Magisches Seltenerdelement Scandium

SCandium, mit dem Elementsymbol Sc und der Ordnungszahl 21, ist in Wasser leicht löslich, kann mit heißem Wasser interagieren und verdunkelt sich leicht an der Luft. Seine Hauptwertigkeit ist+3. Es wird oft mit Gadolinium, Erbium und anderen Elementen vermischt, mit geringer Ausbeute und einem Gehalt von etwa 0,0005 % in der Kruste. Scandium wird häufig zur Herstellung von Spezialglas und leichten Hochtemperaturlegierungen verwendet.

Derzeit belaufen sich die nachgewiesenen Scandiumreserven auf der Welt nur auf 2 Millionen Tonnen, wovon 90 bis 95 % in Bauxit-, Phosphorit- und Eisentitanerzen enthalten sind und ein kleiner Teil hauptsächlich in Uran-, Thorium-, Wolfram- und Seltenerderzen enthalten ist vertrieben in Russland, China, Tadschikistan, Madagaskar, Norwegen und anderen Ländern. China ist sehr reich an Scandiumressourcen und verfügt über riesige Scandium-Mineralreserven. Unvollständigen Statistiken zufolge belaufen sich die Scandiumreserven in China auf etwa 600.000 Tonnen, die in Bauxit- und Phosphoritlagerstätten, Porphyr- und Quarzgang-Wolframlagerstätten in Südchina, Seltenerdlagerstätten in Südchina und Bayan Obo-Seltenerdeisenerzlagerstätten in China enthalten sind Innere Mongolei und Vanadium-Titan-Magnetit-Lagerstätte Panzhihua in Sichuan.

Aufgrund der Knappheit von Scandium ist auch der Preis für Scandium sehr hoch, und auf seinem Höhepunkt war der Preis für Scandium auf das Zehnfache des Goldpreises angestiegen. Obwohl der Scandiumpreis gefallen ist, ist er immer noch viermal so teuer wie Gold!

Geschichte entdecken

Im Jahr 1869 bemerkte Mendelejew eine Lücke in der Atommasse zwischen Kalzium (40) und Titan (48) und sagte voraus, dass es hier auch ein unentdecktes Element mit mittlerer Atommasse gebe. Er sagte voraus, dass sein Oxid X₂O Å ist. Scandium wurde 1879 von Lars Frederik Nilson von der Universität Uppsala in Schweden entdeckt. Er gewann es aus der Mine für seltenes schwarzes Gold, ein komplexes Erz, das 8 Arten von Metalloxiden enthält. Er hat extrahiertErbium(III)-oxidaus schwarzem, seltenem Golderz und gewonnenYtterbium(III)-oxidVon diesem Oxid gibt es ein weiteres Oxid eines leichteren Elements, dessen Spektrum zeigt, dass es sich um ein unbekanntes Metall handelt. Dies ist das von Mendeleev vorhergesagte Metall, dessen Oxid istSc₂O₃. Das Scandiummetall selbst wurde daraus hergestelltScandiumchloriddurch elektrolytisches Schmelzen im Jahr 1937.

Mendelejew

Elektronenkonfiguration

Elektronenkonfiguration: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1

Scandiummetall

Scandium ist ein weiches, silberweißes Übergangsmetall mit einem Schmelzpunkt von 1541 ℃ und einem Siedepunkt von 2831 ℃.

Für einen beträchtlichen Zeitraum nach seiner Entdeckung konnte die Verwendung von Scandium aufgrund seiner schwierigen Herstellung nicht nachgewiesen werden. Mit der zunehmenden Verbesserung der Trennmethoden für Seltenerdelemente gibt es mittlerweile einen ausgereiften Prozessablauf zur Reinigung von Scandiumverbindungen. Da Scandium weniger alkalisch ist als Yttrium und Lanthanid, ist das Hydroxid das schwächste. Daher wird das Scandium enthaltende gemischte Seltenerdelement-Mineral durch die „Stufenfällungsmethode“ vom Seltenerdelement getrennt, wenn Scandium(III)-hydroxid anschließend mit Ammoniak behandelt wird in Lösung überführt wird. Die andere Methode besteht darin, Scandiumnitrat durch polare Zersetzung von Nitrat abzutrennen. Da sich Scandiumnitrat am leichtesten zersetzt, kann Scandium abgetrennt werden. Darüber hinaus ist auch die umfassende Gewinnung von begleitendem Scandium aus Uran-, Thorium-, Wolfram-, Zinn- und anderen Mineralvorkommen eine wichtige Scandiumquelle.

Nachdem eine reine Scandiumverbindung erhalten wurde, wird diese in ScCl Å umgewandelt und zusammen mit KCl und LiCl geschmolzen. Das geschmolzene Zink wird als Kathode für die Elektrolyse verwendet, wodurch sich Scandium an der Zinkelektrode niederschlägt. Anschließend wird das Zink verdampft, um metallisches Scandium zu erhalten. Dabei handelt es sich um ein leichtes silberweißes Metall mit sehr aktiven chemischen Eigenschaften, das mit heißem Wasser reagieren kann, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Das Metall Scandium, das Sie auf dem Bild sehen, ist also in einer Flasche versiegelt und mit Argongas geschützt, sonst bildet Scandium schnell eine dunkelgelbe oder graue Oxidschicht und verliert seinen glänzenden metallischen Glanz.

