Введение
Скандий — химический элемент с символом Sc и атомным номером 21. Это серебристо-белый металлический элемент d-блока. Исторически он классифицировался как редкоземельный элемент вместе с иттрием и лантаноидами. Он был открыт в 1879 году посредством спектрального анализа минералов эуксенита и гадолинита из Скандинавии. Скандий содержится в большинстве месторождений редкоземельных и урановых соединений, но добывается из этих руд лишь в нескольких шахтах по всему миру. Из-за ограниченной доступности и сложностей в получении металлического скандия, что впервые удалось сделать в 1937 году, применение скандия не получило развития до 1970-х годов, когда были обнаружены положительные эффекты скандия на алюминиевые сплавы. И по сей день его использование в таких сплавах остаётся основным применением. Мировой объем торговли оксидом скандия составляет 15–20 тонн в год. Свойства соединений скандия занимают промежуточное положение между свойствами алюминия и иттрия. Существует диагональная взаимосвязь между поведением магния и скандия, подобно взаимосвязи между бериллием и алюминием. В химических соединениях элементов 3-й группы преобладающей степенью окисления является +3.
Химические характеристики
Скандий — мягкий металл серебристого цвета. При окислении на воздухе он приобретает слегка желтоватый или розоватый оттенок. Он подвержен воздействию окружающей среды и медленно растворяется в большинстве разбавленных кислот. Он не реагирует со смесью азотной кислоты (HNO3) и 48,0% фтористоводородной кислоты (HF) в соотношении 1:1, вероятно, из-за образования непроницаемого пассивного слоя. Стружка скандия воспламеняется на воздухе ярким жёлтым пламенем, образуя оксид скандия.
Галиды и псевдогалиды
Галиды ScX3, где X = Cl, Br или I, очень растворимы в воде, но ScF3 нерастворим. Во всех четырех галидах скандий имеет координационное число 6. Галиды являются кислотами Льюиса; например, ScF3 растворяется в растворе, содержащем избыток ионов фторида, с образованием [ScF6]³⁻. Координационное число 6 типично для Sc(III). У более крупных ионов Y³⁺ и La³⁺ распространены координационные числа 8 и 9. Трифлат скандия иногда используется в качестве катализатора кислоты Льюиса в органической химии.
Органические производные
Скандий образует ряд органометаллических соединений с циклопентадиенильными лигандами (Cp), аналогично лантаноидам. Одним из примеров является димер, соединенный хлоридными мостиками, [ScCp2Cl]2 и родственные производные с пентаметилциклопентадиенильными лигандами.
Нечастые окислительные состояния
Соединения, содержащие скандий в степенях окисления, отличных от +3, редки, но хорошо изучены. Сине-чёрное соединение CsScCl3 – одно из самых простых. Этот материал имеет структуру, подобную слоям, и демонстрирует обширное взаимодействие между центрами скандия(II). Гидрид скандия изучен недостаточно, хотя, по-видимому, он не является ионным гидридом Sc(II). Более низкие степени окисления (+2, +1, 0) также наблюдаются в органоскандиевых соединениях.
История
Дмитрий Менделеев, которого называют отцом периодической таблицы, предсказал существование элемента экабора в 1869 году, указав атомную массу в пределах от 40 до 48. Ларс Фредрик Нильсон и его команда обнаружили этот элемент в минералах эвксените и гадолините в 1879 году. Нильсон выделил 2 грамма оксида скандия высокой чистоты. Он назвал элемент скандием, по названию латинской Скандинавии (Scandia). Нильсон, по-видимому, не был знаком с предсказанием Менделеева, но Пер Теодор Клив установил соответствие и сообщил об этом Менделееву. Металлический скандий впервые был получен в 1937 году электролизом эвтектической смеси хлоридов калия, лития и скандия при температуре 700–800 °C. Первый фунт скандия чистотой 99% был произведен в 1960 году. Производство алюминиевых сплавов, содержащих скандий, началось в 1971 году после получения патента в США. Алюминиевые сплавы со скандием также были разработаны в СССР. В 1980-х и 1990-х годах лазерные кристаллы граната гадолиния, скандия и галлия (GSGG) использовались в стратегических оборонных разработках, проводившихся в рамках Стратегической оборонной инициативы (SDI).
