Scandio, con simbolo dell'elemento Sc e numero atomico 21, è facilmente solubile in acqua, può interagire con l'acqua calda e scurisce facilmente nell'aria. La sua valenza principale è +3. Viene spesso miscelato con gadolinio, erbio e altri elementi, con una bassa resa e un contenuto nella crosta di circa lo 0,0005%. Lo scandio viene spesso utilizzato per produrre vetro speciale e leghe leggere per alte temperature.
Allo stato attuale, le riserve accertate di scandio nel mondo ammontano a soli 2 milioni di tonnellate, il 90-95% delle quali sono contenute in minerali di bauxite, fosforite e ferro-titanio, e una piccola parte in minerali di uranio, torio, tungsteno e terre rare, principalmente distribuito in Russia, Cina, Tagikistan, Madagascar, Norvegia e altri paesi. La Cina è molto ricca di risorse di scandio, con enormi riserve minerarie legate allo scandio. Secondo statistiche incomplete, le riserve di scandio in Cina ammontano a circa 600.000 tonnellate, che sono contenute in depositi di bauxite e fosforite, depositi di tungsteno di porfido e quarzo nel sud della Cina, depositi di terre rare nel sud della Cina, depositi di minerale di ferro di terre rare Bayan Obo in Mongolia Interna e deposito di magnetite di titanio e vanadio di Panzhihua nel Sichuan.
A causa della scarsità dello scandio, anche il suo prezzo è molto alto e, al suo apice, il prezzo dello scandio è stato gonfiato fino a 10 volte il prezzo dell'oro. Anche se il prezzo dello scandio è sceso, è ancora quattro volte il prezzo dell’oro!
Alla scoperta della storia
Nel 1869, Mendeleev notò un divario nella massa atomica tra calcio (40) e titanio (48) e predisse che qui c'era anche un elemento di massa atomica intermedia da scoprire. Ha predetto che il suo ossido è X ₂ O Å. Lo scandio fu scoperto nel 1879 da Lars Frederik Nilson dell'Università di Uppsala in Svezia. Lo ha estratto dalla miniera dell'oro raro nero, un minerale complesso che contiene 8 tipi di ossidi metallici. Ha estrattoOssido di erbio (III).dal minerale d'oro raro nero e ottenutoOssido di itterbio (III).da questo ossido, e c'è un altro ossido di elemento più leggero, il cui spettro mostra che si tratta di un metallo sconosciuto. Questo è il metallo predetto da Mendeleev, di cui è l'ossidoSc₂O₃. Lo stesso metallo scandio è stato prodottoCloruro di scandiomediante fusione elettrolitica nel 1937.
Mendeleev
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Lo scandio è un metallo di transizione bianco-argento morbido con un punto di fusione di 1541 ℃ e un punto di ebollizione di 2831 ℃.
Per un considerevole periodo di tempo dopo la sua scoperta, l'uso dello scandio non fu dimostrato a causa della sua difficoltà di produzione. Con il crescente miglioramento dei metodi di separazione degli elementi delle terre rare, esiste ora un flusso di processo maturo per la purificazione dei composti di scandio. Poiché lo scandio è meno alcalino dell'ittrio e del lantanide, l'idrossido è il più debole, quindi il minerale misto di elementi delle terre rare contenente scandio verrà separato dall'elemento delle terre rare mediante il metodo di "precipitazione a gradini" quando l'idrossido di scandio (III) viene trattato con ammoniaca dopo essere trasferito in soluzione. L'altro metodo consiste nel separare il nitrato di scandio mediante decomposizione polare del nitrato. Poiché il nitrato di scandio è il più facile da decomporre, lo scandio può essere separato. Inoltre, anche il recupero completo dello scandio associato da uranio, torio, tungsteno, stagno e altri depositi minerali è un'importante fonte di scandio.
Dopo aver ottenuto un composto di scandio puro, questo viene convertito in ScCl Å e cofuso con KCl e LiCl. Lo zinco fuso viene utilizzato come catodo per l'elettrolisi, provocando la precipitazione dello scandio sull'elettrodo di zinco. Quindi, lo zinco viene evaporato per ottenere lo scandio metallico. Si tratta di un metallo bianco-argento leggero con proprietà chimiche molto attive, che può reagire con l'acqua calda per generare gas idrogeno. Quindi lo scandio metallico che vedete nella foto è sigillato in una bottiglia e protetto con gas argon, altrimenti lo scandio formerà rapidamente uno strato di ossido giallo scuro o grigio, perdendo la sua brillante lucentezza metallica.
