òxid del qual ésSc₂O₃El metall d'escandi en si es va produir a partir declorur d'escandiper fusió electrolítica el 1937.
Mendeléiev
configuració electrònica
Configuració electrònica: 1s² 2s² 2p6 3s² 3p6 4s² 3d1
L'escandi és un metall de transició tou, de color blanc platejat, amb un punt de fusió de 1541 ℃ i un punt d'ebullició de 2831 ℃.
Durant un període considerable després del seu descobriment, no es va demostrar l'ús de l'escandi a causa de la seva dificultat de producció. Amb la millora creixent dels mètodes de separació d'elements de terres rares, ara hi ha un flux de procés madur per a la purificació de compostos d'escandi. Com que l'escandi és menys alcalí que l'itri i el lantànid, l'hidròxid és el més feble, de manera que el mineral mixt d'elements de terres rares que conté escandi es separarà de l'element de terres rares mitjançant el mètode de "precipitació gradual" quan l'hidròxid d'escandi(III) es tracta amb amoníac després de transferir-se a la solució. L'altre mètode és separar el nitrat d'escandi mitjançant la descomposició polar del nitrat. Com que el nitrat d'escandi és el més fàcil de descompondre, l'escandi es pot separar. A més, la recuperació completa de l'escandi que l'acompanya a partir d'urani, tori, tungstè, estany i altres dipòsits minerals també és una font important d'escandi.
Després d'obtenir un compost d'escandi pur, es converteix en ScCl Å i es fon amb KCl i LiCl. El zinc fos s'utilitza com a càtode per a l'electròlisi, fent que l'escandi precipiti a l'elèctrode de zinc. A continuació, el zinc s'evapora per obtenir escandi metàl·lic. Es tracta d'un metall blanc platejat lleuger amb propietats químiques molt actives, que pot reaccionar amb l'aigua calenta per generar gas hidrogen. Així doncs, l'escandi metàl·lic que veieu a la imatge es tanca en una ampolla i es protegeix amb gas argó; en cas contrari, l'escandi formarà ràpidament una capa d'òxid groc fosc o gris, perdent la seva brillantor metàl·lica.
Aplicacions
indústria de la il·luminació
Els usos de l'escandi es concentren en direccions molt brillants, i no és una exageració anomenar-lo el Fill de la Llum. La primera arma màgica de l'escandi s'anomena làmpada de sodi d'escandi, que es pot utilitzar per portar llum a milers de llars. Es tracta d'una llum elèctrica d'halogenur metàl·lic: la bombeta s'omple amb iodur de sodi i triiodur d'escandi, i s'afegeix escandi i làmina de sodi alhora. Durant la descàrrega d'alt voltatge, els ions d'escandi i els ions de sodi emeten respectivament llum de les seves longituds d'ona d'emissió característiques. Les línies espectrals del sodi són 589,0 i 589,6 nm, dues famoses llums grogues, mentre que les línies espectrals de l'escandi són 361,3~424,7 nm, una sèrie d'emissions de llum ultraviolada propera i blava. Com que es complementen entre si, el color de la llum general produït és llum blanca. És precisament perquè les làmpades de sodi i escandi tenen les característiques d'alta eficiència lluminosa, bon color de llum, estalvi d'energia, llarga vida útil i forta capacitat de trencar la boira que es poden utilitzar àmpliament per a càmeres de televisió, places, instal·lacions esportives i il·luminació de carreteres, i es coneixen com a fonts de llum de tercera generació. A la Xina, aquest tipus de làmpada s'està promocionant gradualment com una nova tecnologia, mentre que en alguns països desenvolupats, aquest tipus de làmpada ja s'utilitzava àmpliament a principis dels anys vuitanta.
La segona arma màgica de l'escandi són les cèl·lules solars fotovoltaiques, que poden recollir la llum dispersa a terra i convertir-la en electricitat per impulsar la societat humana. L'escandi és el millor metall barrera en cèl·lules solars de silici semiconductor aïllant metàl·lic i cèl·lules solars.
La seva tercera arma màgica s'anomena font de raigs γ A, aquesta arma màgica pot brillar intensament per si sola, però aquest tipus de llum no es pot rebre a simple vista, és un flux de fotons d'alta energia. Normalment extreiem 45Sc dels minerals, que són els únics isòtops naturals de l'escandi. Cada nucli de 45Sc conté 21 protons i 24 neutrons. El 46Sc, un isòtop radioactiu artificial, es pot utilitzar com a fonts de radiació γ o àtoms traçadors, també es poden utilitzar per a la radioteràpia de tumors malignes. També hi ha aplicacions com el làser de granat d'itri, gal·li i escandi.fluorur d'escandiFibra òptica d'infrarojos de vidre i tub de raigs catòdics recobert d'escandi a la televisió. Sembla que l'escandi neix amb brillantor.