Anwendungen

Beleuchtungsindustrie

Die Verwendungsmöglichkeiten von Scandium konzentrieren sich auf sehr helle Richtungen, und es ist keine Übertreibung, es den Sohn des Lichts zu nennen. Die erste magische Waffe von Scandium heißt Scandium-Natriumlampe, mit der Tausende von Haushalten Licht gebracht werden können. Dies ist ein elektrisches Metallhalogenidlicht: Die Glühbirne ist mit Natriumiodid und Scandiumtriiodid gefüllt, und gleichzeitig werden Scandium und Natriumfolie hinzugefügt. Bei der Hochspannungsentladung emittieren Scandiumionen bzw. Natriumionen Licht ihrer charakteristischen Emissionswellenlängen. Die Spektrallinien von Natrium sind 589,0 und 589,6 nm, zwei berühmte gelbe Lichter, während die Spektrallinien von Scandium 361,3–424,7 nm sind, eine Reihe von Emissionen im nahen Ultraviolett und im blauen Licht. Da sie sich gegenseitig ergänzen, entsteht insgesamt weißes Licht. Gerade weil Scandium-Natriumlampen die Eigenschaften einer hohen Lichtausbeute, einer guten Lichtfarbe, Energieeinsparung, einer langen Lebensdauer und einer starken Fähigkeit zum Brechen von Nebel aufweisen, können sie häufig für Fernsehkameras, Plätze, Sportstätten und Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. und werden als Lichtquellen der dritten Generation bezeichnet. In China wird dieser Lampentyp nach und nach als neue Technologie gefördert, während dieser Lampentyp in einigen entwickelten Ländern bereits in den frühen 1980er Jahren weit verbreitet war.

Die zweite magische Waffe von Scandium sind solare Photovoltaikzellen, die das am Boden gestreute Licht sammeln und in Elektrizität umwandeln können, um die menschliche Gesellschaft anzutreiben. Scandium ist das beste Barrieremetall in Metallisolator-Halbleiter-Silizium-Solarzellen und Solarzellen.

Seine dritte magische Waffe heißt γ. Eine Strahlenquelle. Diese magische Waffe kann von sich aus hell leuchten, aber diese Art von Licht kann mit bloßem Auge nicht empfangen werden, es handelt sich um einen hochenergetischen Photonenfluss. Normalerweise extrahieren wir 45Sc aus Mineralien, das einzige natürliche Isotop von Scandium. Jeder 45Sc-Kern enthält 21 Protonen und 24 Neutronen. 46Sc, ein künstliches radioaktives Isotop, kann als γ-Strahlungsquelle oder Traceratome auch zur Strahlentherapie bösartiger Tumoren eingesetzt werden. Es gibt auch Anwendungen wie Yttrium-Gallium-Scandium-Granat-Laser,ScandiumfluoridGlas-Infrarot-Lichtwellenleiter und scandiumbeschichtete Kathodenstrahlröhre im Fernsehen. Es scheint, dass Scandium mit Helligkeit geboren wird.

Legierungsindustrie

Scandium wird in seiner elementaren Form häufig zur Dotierung von Aluminiumlegierungen verwendet. Solange dem Aluminium einige Tausendstel Scandium zugesetzt werden, bildet sich eine neue Al3Sc-Phase, die in der Aluminiumlegierung eine Rolle bei der Metamorphose spielt und die Struktur und Eigenschaften der Legierung erheblich verändert. Die Zugabe von 0,2 % bis 0,4 % Sc (was dem Salzanteil beim Rühren von gebratenem Gemüse zu Hause sehr ähnlich ist, es ist nur eine geringe Menge erforderlich) kann die Rekristallisationstemperatur der Legierung um 150–200 °C erhöhen und die Temperatur erheblich verbessern -Temperaturfestigkeit, Strukturstabilität, Schweißleistung und Korrosionsbeständigkeit. Dadurch kann auch das Versprödungsphänomen vermieden werden, das bei Langzeitarbeiten bei hohen Temperaturen leicht auftreten kann. Hochfeste und hochzähe Aluminiumlegierungen, neue hochfeste korrosionsbeständige schweißbare Aluminiumlegierungen, neue Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen, hochfeste neutronenbestrahlungsbeständige Aluminiumlegierungen usw. haben sehr attraktive Entwicklungsaussichten in der Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Schiffen, Kernreaktoren, leichte Fahrzeuge und Hochgeschwindigkeitszüge.

