Википедија

Скандијум

Хемијски елемент са симболом Sc и атомским бројем 21.

Скандијум (Sc, лат. scandium) метал је 3. групе периодног система елемената.[1] Има 12 изотопа чије се атомске масе налазе између 40-51. Стабилан је само 45, који чини скоро 100% његовог изотопа у природи.[2]

Скандијум
коцкица елемента (1 cm³);
сублим. дендритик (два комада сл. сталагмитима)
Општа својства
Име, симболскандијум, Sc
Изгледсребрнасто бео
У периодноме систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон
–
↑
Sc
↓
Y
калцијум ← скандијум → титанијум ‍
Атомски број (Z)21
Група, периодагрупа 3, периода 4
Блокd-блок
Категорија  прелазни метал
Рел. ат. маса (Ar)44,955908(5)[1]
Ел. конфигурација[Ar] 3d1 4s2
по љускама
2, 8, 9, 2
Физичка својства
Агрегатно стањечврсто
Тачка топљења1814 K ​(1541 °‍C, ​2806 °F)
Тачка кључања3109 K ​(2836 °‍C, ​5136 °F)
Густина при с.т.2,985 g/cm3
течно ст., на т.т.2,80 g/cm3
Топлота фузије14,1 kJ/mol
Топлота испаравања332,7 kJ/mol
Мол. топл. капацитет25,52 J/(mol·K)
Напон паре
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 1645 1804 (2006)
P (Pa) 103 104 105
на T (K) (2266) (2613) (3101)
Атомска својства
Оксидациона стања+3, 2,* 1**
*[2], **[3]
(амфотерни оксид)
Електронегативност1,36
Енергије јонизације1: 633,1 kJ/mol
2: 1235,0 kJ/mol
3: 2388,6 kJ/mol
(остале)
Атомски радијус162 pm
Ковалентни радијус170±7 pm
Валсов радијус211 pm
Линије боје у спектралном распону
Спектралне линије
Остало
Кристална структура ​збијена хексагонална (HCP)
Збијена хексагонална (HCP) кристална структура за скандијум
Топл. ширењеα, poly: 10,2 µm/(m·K) (на с.т.)
Топл. водљивост15,8 W/(m·K)
Електроотпорностα, poly: 562 nΩ·m (на с.т., израчунато)
Магнетни распоредпарамагнетан
Магнетна сусцептибилност (χmol)+315,0·10−6 cm3/mol (292 K)[4]
Јангов модул74,4 GPa
Модул смицања29,1 GPa
Модул стишљивости56,6 GPa
Поасонов коефицијент0,279
Бринелова тврдоћа736–1200 MPa
CAS број7440-20-2
Историја
Именовањепо Скандинавији
ПредвиђањеДмитриј Мендељејев (1871)
Откриће и прва изолацијаЛарс Нилсон (1879)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (t1/2) ТР ПР
44m2Sc syn 58,61 h ИТ 44Sc
γ 44Sc
ε 44Ca
45Sc 100% стабилни
46Sc syn 83,79 d β− 46Ti
γ –
47Sc syn 80,38 d β− 47Ti
γ –
48Sc syn 43,67 h β− 48Ti
γ –
референце • Википодаци

Сматра се за један од најређих елемената, будући да га нема нигде у великим количинама, а главни минерал је тортевеитит. Открио га је Ларс Фридрик Нилсон 1879. године у Упсали, Шведска.

Једина позната једињења скандијума су његове соли са остацима органских киселина и хидриди. Та једињења немају никакав практични значај. А од биолошког значаја, претпоставља се да недостатак скандијума изазива рак, али о томе не постоје прецизни подаци.

Скандијум се добија електролизом растопа скандијум-хлорида, на цинканој катоди, при чему настаје легура цинка и скандијума, а цинк се затим уклања испаравањем при ниском притиску.

Историја

уреди

Мендељејев, за којег се везује надимак отац периодног система, предвидео је постојање елемента којег је назвао ека-бор, за који је сматрао да има атомску масу између 40 и 48. Тек 1879. Ларс Фредрик Нилсон и његови сарадници открили су овај елемент у саставу минерала еуксенита и гадолинита. Нилсон је добио око 2 грама скандијум-оксида врло високе чистоће.[5][6] Новом елементу дао је име scandium из латинског Scandia, према Скандинавији. Нилсон наводно није био упознат са Мендељејевијим предвиђањима, али је ту чињеницу запазио Клив и о његовом открићу обавестио Мендељејева.[7]

