Скандий – Уикипедия

Скандий
Сребристобял метал
Спектрални линии
Калций ← Скандий → Титан – ↑ Sc ↓ Y H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z	Скандий, Sc, 21
Група, период, блок	3, 4, d
Химическа серия	преходен метал
Електронна конфигурация	[Ar] 3d1 4s2
e- на енергийно ниво	2, 8, 9, 2
CAS номер	7440-20-2
Свойства на атома
Атомна маса	44,955910 u
Атомен радиус (изч.)	160 (162) pm
Ковалентен радиус	170±7 pm
Радиус на ван дер Ваалс	211 pm
Степен на окисление	3, 2[1], 1[2]
Оксид	Sc2O3 (амфотерен)[3]
Електроотрицателност (Скала на Полинг)	1,36
Йонизационна енергия	I: 633,1 kJ/mol II: 1235 kJ/mol III: 2388,6 kJ/mol (още)
Физични свойства
Агрегатно състояние	твърдо вещество
Кристална структура	шестоъгълна плътно опакована
Плътност	2985 kg/m3
Температура на топене	1814 K (1541 °C)
Температура на кипене	3109 K (2836 °C)
Моларен обем	15×10-6 m3/mol
Специф. топлина на топене	14,1 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение	332,7 kJ/mol
Налягане на парата P (Pa) 1 10 102 103 104 105 T (K) 1645 1804 2006 2266 2613 3101
Специф. топл. капацитет	568 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост	1,77×106 S/m
Специф. ел. съпротивление	0,562 Ω.mm2/m
Топлопроводимост	15,8 W/(m·K)
Магнетизъм	парамагнитен[4]
Модул на еластичност	74,4 GPa
Модул на срязване	29,1 GPa
Модул на свиваемост	56,6 GPa
Коефициент на Поасон	0,279
Твърдост по Бринел	736 – 1200 MPa
История
Наименуван	на Скандинавия
Откритие	Ларс Фредрик Нилсон (1879 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР 44m2Sc синт. 58,61 ч. ИП 44Sc γ – ε 44Ca 45Sc 100 % стабилен 46Sc синт. 83,79 дни β- 46Ti γ – 47Sc синт. 80,38 дни β- 47Ti γ – 48Sc синт. 43,67 ч. β- 48Ti γ –
Скандий в Общомедия

Скандий е химичен елемент със символ Sc и атомен номер 21. Той е сребристо-бял преходен метал от d-блока, a исторически е класифициран и като редкоземен елемент,^[5] заедно с итрия и лантанидите. Открит е през 1879 г., чрез спектрален анализ на минералите евксенит и гадолинит в Скандинавия.

Скандият присъства в повечето находища на редкоземните и уранови съединения, но се извлича от тези руди, само на няколко места в света. Поради ниския добив и трудностите при отделянето му, скандият е бил извличан в много малки количества до 70-те години на миналия век. По-късно са установени полезните ефекти на скандия в сплави с други метали, като алуминия и употребата му в такива сплави става главното му приложение. Световната търговия със скандиев оксид е около 10 тона годишно.

Свойствата на скандиевите съединения са подобни на тези на алуминия и итрия. Наблюдава се диагонално сходство в свойствата на магнезий и скандий, точно както между берилия и алуминия. В химичните си съединения, проявява предимно трета степен на окисление.

Менделеев предсказва съществуването на елемента ека-бор, с атомна маса 40 – 48 през 1869 г.

Ларс Фредрик Нилсон и неговият екип откриват този елемент в минералите евксенит и гадолинит, десет години по-късно. Нилсон подготвя 2 грама скандиев оксид с висока чистота.^[6][7] Той нарича елемента скандий от латинското Scandia – „Скандинавия“.