Алюминиевые сплавы
Основное применение скандия по весу – в алюминиево-скандиевых сплавах для небольших компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% скандия. Они использовались в российских военных самолетах, в частности, МиГ-21 и МиГ-29 разработки Микояна и Гуревича. Тонкое дисперсное осаждение наноразмерных частиц может быть достигнуто посредством термической обработки, которая также упрочняет сплавы за счет упрочнения упорядочением. Недавние разработки включают добавление переходных металлов, таких как цирконий (Zr), и редкоземельных металлов, таких как эрбий (Er), что приводит к образованию оболочек вокруг сферических осадков Al3Sc, уменьшающих их рост. Эти оболочки определяются диффузией легирующих элементов и снижают стоимость сплава за счет частичной замены Sc на Zr, сохраняя при этом стабильность и уменьшая необходимое количество Sc для формирования осадков. Это сделало Al3Sc в некоторой степени конкурентоспособным с титановыми сплавами, расширив область его применения. Однако титановые сплавы, сопоставимые по легкости и прочности, дешевле и гораздо более широко используются. Сплав Al20Li20Mg10Sc20Ti30 обладает прочностью титана, легкостью алюминия и твердостью некоторых керамических материалов. Из алюминиево-скандиевых сплавов изготавливают некоторые предметы спортивного инвентаря, требующие легких и высокопроизводительных материалов, включая бейсбольные биты, стойки палаток, рамы и компоненты велосипедов. Клюшки для лакросса также производятся со скандием. Американская компания Smith & Wesson производит полуавтоматические пистолеты и револьверы с рамами из скандиевого сплава и цилиндрами из титана или углеродистой стали. С 2013 года Apworks GmbH, дочерняя компания Airbus, предлагает высокопрочный алюминиевый сплав, содержащий скандий, обработанный методом металлической 3D-печати (лазерное порошковое спекание) под торговой маркой Scalmalloy, который характеризуется очень высокой прочностью и пластичностью.
Источники света
Первые металлогалогенные лампы на основе скандия были запатентованы компанией General Electric и изготовлены в Северной Америке, хотя сейчас они производятся во всех крупных индустриально развитых странах. Около 20 кг скандия (в виде Sc2O3) ежегодно используется в США для ламп высокого давления. Один тип металлогалогенной лампы, аналогичный ртутной лампе, изготавливается из трийодида скандия и йодида натрия. Эта лампа является источником белого света с высоким индексом цветопередачи, достаточно близким к солнечному свету, чтобы обеспечить хорошее воспроизведение цвета при использовании с телевизионными камерами. Во всем мире ежегодно используется около 80 кг скандия в металлогалогенных лампах/лампочках. Стоматологи используют лазеры на основе граната иттрия, скандия, галлия, легированного эрбием и хромом (|Er,Cr:YSGG|) для подготовки полости и в эндодонтии.
Другое
Радиоактивный изотоп 46Sc используется в нефтеперерабатывающей промышленности в качестве трассера. Ядерный переход 45Sc с энергией 12,4 кэВ изучался как эталон для применений в области точного времени с теоретической точностью, превосходящей современные цезиевые атомные часы на три порядка.
Здоровье и безопасность
Элементарный скандий считается нетоксичным, хотя всесторонние исследования соединений скандия на животных не проводились. Средняя смертельная доза (LD50) хлорида скандия для крыс установлена на уровне 755 мг/кг при внутрибрюшинном введении и 4 г/кг при пероральном применении. Учитывая эти результаты, с соединениями скандия следует обращаться как с веществами умеренной токсичности. Скандий, по-видимому, усваивается организмом аналогично галлию, с сопоставимыми рисками, связанными с его плохо растворимым гидроксидом.