Метални скандијум је први пут добијен 1937. електролизом еутектичне смесе калијума, литијума и скандијум-хлорида при температури од 700–800°C.[8] Прва већа количина 99% чистог металног скандијума произведена је 1960. Његово кориштење у алуминијувим легурама почело је 1971. што је патентирано у САД.[9] Легуре алуминијума и скандијума такође су биле развијене и у бившем Совјетском Савезу.[10]

Ласерски кристали гадолинијум-скандијум-галијум граната (ГСГГ) кориштени су у апликацијама за развој стратешке одбране (у склопу америчке стратешке одбрамбене иницијативе или SDI) током 1980-их и 1990-их.[11][12]

Особине

уреди

Скандијум је мек метал сребрнастог изгледа. Када је изложен ваздуху, делимично се оксидује и прекрива слојем оксида   попримајући благу златно-жуту или ружичасту нијансу. Подложан је атмосферским утицајима и споро се раствара у већини разблажених киселина. Не реагује са мешавином азотне (HNO3) i 48%-тне флуороводичне киселине (HF) у односу 1:1, а сматра се да је то због стварања непропусног пасивизирајућег слоја. Опиљци скандијума се могу запалити у присуству ваздуха, при чему сагоревају бљештавим жутим пламеном и дајући скандијум(III) оксид.[13]

Хемијско понашање скандијума је сличније алуминијуму него елементима треће групе, којој и припада. Узрок томе су сличне вредности редокс-потенцијала.

Реагује са врућом водом, са киселинама гради соли. Врло дуго је имао само теоријски значај и није имао никакву практичну примену. Ипак у задње време почео је да се користи као додатак за легуре од којих се праве антене за мобилне телефоне, јер он поседује јединствене електромагнетне особине које дозвољавају редукцију величине тих антена.

Изотопи

уреди

Скандијум постоји у природи искључиво као изотоп 45Sc, који има нуклеарни спин 7/2. Постоји 13 познатих радиоактивних изотопа међу којима су најстабилнији изотопи 46Sc са временом полураспада од 83,8 дана, затим 47Sc са временом полураспада од 3,35 дана и 48Sc са временом полураспада од 43,7 дана. Сви остали радиоактивни изотопи имају времена полураспада краћа од 4 сата, а већина од тих имају времена полураспада краћа од 2 минута. Овај елемент такође има и пет метастабилних изотопа међу којима је најстабилнији 44mSc (t1/2 = 58,6 h).[14]

Изотопи скандијума крећу се од 36Sc до 60Sc. Њихов примарни начин распада код оних чије су масе ниже од јединог стабилног изотопа, 45Sc, јесте електронски захват, док је примарни начин распада код тежих изотопа емисија бета зрака. Основни производ распада код изотопа са атомским тежинама испод 45Sc је калцијум док су код изотопа са вишим атомским тежинама изотопи титанијума.[14]

Заступљеност

уреди

У погледу распрострањености у Земљиној кори, скандијум није толико редак. Процене о његовој заступљености се крећу од 18 до 25 ppm, што се отприлике може поредити са распрострањеношћу кобалта (20–30 ppm). Скандијум је тек 50. најчешћи елемент на Земљи (односно 35. најраспрострањенији у кори), али је истовремено и 23. по распрострањености на Сунцу.[15] Ипак, скандијум је врло оскудно дистрибуиран те се налази у траговима у многим минералима.[16] Ретки минерали из Скандинавије[17] и са Мадагаскара[18] као што су тортвеитит, еуксенит и гадолинит су једини познати извори где је скандијум концентриран у довољној мери. Минерал тортвеитит може садржавати и до 45% скандијума у облику скандијум(III) оксида.[17]

Стабилни облик скандијума настаје у супернови путем р-процеса.[19]

Добијање

уреди

Производња скандијума у свету је реда величине око 2 тоне годишње у облику скандијум оксида. Примарна производња износи око 400 кг, док се остатак односи на залихе које је Русија направила током Хладног рата. У 2003. постојала су само три рудника из којих се добијао скандијум: рудници уранијума и жељеза у Жовти Води у Украјини, рудник ретких метала у Бајен Обоу у Кини, те рудник апатита на полуострву Кола у Русији. У сваком од њих, скандијум је био нуспроизвод издвајања других елемената и метала[20] а на тржиште је долазио као скандијум-оксид. Производња металног скандијума је реда величине око 10 kg годишње.[20][21] При томе се оксид прво преводи у скандијум(III) флуорид те се затим редукује са металним калцијумом.

