Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Scandium is a chemical element; it has symbol Sc and atomic number 21. It is a silvery white metallic d block element. Historically, it has been classified as a rare earth element, together with yttrium and the lanthanides. It was discovered in 1879 by spectral analysis of the minerals euxenite and gadolinite from Scandinavia. Scandium is present in most of the deposits of rare earth and uranium compounds, but it is extracted from these ores in only a few mines worldwide. Because of the low availability and difficulties in the preparation of metallic scandium, which was first done in 1937, applications for scandium were not developed until the 1970s, when the positive effects of scandium on aluminium alloys were discovered. To this day, its use in such alloys remains its only major application. The global trade of scandium oxide is 15–20 tonnes per year. The properties of scandium compounds are intermediate between those of aluminium and yttrium. A diagonal relationship exists between the behavior of magnesium and scandium, just as there is between beryllium and aluminium. In the chemical compounds of the elements in group 3, the predominant oxidation state is +3.
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.
Scandium is a soft metal with a silvery appearance. It develops a slightly yellowish or pinkish cast when oxidized by air. It is susceptible to weathering and dissolves slowly in most dilute acids. It does not react with a 1:1 mixture of nitric acid (|HNO3) and 48.0% hydrofluoric acid (|HF), possibly due to the formation of an impermeable passive layer. Scandium turnings ignite in the air with a brilliant yellow flame to form scandium oxide.
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.
The halides |ScX3, where X= Cl, Br, or I, are very soluble in water, but |ScF3 is insoluble. In all four halides, the scandium is 6 coordinated. The halides are Lewis acids; for example, |ScF3 dissolves in a solution containing excess fluoride ion to form |[ScF6](3−). The coordination number 6 is typical for Sc(III). In the larger Y3+ and La3+ ions, coordination numbers of 8 and 9 are common. Scandium triflate is sometimes used as a Lewis acid catalyst in organic chemistry.
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.
Scandium forms a series of organometallic compounds with cyclopentadienyl ligands (Cp), similar to the behavior of the lanthanides. One example is the chlorine bridged dimer, |[ScCp2Cl]2 and related derivatives of pentamethylcyclopentadienyl ligands.
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.
Compounds that feature scandium in oxidation states other than +3 are rare but well characterized. The blue black compound |CsScCl3 is one of the simplest. This material adopts a sheet like structure that exhibits extensive bonding between the scandium(II) centers. Scandium hydride is not well understood, although it appears not to be a saline hydride of Sc(II). Lower oxidation states (+2, +1, 0) have also been observed in organoscandium compounds.
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.
Dmitri Mendeleev, who is referred to as the father of the periodic table, predicted the existence of an element ekaboron, with an atomic mass between 40 and 48 in 1869. Lars Fredrik Nilson and his team detected this element in the minerals euxenite and gadolinite in 1879. Nilson prepared 2 grams of scandium oxide of high purity. He named the element scandium, from the Latin Scandia meaning "Scandinavia". Nilson was apparently unaware of Mendeleev's prediction, but Per Teodor Cleve recognized the correspondence and notified Mendeleev. Metallic scandium was produced for the first time in 1937 by electrolysis of a eutectic mixture of potassium, lithium, and scandium chlorides, at 700–800 °C. The first pound of 99% pure scandium metal was produced in 1960. Production of aluminium alloys began in 1971, following a US patent. Aluminium scandium alloys were also developed in the USSR. Laser crystals of gadolinium scandium gallium garnet (GSGG) were used in strategic defense applications developed for the Strategic Defense Initiative (SDI) in the 1980s and 1990s.
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.
The main application of scandium by weight is in aluminium scandium alloys for minor aerospace industry components. These alloys contain between 0.1% and 0.5% of scandium. They were used in Russian military aircraft, specifically the Mikoyan Gurevich MiG 21 and MiG 29. A fine dispersion of nano scale precipitate can be achieved via heat treatment that can also strengthen the alloys through order hardening. Recent developments include the additions of transition metals such as zirconium (Zr) and rare earth metals like erbium (Er) produce shells surrounding the spherical |Al3Sc precipitate that reduce coarsening. These shells are dictated by the diffusivity of the alloying element and lower the cost of the alloy due to less Sc being substituted in part by Zr while maintaining stability and less Sc being needed to form the precipitate. These have made |Al3Sc somewhat competitive with titanium alloys along with a wide array of applications. However, titanium alloys, which are similar in lightness and strength, are cheaper and much more widely used. The alloy |Al20Li20Mg10Sc20Ti30 is as strong as titanium, light as aluminium, and hard as some ceramics. Some items of sports equipment, which rely on lightweight high performance materials, have been made with scandium aluminium alloys, including baseball bats, tent poles and bicycle frames and components. Lacrosse sticks are also made with scandium. The American firearm manufacturing company Smith & Wesson produces semi automatic pistols and revolvers with frames of scandium alloy and cylinders of titanium or carbon steel. Since 2013, Apworks GmbH, a spin off of Airbus, have marketed a high strength Scandium containing aluminium alloy processed using metal 3D Printing (Laser Powder Bed Fusion) under the trademark Scalmalloy which claims very high strength & ductility.
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.
The first scandium based metal halide lamps were patented by General Electric and made in North America, although they are now produced in all major industrialized countries. Approximately 20 kg of scandium (as |Sc2O3) is used annually in the United States for high intensity discharge lamps. One type of metal halide lamp, similar to the mercury vapor lamp, is made from scandium triiodide and sodium iodide. This lamp is a white light source with high color rendering index that sufficiently resembles sunlight to allow good color reproduction with TV cameras. About 80 kg of scandium is used in metal halide lamps/light bulbs globally per year. Dentists use erbium chromium doped yttrium scandium gallium garnet (|Er,Cr:YSGG) lasers for cavity preparation and in endodontics.
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.
The radioactive isotope 46Sc is used in oil refineries as a tracing agent. The 12.4 keV nuclear transition of 45Sc has been studied as a reference for timekeeping applications, with a theoretical precision as much as three orders of magnitude better than the current caesium reference clocks.
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.
Elemental scandium is considered non toxic, though extensive animal testing of scandium compounds has not been done. The median lethal dose (LD50) levels for scandium chloride for rats have been determined as 755 mg/kg for intraperitoneal and 4 g/kg for oral administration. In the light of these results, compounds of scandium should be handled as compounds of moderate toxicity. Scandium appears to be handled by the body in a manner similar to gallium, with similar hazards involving its poorly soluble hydroxide.