Скандий

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Скандий (лат. Scandium), Sc, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 21, атомная масса 44,9559; легкий металл с характерным желтым отливом, который появляется при контакте металла с воздухом. Известен один природный стабильный изотоп ⁴⁵Sc. Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший ⁴⁶Sc с периодом полураспада 84 сут. Скандий был предсказан Д. И. Менделеевым в 1870 году и выделен в 1879 году Л. Ф. Нилъсоном из минералов гадолинита и эвксенита, найденных в Скандинавии (лат. Scandia), отсюда и название элемента.

Распространение Cкандия в природе. Среднее содержание Скандия в земной коре (кларк) 2,2·10^-3% по массе. В горных породах содержание Скандия различно: в ультраосновных 5·10^-4, в основных 2,4·10^-3, в средних 2,5·10^-4, в гранитах и сиенитах 3·10^-4; в осадочных породах (1-1,3)·10^-4. Скандий концентрируется в земной коре в результате магматических, гидротермальных и гипергенных (поверхностных) процессов. Известно два собственных минерала Скандия - тортвейтит и стерреттит; они встречаются чрезвычайно редко. В целом Скандий - типичный рассеянный элемент, слабый мигрант. Содержание Скандия в морской воде 4·10^-5 г/л.

Физические свойства Cкандия. Скандий существует в двух кристаллических модификациях: α и β; при обычной температуре устойчива α-модификация с гексагональной решеткой (а = 3,3080 Å и с = 5,2653 Å), выше 1350 °С - β-модификация с кубической объемноцентрированной решеткой. Плотность Скандия в α-форме при 25 °С 3,020 г/см³, атомной радиус 1,64 Å, ионный радиус 0,75Å, (t_пл 1539 °С, t_кип 2700 °С, выше 1600 °С летуч. При 25 °С удельная теплоемкость 25,158 кдж/(кг·К) [6,01 ккал/(г·°С)], удельная электрическое сопротивление (54-70,7)·10^-6 ом·см; Скандий слабый парамагнетик, его атомная магнитная восприимчивость 236·10^-6 (20 °С). Скандий - мягкий металл, в чистом состоянии легко поддается обработке - ковке, прокатке, штамповке.

Химические свойства Cкандия. Sc - первый переходный элемент с одним 3d-электроном; конфигурация внешних электронов атома 3d¹4s². По химические поведению сходен с других переходными элементами в степени окисления +3 (например, Ti³⁺, Fe³⁺, Mn³⁺), элементами подгруппы Al, Be, а также элементами иттриевой подгруппы, вместе с которыми его иногда относят к редкоземельным элементам. На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой толщиной до 600Å, заметное окисление начинается при 250 °С. При взаимодействии с водородом (450 °С) образуется гидрид ScH₂, с азотом (600-800 °С) - нитрид ScN, с галогенами (400-600 °С) -соединения типа SсСl₃; Скандий реагирует также с бором и кремнием при температуре выше 1000 °С. Металл легко растворяется в соляной, азотной и серной кислотах (с понижением концентрации кислоты скорость растворения Скандия резко падает и с 0,001 н. растворами он не реагирует). Соли соляной, серной, азотной, роданистоводородной и уксусной кислот хорошо растворяются в воде, а соли фосфорной, щавелевой и плавиковой кислот мало растворимы; некоторой летучестью обладают ацетилацетонат и его фторпроизводные. На Скандий практически не действуют разбавленные растворы NaOH (10%) и смесь концентрированных HNO₃ и HF (1 : 1). В воде соединения Скандия заметно гидролизуются с образованием основных солей. Ионы Sc³⁺ склонны к полимеризации, образованию комплексных ионов различного типа, состав которых зависит от природы аниона и рН среды, например Sс(СО₃)₂^-, Sc (SO₄)₃^3-. Основные соли в растворе легко переходят в аморфный гидрооксид.

Получение Cкандия. Скандий преимущественно в виде оксидов извлекают попутно при гидро- и пирометаллургической переработке вольфрамовых, оловянных, титановых, урановых руд и бокситов. Оксиды хлорируют или фторируют при повышенной температуре, а затем компактный металлический Скандий (выход ~99,5%) получают термическим восстановлением его хлорида или фторида металлическим кальцием с последующей дистилляцией (возгонкой) Sc в высоком вакууме 133,3·10^-6 н/м² (10^-6 мм рт. ст.) при 1600-1700 °С.

Применение Cкандия. Оксид Скандия идет на изготовление ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин. Радиоактивный ⁴⁶Sc используется в нейтронно-активационном анализе и в медицине. Сплавы Скандия, обладающие небольшой плотностью и высокой температурой плавления, перспективны как конструкционные материалы в ракето- и самолетостроении, а ряд соединений Скандия может найти применение при изготовлении люминофоров, оксидных катодов, в стекольном и керамическом производствах, в химической промышленности (в качестве катализаторов) и в других областях.