Scandium ist auch ein hervorragender Modifikator für Eisen, und eine kleine Menge Scandium kann die Festigkeit und Härte von Gusseisen erheblich verbessern. Darüber hinaus kann Scandium auch als Zusatz für hochtemperaturbeständige Wolfram- und Chromlegierungen verwendet werden. Neben der Herstellung von Hochzeitskleidung für andere hat Scandium natürlich einen hohen Schmelzpunkt und eine ähnliche Dichte wie Aluminium und wird auch in Leichtlegierungen mit hohem Schmelzpunkt wie Scandium-Titan-Legierung und Scandium-Magnesium-Legierung verwendet. Aufgrund seines hohen Preises wird es jedoch im Allgemeinen nur in High-End-Fertigungsindustrien wie Raumfähren und Raketen eingesetzt.

Keramikmaterial

Scandium, ein einzelner Stoff, wird im Allgemeinen in Legierungen verwendet, und seine Oxide spielen in ähnlicher Weise eine wichtige Rolle in keramischen Materialien. Das tetragonale Zirkonoxid-Keramikmaterial, das als Elektrodenmaterial für Festoxid-Brennstoffzellen verwendet werden kann, verfügt über die einzigartige Eigenschaft, dass die Leitfähigkeit dieses Elektrolyten mit zunehmender Temperatur und Sauerstoffkonzentration in der Umgebung zunimmt. Allerdings kann die Kristallstruktur dieses Keramikmaterials selbst nicht stabil existieren und hat keinen industriellen Wert; Es ist notwendig, einige Substanzen zu dotieren, die diese Struktur fixieren können, um ihre ursprünglichen Eigenschaften beizubehalten. Durch die Zugabe von 6–10 % Scandiumoxid entsteht eine Betonstruktur, sodass Zirkonoxid auf einem quadratischen Gitter stabilisiert werden kann.

Darüber hinaus kommen technische Keramikwerkstoffe wie hochfestes und hochtemperaturbeständiges Siliziumnitrid als Verdichter und Stabilisatoren zum Einsatz.

Als VerdichterScandiumoxidkann am Rand feiner Partikel eine feuerfeste Phase Sc2Si2O7 bilden und so die Hochtemperaturverformung von technischer Keramik reduzieren. Im Vergleich zu anderen Oxiden kann es die mechanischen Hochtemperatureigenschaften von Siliziumnitrid besser verbessern.

Katalytische Chemie

In der Chemietechnik wird Scandium häufig als Katalysator verwendet, während Sc2O3 zur Dehydratisierung und Desoxidation von Ethanol oder Isopropanol, zur Zersetzung von Essigsäure und zur Herstellung von Ethylen aus CO und H2 verwendet werden kann. Der Sc2O3 enthaltende PtAl-Katalysator ist auch ein wichtiger Katalysator für Schweröl-Hydrierungsreinigungs- und Raffinierungsprozesse in der petrochemischen Industrie. Bei katalytischen Crackreaktionen wie Cumol ist die Aktivität des Sc-Y-Zeolithkatalysators 1000-mal höher als die des Aluminiumsilikatkatalysators; Im Vergleich zu einigen herkömmlichen Katalysatoren sind die Entwicklungsaussichten für Scandiumkatalysatoren sehr gut.

Kernenergieindustrie

Durch die Zugabe einer kleinen Menge Sc2O3 zu UO2 im Hochtemperaturreaktor-Kernbrennstoff können Gitterumwandlungen, Volumenzuwächse und Risse vermieden werden, die durch die Umwandlung von UO2 in U3O8 verursacht werden.

Brennstoffzelle

Ebenso erhöht die Zugabe von 2,5 % bis 25 % Scandium zu Nickel-Alkali-Batterien deren Lebensdauer.

Landwirtschaftliche Zucht

In der Landwirtschaft können Samen wie Mais, Rüben, Erbsen, Weizen und Sonnenblumen mit Scandiumsulfat behandelt werden (die Konzentration beträgt im Allgemeinen 10-3~10-8mol/L, verschiedene Pflanzen haben unterschiedliche), und die tatsächliche Wirkung der Keimungsförderung wird erzielt wurde erreicht. Nach 8 Stunden stieg das Trockengewicht der Wurzeln und Knospen im Vergleich zu Sämlingen um 37 % bzw. 78 %, der Mechanismus wird jedoch noch untersucht.

Von Nielsens Aufmerksamkeit für die Schulden atomarer Massendaten bis heute ist Scandium erst seit hundert oder zwanzig Jahren in den Blickpunkt der Menschen gerückt, aber es hat fast hundert Jahre lang auf der Bank gesessen. Erst die rasante Entwicklung der Materialwissenschaft im späten letzten Jahrhundert brachte ihm neue Kraft. Heutzutage sind Seltenerdelemente, darunter Scandium, zu heißen Stars in der Materialwissenschaft geworden, spielen in Tausenden von Systemen eine ständig wechselnde Rolle, machen unser Leben jeden Tag komfortabler und schaffen einen wirtschaftlichen Wert, der noch schwieriger zu messen ist.