Мадагаскар и подручје око Ивеланда и Евје у јужној Норвешкој једини имају депозите минерала са великим уделом скандијума, тортвеитита (Sc,Y)2(Si2O7) и колбекита ScPO4·2H2O, али се они не експлоатишу.[21] Недостатак сигурне, стабилне и дугорочне производње у знатној мери је ограничио комерцијалну употребу скандијума. Међутим, и поред слабе употребе, скандијум нуди значајне погодности. Нарочито је обећавајућа особина појачавања легура алуминијума незнатним додавањем до 0,5% скандијума. Цирконијума (цирконијум диоксид) стабилизован скандијумом има све већу потражњу на тржишту за употребу као електролит високих перформанси у горивим ћелијама са чврстим оксидима.

Употреба

уреди
 
Делови авиона МиГ-29 начињени су из легуре Al-Sc.[22]

Додавање скандијума у алуминијум ограничава неконтролиран раст зрна који се дешава у зонама под великим утицајем топлоте узроковане заваривањем компоненти од алуминијума. Ово има два пожељна ефекта: исталожени Al3Sc формира мање кристале од оних пронађених у другим легурама алуминијума,[22] а запремина зоне без талога, која обично постоји на границама зрна код алуминијских легура стврднутих обичним хлађењем, је смањена.[22] Оба ова ефекта на одређени начин повећавају корисност легуре. Међутим, легуре титанијума, које су доста сличне по снази и лакоћи, много су јефтиније и у знатно широј употреби.[23]

Легура са ознаком Al20Li20Mg10Sc20Ti30 се показала да је снажна као титанијум, лака попут алуминијума, а тврда као керамика.[24]

Основна употреба скандијума по тежини је у алуминијумско-скандијумским легурама које служе за израду мањих компоненти у авиоиндустрији. Те легуре садрже између 0,1% и 0,5% скандијума. Кориштене су у производњи руских војних авиона, нарочито за МиГ-21 и МиГ-29.[22]

Неки предмети међу спортском опремом, за које је потребно користити материјале високих перформанси, направљени су од легура скандијум-алуминијума, међу којима су бејзбол палице[25] и делови и рамови за бицикла.[26] Штапови за лакрос су такође једним делом направљени од скандијума. Америчка компанија за производњу оружја Smith & Wesson користи легуре скандијума за израду револвера, где оне улазе у састав оквира и кућишта, док се за цеви револвера користе титанијумски или угљенични челици.[27][28] Стоматолози користе кристалне ласере од ербијум-хрома: итријум-скандијум-галијум граната (скр. Er, Cr: YSGG) за уклањање каријеса и у ендодонцији.[29]

Прве метал-халогене лампе засноване на скандијуму патентирао је Џенерал електрик, а првобитно их је почео производити за тржиште Северне Америке. Данас се оне производе у готово свим развијенијим индустријским земљама света. Око 20 kg (у виду Sc2O3) скандијума се годишње потроши у САЂу за производњу високоинтензитетних лампи на бази пражњења.[15] Скандијум јодид, заједно са натријум јодидом, када се додаје у измењени облик лампе на бази живиних пара, добија се једна врста метал-халогене лампе. Овакве лампе су извор беле светлости са високим индексом узврата боје, која у довољној мери замењује сунчеву светлост што омогућава добру репродукцију боја код ТВ камера.[30] Око 80 kg скандијума се потроши у свету годишње за производњу метал-халогених лампи односно сијалица.

Радиоактивни изотоп 46Sc користи се у рафинеријама нафте као средство за трасирање.[15] Скандијум трифлат је каталитичка Луисова киселина кориштена у органској хемији.[31]

Галерија

уреди
  •  
    Електронски омотач скандијума
  •  
    Кристали скандијума
  •  
    Тортевеитит – најпознатија руда скандијума
  •  
    Спектралне линије скандијума у видљивом спектру

