Кіріспе

Скандий – химиялық элемент, символы Sc, атомдық нөмірі 21. Ол күміс түсті ақ металл, d-блокты элемент. Тарихи тұрғыдан алғанда, иттрий және лантаноидтармен бірге сирек кездесетін жер элементі ретінде жіктеледі. 1879 жылы Скандинавиядан алынған эуксенит және гадолинит минералдарының спектрлік талдауы арқылы ашылған. Скандий сирек кездесетін жерлер мен уран қосылыстарының көптеген кен орындарында кездеседі, бірақ осы кендерден әлемдегі тек бірнеше кен орындарында ғана өндіріледі. Металл скандийдің сирек кездесуі және оны дайындаудың қиындығы, алғаш рет 1937 жылы жүзеге асырылды, скандийтің қолданылуы 1970 жылдарға дейін дамытылмады, осы кезде скандийдің алюминий қорытпаларына жағымды әсері анықталды. Бүгінгі күнге дейін, оның мұндай қорытпаларда қолданылуы – оның жалғыз маңызды қолданылуы болып табылады. Скандий оксидінің әлемдік саудасы жылына 15-20 тоннаны құрайды. Скандий қосылыстарының қасиеттері алюминий мен иттрийдің қасиеттері арасындағы кезеңдік келеді. Магний мен скандийдің химиялық қасиеттерінде, бериллий мен алюминийдегідей, диагональдық байланыс бар. 3-топ элементтерінің химиялық қосылыстарында басым тотығу дәрежесі +3 болып табылады.

Химиялық сипаттамалары

Скандий – күміс түсті жұмсақ металл. Ауада тотығу кезінде ол сәл сарғыш немесе қызғылт реңге ие болады. Ол ауа райының әсеріне осал және көптеген сұйылтылған қышқылдарда баяу ериді. Ол азот қышқылының (HNO3) және 48,0% фторлы сутек қышқылының (HF) 1:1 қоспасымен әрекеттеспейді, бұл мүмкін өткізбейтін пассивті қабаттың түзілуіне байланысты. Скандий ұсқыншалары ауада жарқын сары жалынмен тұтанады және скандий оксидін құрайды.

Галидтер мен псевдогалидтер

ScX3 галоидтары, мұндағы X=Cl, Br немесе I, суда өте жақсы ериді, бірақ ScF3 ерімейді. Барлық төрт галоидта да скандийдің координациялық саны 6-ға тең. Галидтер Льюис қышқылдары болып табылады; мысалы, ScF3, артық фторид ионы бар ерітіндіде [ScF6]³⁻ ионын түзетіндей ериді. 6 координациялық саны Sc(III) үшін қалыпты жағдай. Ірірек Y³⁺ және La³⁺ иондарында 8 және 9 координациялық сандары жиі кездеседі. Скандий трифлаты кейде органикалық химияда Льюис қышқылы катализаторы ретінде қолданылады.

Органикалық туындылар

Скандий циклопентадиенил лигандтарын (Cp) қамтитын органометалл қосылыстарының қатарын құрайды, бұл лантаноидтар сияқты мінез-құлыққа ие. Мысалы, хлормен байланысқан димер, [ScCp2Cl]2 және пентаметилциклопентадиенил лигандтарының туындылары.

Сирек кездесетін тотығу күйлері

Скандийдің +3-тен басқа тотығу күйінде кездесетін қосылыстары сирек, бірақ жақсы сипатталған. Көк-қара түсті CsScCl3 қосылысы ең қарапайымдарының бірі. Бұл материал скандий(II) орталықтары арасында кең байланысқа ие, жапырақша тәрізді құрылымға ие. Скандий гидриді жетік зерттелмеген, бірақ ол Sc(II) гидридінің тұзды гидриді емес сияқты көрінеді. Төменгі тотығу күйлері (+2, +1, 0) органоскандий қосылыстарында да байқалған.

Тарих

Дмитрий Менделеев, периодтық кестенің әкесі деп аталатын, 1869 жылы 40 мен 48 аралығындағы атомдық массасы бар экаборон элементінің болатынын болжады. Ларс Фредрик Нильсон және оның командасы бұл элементті 1879 жылы эуксенит және гадолинит минералдарында тапты. Нильсон 2 грамм жоғары тазалықтағы скандий оксидін дайындады. Ол элементке латын тілінде "Скандинавия" дегенді білдіретін "Скандия" сөзінен алынған скандий деген ат қойды. Нильсон, көрінеу, Менделеевтің болжамын білмеген, бірақ Пер Теодор Клив сәйкестікті анықтап, Менделеевке хабарлады. Металл скандий алғаш рет 1937 жылы 700–800 °C температурада калий, литий және скандий хлоридтерінің эвтектикалық қоспасын электролиз арқылы өндірілді. 99% таза скандий металлының алғашқы фунты 1960 жылы өндірілді. Алюминий қорытпаларын өндіру 1971 жылы АҚШ патентына сәйкес басталды. Алюминий-скандий қорытпалары КСРО-да да әзірленді. Гадолиний-скандий-галлий гранатынан (GSGG) жасалған лазерлік кристалдар 1980 және 1990 жылдары Стратегиялық қорғаныс жобасы (SDI) үшін әзірленген стратегиялық қорғаныс салаларында қолданылды.