Applicazioni
Industria dell'illuminazione
Gli usi dello scandio sono concentrati in direzioni molto luminose, e non è esagerato chiamarlo Figlio della Luce. La prima arma magica dello scandio è chiamata lampada allo scandio e sodio, che può essere utilizzata per portare luce a migliaia di famiglie. Questa è una luce elettrica ad alogenuri metallici: il bulbo è riempito con ioduro di sodio e triioduro di scandio e allo stesso tempo vengono aggiunti scandio e foglio di sodio. Durante la scarica ad alta tensione, gli ioni scandio e gli ioni sodio emettono rispettivamente luce con le loro caratteristiche lunghezze d'onda di emissione. Le linee spettrali del sodio sono 589,0 e 589,6 nm, due famose luci gialle, mentre le linee spettrali dello scandio sono 361,3~424,7 nm, una serie di emissioni di luce quasi ultravioletta e blu. Poiché si completano a vicenda, il colore della luce complessivo prodotto è luce bianca. È proprio perché le lampade allo scandio sodio hanno le caratteristiche di elevata efficienza luminosa, buon colore della luce, risparmio energetico, lunga durata e forte capacità di rompere la nebbia che possono essere ampiamente utilizzate per telecamere, piazze, impianti sportivi e illuminazione stradale, e sono conosciute come sorgenti luminose di terza generazione. In Cina questo tipo di lampada viene gradualmente promosso come una nuova tecnologia, mentre in alcuni paesi sviluppati questo tipo di lampada è stato ampiamente utilizzato già all'inizio degli anni '80.
La seconda arma magica dello scandio sono le celle solari fotovoltaiche, che possono raccogliere la luce diffusa sul terreno e trasformarla in elettricità per alimentare la società umana. Lo scandio è il miglior metallo barriera nelle celle solari e nelle celle solari in silicio semiconduttore isolante metallico.
La sua terza arma magica si chiama sorgente di raggi γ A, quest'arma magica può brillare da sola, ma questo tipo di luce non può essere ricevuta ad occhio nudo, è un flusso di fotoni ad alta energia. Di solito estraiamo 45Sc dai minerali, che è gli unici isotopi naturali dello scandio. Ciascun nucleo 45Sc contiene 21 protoni e 24 neutroni. Il 46Sc, un isotopo radioattivo artificiale, può essere utilizzato come sorgente di radiazioni γ o gli atomi traccianti possono essere utilizzati anche per la radioterapia dei tumori maligni. Esistono anche applicazioni come il laser a granato ittrio gallio scandio,Fluoruro di scandiovetro a infrarossi Fibra ottica e tubo a raggi catodici rivestito di scandio in televisione. Sembra che lo scandio nasca con luminosità.
Industria delle leghe
Lo scandio nella sua forma elementare è stato ampiamente utilizzato per il drogaggio delle leghe di alluminio. Finché pochi millesimi di scandio vengono aggiunti all'alluminio, si formerà una nuova fase Al3Sc, che svolgerà un ruolo di metamorfismo nella lega di alluminio e farà cambiare significativamente la struttura e le proprietà della lega. L'aggiunta di 0,2%~0,4% Sc (che è molto simile alla proporzione di aggiunta di sale per mescolare le verdure fritte a casa, ne serve solo una piccola quantità) può aumentare la temperatura di ricristallizzazione della lega di 150-200 ℃ e migliorare significativamente l'alta -resistenza alla temperatura, stabilità strutturale, prestazioni di saldatura e resistenza alla corrosione. Può anche evitare il fenomeno dell'infragilimento che è facile verificarsi durante il lavoro prolungato ad alte temperature. Le leghe di alluminio ad alta resistenza ed elevata tenacità, la nuova lega di alluminio saldabile resistente alla corrosione ad alta resistenza, la nuova lega di alluminio ad alta temperatura, la lega di alluminio resistente all'irradiazione di neutroni ad alta resistenza, ecc., hanno prospettive di sviluppo molto interessanti nel settore aerospaziale, aeronautico, navale, reattori nucleari, veicoli leggeri e treni ad alta velocità.