Чист скандий е произведен за първи път през 1937 г., чрез електролизата на евтектична смес от калиев, литиев и скандиев хлорид, при 700 – 800 °С.^[8] Производството на алуминиеви сплави започва през 1971 г., а после бива патентовано от САЩ.^[9] Алуминиево-скандиеви сплави са били разработвани и в СССР.^[10]

Скандият е мек метал със сребрист външен вид. Изложен на въздух, той се окислява и придобива жълтеникав или розов оттенък. Разтваря се бавно в повечето разредени киселини. Той не реагира с азотна киселина (HNO₃) (в отношение 1:1) и с 48% флуороводородна киселина (HF), вероятно поради пасивирането му. Скандиеви стружки се възпламенят във въздуха с блестящ жълт пламък, като образуват скандиев оксид (Sc₂O₃).^[11]

В природата, скандият се среща най-вече като изотопа ⁴⁵Sc, който има спин 7/2 и е единственият му стабилен изотоп. Тринадесет радиоизотопа са известни, като най-стабилният е ⁴⁶Sc, който е с период на полуразпад от 83,8 дни, ⁴⁷Sc – 3,35 дни, ⁴⁴Sc – 4 часа и ⁴⁸Sc – 43,7 часа. Всички останали радиоактивни изотопи на скандия имат период на полуразпад по-малък от 4 часа, като по-голямата част от тях са с период на полуразпад по-малко от 2 минути. Скандият има пет мета-състояния, като най-стабилното е ^44mSc (t^1/2 = 58,6 часа).^[12]

Изотопите на скандия са с масови числа от ³⁶Sc до ⁶⁰Sc. Основният начин на разпад, за изотопите преди ⁴⁵Sc е електронен захват, а от ⁴⁵Sc до ⁶⁰Sc е бета-разпад. Продуктите на разпад на изотопите на скандия до ⁴⁵Sc са предимно калциеви изотопи, а след ⁴⁵Sc са титаниеви изотопи.^[12]

В земната кора, скандият не е от рядкосрещаните елементи, въпреки името на групата в която е. Количествата варират от 18 до 25 ppm, което е сравнимо с наличността на кобалта (20 – 30 ppm). Скандият е 50-ият най-често срещан елемент на Земята (35-и в земната кора) и е 23-тият най-често срещан елемент в Слънцето.^[13] Скандият обаче се разпределя по малко и в много минерали.^[14] Редките минерали от Скандинавия^[15] и Мадагаскар,^[16] като тортвейтит, евксенит и гадолинит са единствените известни по-концентрирани минерали, съдържащи този елемент. Тортвейтитът може да съдържа до 45% скандий под формата на скандиев(III) оксид.^[15]

Стабилната форма на скандия се създава в суперновите, чрез R-процеса.^[17]

Скандият почти винаги е под формата на тривалентния йон Sc³⁺. Радиусите на М³⁺ йоните в таблицата по-долу показват, че химичните свойства на скандиевите йони имат повече общо с итриевите и лантанидните йони, отколкото с алуминиевите йони. Заради това си сходство, скандият често се класифицира като елемент, наподобяващ лантанидите.

Йонен радиус (pm)

Al	Sc	Y	La	Lu
53,5	74,5	90,0	103,2	86,1

Оксидът Sc₂O₃ и хидроксидът Sc(ОН)₃ са амфотерни:

${\displaystyle {\ce {Sc(OH)3 + 3OH- -> [Sc(OH)6]^3-}}}$

${\displaystyle {\ce {Sc(OH)3 + 3H^+ + 3H2O -> [Sc(H2O)6]^3+}}}$

Формите α- и γ-скандиев оксохидроксид (ScO(OH)) са изоструктурни на алуминиевия оксохидроксид.^[18] Разтворите на Sc³⁺ във вода са киселинни поради хидролизата му.

Халогенидите ScX₃, където X = Cl, Br, I, са разтворими във вода, а ScF₃ е неразтворим. Във всичките четири халида, скандият е с координационно число – 6. Халидите му са Люисови киселини. Например, ScF₃ се разтваря в разтвор съдържащ излишък от флуоридни йони, до получаване на комплекса [ScF₆]^3-. Координационното число 6 е типично за Sc(III). При по-големитете йони Y³⁺, La³⁺ и Lu³⁺, координационните числа 8 и 9 са често срещани. Скандиевият(III) трифлат, понякога се използва като Люисова киселина в органичната химия.