Референце

уреди
  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ McGuire, Joseph C.; Kempter, Charles P. (1960). „Preparation and Properties of Scandium Dihydride”. Journal of Chemical Physics. 33 (5): 1584—1585. Bibcode:1960JChPh..33.1584M. doi:10.1063/1.1731452. 
  3. ^ Smith, R. E. (1973). „Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals”. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 332 (1588): 113—127. Bibcode:1973RSPSA.332..113S. S2CID 96908213. doi:10.1098/rspa.1973.0015. 
  4. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  5. ^ Nilson, Lars Fredrik (1879). „Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac”. Comptes Rendus (на језику: француски). 8 8: 642—647. 
  6. ^ Nilson, Lars Fredrik (1879). „Ueber Scandium, ein neues Erdmetall”. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (на језику: немачки). 12 (1): 554—557. doi:10.1002/cber.187901201157. 
  7. ^ Cleve, Per Teodor (1879). „Sur le scandium”. Comptes Rendus (на језику: француски). 89: 419—422. 
  8. ^ Fischer, Werner; Brünger, Karl; Grieneisen, Hans (1937). „Über das metallische Scandium”. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (на језику: немачки). 231 (1–2): 54—62. doi:10.1002/zaac.19372310107. 
  9. ^ Burrell, A. Willey Lower "Aluminum scandium alloy" U.S. Patent 3,619,181 objavljen 9.11.1971.
  10. ^ Zakharov, V. V. (2003). „Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys”. Metal Science and Heat Treatment. 45 (7/8): 246. S2CID 135389572. doi:10.1023/A:1027368032062. 
  11. ^ B, Hedrick James. „Scandium”. REEhandbook. Pro-Edge.com. Архивирано из оригинала 2. 6. 2012. г. Приступљено 9. 5. 2012. 
  12. ^ Samstag, Tony (1987). „Star-wars intrigue greets scandium find”. New Scientist: 26. [мртва веза]
  13. ^ "Scandium." Los Alamos National Laboratory. Pristupljeno 17. jula 2013.
  14. ^ а б Audi, Georges; Bersillon, O.; Blachot, J.; Wapstra A.H. (2003). „The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties” (PDF). Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729 (1): 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  15. ^ а б в Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85. izd. Boca Raton: CRC Press. стр. 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9. 
  16. ^ F. Bernhard (2001). „Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria”. Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema. ISBN 90-265-1846-3. 
  17. ^ а б Roy, Kristiansen (2003). „Scandium – Mineraler I Norge” (PDF). Stein (на језику: норвешки): 14—23. 
  18. ^ O. von Knorring; Condliffe, E. (1987). „Mineralized pegmatites in Africa”. Geological Journal. 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619. 
  19. ^ Cameron, A.G.W. (1. 6. 1957). „Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis” (PDF). CRL-41. 
  20. ^ а б Y. Deschamps. „Scandium” (PDF). mineralinfo.com. Архивирано из оригинала (PDF) 24. 3. 2012. г. Приступљено 21. 10. 2008. 
  21. ^ а б „Mineral Commodity Summaries 2008: Scandium” (PDF). United States Geological Survey. Приступљено 20. 10. 2008. 
  22. ^ а б в г Ahmad, Zaki (2003). „The properties and application of scandium-reinforced aluminum”. JOM. 55 (2): 35. Bibcode:2003JOM....55b..35A. S2CID 8956425. doi:10.1007/s11837-003-0224-6. 
  23. ^ Schwarz, James A.; Contescu, Cristian I.; Putyera, Karol (2004). Dekker encyclopédia of nanoscience and nanotechnology. 3. CRC Press. стр. 2274. ISBN 0-8247-5049-7. 
  24. ^ Youssef, Khaled M.; Zaddach, Alexander J.; Niu, Changning; Irving, Douglas L.; Koch, Carl C. (2015). „A Novel Low-Density, High-Hardness, High-entropy Alloy with Close-packed Single-phase Nanocrystalline Structures”. Materials Research Letters. 3 (2): 95—99. S2CID 138054067. doi:10.1080/21663831.2014.985855. 
  25. ^ Bjerklie, Steve (2006). „A batty business: Anodized metal bats have revolutionized baseball. But are finishers losing the sweet spot?”. Metal Finishing. 104 (4): 61. doi:10.1016/S0026-0576(06)80099-1. 
  26. ^ „Easton Technology Report: Materials / Scandium” (PDF). EastonBike.com. Приступљено 3. 4. 2009. 
  27. ^ James, Frank (15. 12. 2004). Effective handgun defense. Krause Publications. стр. 207—. ISBN 978-0-87349-899-9. Архивирано из оригинала 20. 06. 2013. г. Приступљено 8. 6. 2011. 
  28. ^ Sweeney, Patrick (13. 12. 2004). The Gun Digest Book of Smith & Wesson. Gun Digest Books. стр. 34—. ISBN 978-0-87349-792-3. Архивирано из оригинала 21. 06. 2013. г. Приступљено 8. 6. 2011. 
  29. ^ Keyvan, Nouri (9. 11. 2011). „History of Laser Dentistry”. Lasers in Dermatology and Medicine. стр. 464—465. ISBN 978-0-85729-280-3. 
  30. ^ Simpson, Robert S. (2003). Lighting Control: Technology and Applications. Focal Press. стр. 108. ISBN 978-0-240-51566-3. 
  31. ^ Shu, Kobayashi; Manabe, Kei (2000). „Green Lewis acid catalysis in organic synthesis” (PDF). Pure Appl. Chem. 72 (7): 1373—1380. S2CID 16770637. doi:10.1351/pac200072071373. 

Литература

уреди

Спољашње везе

уреди
 
Скандијум на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Скандијум&oldid=27548677”
  NODES
3d 1
Note 1
os 9
web 1