Lo scandio è anche un eccellente modificatore del ferro e una piccola quantità di scandio può migliorare significativamente la resistenza e la durezza della ghisa. Inoltre, lo scandio può essere utilizzato anche come additivo per le leghe di tungsteno e cromo ad alta temperatura. Naturalmente, oltre a realizzare abiti da sposa per altri, lo scandio ha un alto punto di fusione e la sua densità è simile all'alluminio, e viene utilizzato anche in leghe leggere ad alto punto di fusione come la lega di scandio titanio e la lega di scandio magnesio. Tuttavia, a causa del suo prezzo elevato, viene generalmente utilizzato solo in industrie manifatturiere di fascia alta come navette spaziali e razzi.
Materiale ceramico
Lo scandio, una sostanza singola, viene generalmente utilizzato nelle leghe e i suoi ossidi svolgono un ruolo importante in modo simile nei materiali ceramici. Il materiale ceramico tetragonale di zirconio, che può essere utilizzato come materiale per elettrodi per celle a combustibile a ossido solido, ha una proprietà unica in cui la conduttività di questo elettrolita aumenta con l'aumento della temperatura e della concentrazione di ossigeno nell'ambiente. Tuttavia, la struttura cristallina di questo materiale ceramico stesso non può esistere stabilmente e non ha alcun valore industriale; È necessario dopare alcune sostanze in grado di fissare questa struttura per mantenere le sue proprietà originali. L'aggiunta del 6~10% di ossido di scandio è come una struttura in cemento, in modo che la zirconia possa essere stabilizzata su un reticolo quadrato.
Esistono anche materiali ceramici tecnici come il nitruro di silicio ad alta resistenza e resistente alle alte temperature come densificanti e stabilizzanti.
Come densificatore,Ossido di scandiopuò formare una fase refrattaria Sc2Si2O7 ai margini delle particelle fini, riducendo così la deformazione ad alta temperatura delle ceramiche tecniche. Rispetto ad altri ossidi, può migliorare meglio le proprietà meccaniche ad alta temperatura del nitruro di silicio.
Chimica catalitica
Nell'ingegneria chimica, lo scandio viene spesso utilizzato come catalizzatore, mentre Sc2O3 può essere utilizzato per la disidratazione e disossidazione dell'etanolo o dell'isopropanolo, la decomposizione dell'acido acetico e la produzione di etilene da CO e H2. Il catalizzatore Pt Al contenente Sc2O3 è anche un importante catalizzatore per i processi di purificazione e raffinazione dell'idrogenazione dell'olio pesante nell'industria petrolchimica. Nelle reazioni di cracking catalitico come Cumene, l'attività del catalizzatore zeolite Sc-Y è 1000 volte superiore a quella del catalizzatore di silicato di alluminio; Rispetto ad alcuni catalizzatori tradizionali, le prospettive di sviluppo dei catalizzatori allo scandio saranno molto brillanti.
Industria dell'energia nucleare
L'aggiunta di una piccola quantità di Sc2O3 a UO2 nel combustibile nucleare di un reattore ad alta temperatura può evitare la trasformazione del reticolo, l'aumento di volume e il cracking causati dalla conversione di UO2 in U3O8.
Cella a combustibile
Allo stesso modo, aggiungendo dal 2,5% al 25% di scandio alle batterie alcaline al nichel ne aumenterà la durata.
Allevamento agricolo
In agricoltura, semi come mais, barbabietola, pisello, grano e girasole possono essere trattati con solfato di scandio (la concentrazione è generalmente 10-3~10-8mol/L, piante diverse avranno caratteristiche diverse) e l'effetto reale di promuovere la germinazione è stato raggiunto. Dopo 8 ore, il peso secco delle radici e dei germogli è aumentato rispettivamente del 37% e del 78% rispetto alle piantine, ma il meccanismo è ancora in fase di studio.
Dall'attenzione di Nielsen al debito dei dati sulla massa atomica fino ad oggi, lo scandio è entrato nella visione della gente solo da cento o vent'anni, ma è rimasto quasi in panchina per cento anni. Fu solo il vigoroso sviluppo della scienza dei materiali alla fine del secolo scorso che essa gli diede vitalità. Oggi, gli elementi delle terre rare, compreso lo scandio, sono diventati protagonisti della scienza dei materiali, svolgendo ruoli in continua evoluzione in migliaia di sistemi, apportando ogni giorno più comodità alla nostra vita e creando valore economico ancora più difficile da misurare.
Orario di pubblicazione: 29 giugno 2023