Скандият образува множество органометални съединения, под формата на циклопентадиенилови лиганди (Ср), като в това отношение силно наподобява лантанидите. Такъв е димерът [ScCp₂Cl]₂ и производните на пентаметилциклопентадиенил– лигандите.^[19]

Съединения, които имат степен на окисление, различни от 3, са редки, но наблюдавани. Синьо-черното съединение цезиево-скандиев хлорид (CsScCl₃) е едно от най-простите. Този материал оформя листоподобна структура, която показва удълженото свързване между центровете на скандиевите(II) йони.^[20] Скандиевите бориди и карбиди са нестехиометрични, както е характерно и за съседните елементи.^[21]

По-ниски степени на окисление (2, 1) също са наблюдавани и в органоскандиевите съединения.^{[22][23][24][25]}

Световното производство на скандий е от порядъка на 10 тона годишно, под формата на скандиев оксид. Търсенето е с около 50% повече, и както производството, така и търсенето продължават да се увеличават. През 2003 г. само на три места са произвеждали скандий – урановите и железни мини в Жолтие води, Украйна, мините за редкоземни метали в Баян Обо, Китай и мините за апатит на полуостров Кола, Русия. Оттогава насам, доста други държави са изградили съоръжения за производство на скандий. В повечето случаи, скандият е страничен продукт при извличането на други елементи и се продава като скандиев оксид.^[26][27][28]

За да се получи чист скандий, оксидът се превръща в скандиев флуорид, който се редуцира с калций.

В Мадагаскар и в Норвегия се срещат минералите с високо съдържание на скандий – тортвейтит (Sc·Y)₂(Si₂O₇) и колбекит ScPO₄·2H₂O, но те не се използват.^[27]

Поради липсата на надеждно, сигурно, стабилно и дългосрочно производство на скандий, има ограничени търговски приложения за него. Въпреки ниското ниво на употреба, скандият има значителни предимства. Особено обещаващо е подсилването на алуминиевите сплави с до около 0,5% скандий. Стандартизираният, със скандий, цирконий се радва на нарастващо пазарно търсене, за използване като високоефективен електролит в горивните клетки с твърди оксиди.

Добавянето на скандия към алуминий, подобрява издръжливостта в зоната на загряване на заварените алуминиеви компоненти. Въпреки това, титановите сплави, които са сходни в лекота и сила, са по-евтини и много по-широко използвани.^[30]

Сплавта Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀ е толкова силна, колкото е титана, лека като алуминий и твърда като керамика.

Основното приложение на скандий, в отношение тегло, е в алуминиево-скандиевите сплави, за части, използвани в космическата индустрия. Тези сплави съдържат между 0,1 % и 0,5 % скандий. Те са били използвани при производството на руските военни самолети – МиГ-21 и МиГ-29.^[29]

Някои елементи за спортно оборудване, които разчитат на висококачествени материали, са направени от скандиево-алуминиеви сплави, включително бейзболни бухалки^[31] и велосипедни рамки и части.^[32]

В денталната медицина се използва ербиево-хромен лазер с добавен итриево-скандиево-галиев гранат (ErCr:YSGG) при лечението на кариеси и в ендодонтията.^[33]

Първите скандиево-халогенни лампи са патентовани от „Дженерал Илектрик“ и първоначално са произвеждани в САЩ, въпреки че сега се произвеждат във всички големи индустриализирани страни. Един тип метало-халогенна лампа, подобна на лампата с живачен изпарител, е направена от скандиев йодид и натриев йодид. Тази лампа е източник на бяла светлина с висок индекс на цветопредаване, който наподобява слънчевата светлина и позволява добро възпроизвеждане на цветовете на видеокамерите.^[34]

Радиоактивният изотоп, ⁴⁶Sc се използва в нефтени рафинерии като проследяващ агент. Скандиевият трифлат е каталитична киселина на Люис, използвана в органичната химия.^[35]

Скандият се счита за нетоксичен, макар че не е направено обстойно изследване на скандиевите съединения върху животни.^[36] Средната летална доза на скандиев(III) хлорид за плъхове, се смята че е около 4 мг/кг при директно инжектиране, и 755 мг/кг при орален прием.^[37] Според тези резултати, съединенията на скандия се смятат за умерено-токсични.

• Редкоземен елемент
• Група 3 на периодичната система

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Scandium в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите. ​ ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.​