Алюминий қорытпалары

Скандийдің негізгі қолданылуы – аэроғарыш өнеркәсібінің шағын компоненттерінде қолданылатын алюминий-скандий қорытпаларында. Бұл қорытпаларда 0,1–0,5% аралығында скандий болады. Олар ресейлік әскери ұшақтарда, әсіресе Микоян-Гуревич МиГ-21 және МиГ-29 ұшақтарында қолданылған. Жылумен өңдеу арқылы наноөлшемді тұнбаның ұсақ дисперсиясына қол жеткізуге болады, бұл қорытпаларды реттік қатайту арқылы нығайтуға да мүмкіндік береді. Жақындағы жетістіктерге цирконий (Zr) және эрбий (Er) сияқты ауыспалы металдар мен сирек кездесетін металдардың қосылуы жатады, бұл сфералық |Al3Sc тұнбасының айналасында қабықшалар құрап, оның ірітеуін азайтады. Бұл қабықшалар қорытпа элементтерінің диффузиялық қабілетімен анықталады және Sc-нің бір бөлігін Zr-мен алмастыру арқылы, тұрақтылықты сақтай отырып, қорытпаның құнын төмендетеді, сондай-ақ тұнбаны қалыптастыру үшін қажетті Sc мөлшерін азайтады. Бұл |Al3Sc-ді титан қорытпаларымен бәсекеге түсіріп, оның қолданылу аясын кеңейтті. Дегенмен, титан қорытпалары, жеңілдігі мен беріктігі жағынан ұқсас болғанымен, арзан және одан әлдеқайда көп қолданылады. Al20Li20Mg10Sc20Ti30 алюминий қорытпасы титан сияқты берік, алюминий сияқты жеңіл және кейбір керамикалар сияқты қатты. Скандий-алюминий қорытпаларынан бейсбол таяқшалары, шатыр тіректері, велосипедтің рамасы мен бөліктері сияқты жеңіл, жоғары өнімділік материалдарын қажет ететін кейбір спорттық жабдықтар жасалған. Лакросс таяқтары да скандийден жасалады. Американдық Smith & Wesson атыс қаруын өндіруші компаниясы скандий қорытпасынан жасалған рамалары және титан немесе көміртекті болаттан жасалған цилиндрлері бар жартылай автоматты пистолеттер мен револьверлерді шығарады. 2013 жылдан бері Airbus компаниясының еншілес кәсіпорны Apworks GmbH, Scalmalloy тауарлық белгісімен металл 3D басып шығару (лазерлік ұнтақ төсегі бірігуі) технологиясымен өңделген, жоғары беріктігі бар скандийлі алюминий қорытпасын сатады, ол өте жоғары беріктікке және пластикалық деформацияға ие.

Жарық көздері

Бірінші скандий негізіндегі металл галоидты шамдар General Electric компаниясымен патенттелді және Солтүстік Америкада өндірілді, бірақ қазір олар барлық ірі өнеркәсіп дамыған елдерде шығарылады. АҚШ-та жылына шамамен 20 кг скандий (Sc2O3 түрінде) жоғары қарқынды разрядты шамдарға қолданылады. Меркурийлі шамдарға ұқсас металл галоидты шамдардың бір түрі скандий трийодиді мен натрий йодидінен жасалады. Бұл шам – телекамералармен түстерді жақсы беруге мүмкіндік беретін, күн сәулесіне ұқсас, жоғары түс көрсету индексі бар ақ жарық көзі. Жыл сайын әлемде металл галоидты шамдар/шамшырақтарда шамамен 80 кг скандий пайдаланылады. Стоматологтар қуыс дайындау және эндодонтикада эрбий-хром қосылған иттрий-скандий-галлий гранаты (Er,Cr:YSGG) лазерлерін қолданады.

Басқа

46Sc радиоактивті изотопы мұнай өңдеу зауыттарында іздеуші зат ретінде қолданылады. 45Sc-тің 12,4 кэВ ядролық өтуі уақытты өлшеу саласындағы қолданыстар үшін эталон ретінде зерттелді, оның теориялық дәлдігі қазіргі цезийлік эталондық сағаттардан үш разрядтан асып түседі.

Денсаулық және қауіпсіздік

Элементар скандий улы емес деп саналады, бірақ скандий қосылыстарын жануарларға жасалған кең ауқымды сынақтар жүргізілмеген. Егеуқұйрықтарға скандий хлоридінің орташа өлімдік дозасы (LD50) ішкі қуысқа енгізу арқылы 755 мг/кг, ал ауыз арқылы қолдануда 4 г/кг деп анықталды. Осы нәтижелерді ескере отырып, скандий қосылыстарын орташа деңгейдегі уытты заттар ретінде қарастыру керек. Скандий организмде галлийге ұқсас түрде өңделеді, оның нашар еритін гидроксиді де сол сияқты қауіпті.