indústria d'aliatges
L'escandi en la seva forma elemental s'ha utilitzat àmpliament per dopar aliatges d'alumini. Sempre que s'afegeixin unes poques mil·lèsimes d'escandi a l'alumini, es formarà una nova fase Al3Sc, que jugarà un paper de metamorfisme en l'aliatge d'alumini i farà que l'estructura i les propietats de l'aliatge canviïn significativament. Afegir un 0,2% ~ 0,4% de Sc (que és realment similar a la proporció d'afegir sal a les verdures saltejades a casa, només se'n necessita una mica) pot augmentar la temperatura de recristal·lització de l'aliatge en 150-200 ℃ i millorar significativament la resistència a altes temperatures, l'estabilitat estructural, el rendiment de soldadura i la resistència a la corrosió. També pot evitar el fenomen de fragilització que és fàcil de produir durant el treball a llarg termini a altes temperatures. Els aliatges d'alumini d'alta resistència i alta tenacitat, els nous aliatges d'alumini soldables resistents a la corrosió d'alta resistència, els nous aliatges d'alumini d'alta temperatura, els aliatges d'alumini resistents a la irradiació de neutrons d'alta resistència, etc., tenen perspectives de desenvolupament molt atractives en l'aeroespacial, l'aviació, els vaixells, els reactors nuclears, els vehicles lleugers i els trens d'alta velocitat.
L'escandi també és un excel·lent modificador del ferro, i una petita quantitat d'escandi pot millorar significativament la resistència i la duresa del ferro colat. A més, l'escandi també es pot utilitzar com a additiu per a aliatges de tungstè i crom d'alta temperatura. Per descomptat, a més de fer roba de núvia per a altres persones, l'escandi té un punt de fusió alt i la seva densitat és similar a l'alumini, i també s'utilitza en aliatges lleugers d'alt punt de fusió com ara l'aliatge de titani i escandi i l'aliatge de magnesi i escandi. Tanmateix, a causa del seu preu elevat, generalment només s'utilitza en indústries manufactureres d'alta gamma com ara transbordadors espacials i coets.
material ceràmic
L'escandi, una substància única, s'utilitza generalment en aliatges, i els seus òxids tenen un paper important en els materials ceràmics de manera similar. El material ceràmic de zircònia tetragonal, que es pot utilitzar com a material d'elèctrode per a piles de combustible d'òxid sòlid, té una propietat única on la conductivitat d'aquest electròlit augmenta amb l'augment de la temperatura i la concentració d'oxigen a l'entorn. Tanmateix, l'estructura cristal·lina d'aquest material ceràmic en si no pot existir de manera estable i no té cap valor industrial; cal dopar algunes substàncies que puguin fixar aquesta estructura per tal de mantenir les seves propietats originals. Afegir un 6~10% d'òxid d'escandi és com una estructura de formigó, de manera que la zircònia es pot estabilitzar en una xarxa quadrada.
També hi ha materials ceràmics d'enginyeria com el nitrur de silici d'alta resistència i resistència a altes temperatures com a densificadors i estabilitzadors.
Com a densificador,Òxid d'escandipot formar una fase refractària Sc2Si2O7 a la vora de partícules fines, reduint així la deformació a alta temperatura de la ceràmica d'enginyeria. En comparació amb altres òxids, pot millorar millor les propietats mecàniques a alta temperatura del nitrur de silici.
Química catalítica
En enginyeria química, l'escandi s'utilitza sovint com a catalitzador, mentre que l'Sc2O3 es pot utilitzar per a la deshidratació i desoxidació d'etanol o isopropanol, la descomposició d'àcid acètic i la producció d'etilè a partir de CO i H2. El catalitzador Pt Al que conté Sc2O3 també és un catalitzador important per als processos de purificació i refinació d'hidrogenació de petroli pesant en la indústria petroquímica. En reaccions de craqueig catalític com el cumè, l'activitat del catalitzador de zeolita Sc-Y és 1000 vegades superior a la del catalitzador de silicat d'alumini; en comparació amb alguns catalitzadors tradicionals, les perspectives de desenvolupament dels catalitzadors d'escandi seran molt brillants.
indústria de l'energia nuclear
Afegir una petita quantitat de Sc2O3 a UO2 en combustible nuclear de reactor d'alta temperatura pot evitar la transformació de la xarxa, l'augment de volum i l'esquerdament causats per la conversió d'UO2 a U3O8.
Pila de combustible
De la mateixa manera, afegir entre un 2,5% i un 25% d'escandi a les bateries de níquel-alcalí augmentarà la seva vida útil.
Cria agrícola
En agricultura, les llavors com el blat de moro, la remolatxa, el pèsol, el blat i el gira-sol es poden tractar amb sulfat d'escandi (la concentració és generalment de 10-3~10-8mol/L, les diferents plantes tindran resultats diferents), i s'ha aconseguit l'efecte real de promoure la germinació. Després de 8 hores, el pes sec de les arrels i els brots va augmentar un 37% i un 78% respectivament en comparació amb les plàntules, però el mecanisme encara està en estudi.
Des de l'atenció de Nielsen al deute de les dades de massa atòmica fins avui, l'escandi ha entrat a la visió de la gent només durant cent o vint anys, però gairebé ha estat a la banqueta durant cent anys. No va ser fins al vigorós desenvolupament de la ciència dels materials a finals del segle passat que li va aportar vitalitat. Avui dia, els elements de terres rares, inclòs l'escandi, s'han convertit en estrelles importants de la ciència dels materials, jugant un paper canviant en milers de sistemes, aportant més comoditat a les nostres vides cada dia i creant un valor econòmic que és encara més difícil de mesurar.
Data de publicació: 29 de juny de 2023