Скандий

Ска́ндий (химический символ — Sc, от ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 21.

Простое вещество скандий — лёгкий переходный редкоземельный металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния, β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C.

Нахождения в природе 
Скандий — моноизотопный элемент, в природе встречается только один стабильный изотоп скандий-45.

Геохимия и минералогия 
Среднее содержание скандия в земной коре — 10 г/т. Близки по химическим и физическим свойствам к скандию иттрий, лантан и лантаноиды. Во всех природных соединениях скандий, так же как и его аналоги алюминий, иттрий, лантан, проявляет положительную валентность, равную трём, поэтому в окислительно-восстановительных процессах он участия не принимает. Скандий является рассеянным элементом и входит в состав многих минералов. Собственно скандиевых минералов известно 2: тортвейтит (Sc, Y)2 Si2O7 (Sc2O3 до 53,5 %) и стерреттит (кольбекит Sc[PO4]·2H2O (Sc2O3 до 39,2 %). Относительно небольшие концентрации обнаружены примерно в 100 минералах.

В связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn2+, Fe2+, TR (редкоземельным элементам), Hf, Th, U, Zr, главная масса его рассеивается в минералах, содержащих эти элементы. Имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc — Y в тортвейтите и замещение Al в берилле). Гетеровалентное замещение скандием Fe2+ и магния в пироксенах, амфиболах, оливине, биотите широко развито в основных и ультраосновных породах, а замещение циркония — в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1 % Sc2O3), бадделеит (до 0,35 %), касситерит (0,005—0,2 %), вольфрамит (0—0,4 %), ильменорутил (0,0015—0,3 %), торианит (0,46 % Sc2O3), самарскит (0,45 %), минералы надгруппы пирохлора (0,02 %), ксенотим (0,0015—1,5 %), берилл (0,2 %). На настоящее время (2021 год) известен 21 минерал, являющийся собственной фазой скандия: аллендеит, баццит (скандиевый берилл, 3—14,44 %), bonacinaite, каскандит, дависит, эрингаит, heftetjernite, джервисит, ёнаит, кампелит, кангит, кольбекит, кристиансенит, nioboheftetjernite, офтедалит, пангуит, претулит, скандиобабингтонит, тортвейтит, шахдараит-(Y), warkite. В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в темноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований. Наиболее высокие (30 г/т Sc2O3) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc2O3 10 г/т, в кислых — 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в темноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене. Концентрация в морской воде — . Также скандий присутствует в каменном угле, и для его выделения можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков, которая была начата в последние годы в ряде развитых стран.

История и название 
Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как экабор) в статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года, и открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном в минералах эвксените и гадолините. Нильсон получил 2 грамма оксида скандия высокой чистоты. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии ().

Металлический скандий был впервые получен в 1937 году электролизом эвтектической смеси хлоридов калия, лития и скандия при температуре 700—800 °С.

Физические свойства 

Скандий — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния (a=3,3085 Å; с=5,2680 Å; z=2; пространственная группа P63/mmc), β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C, ΔH перехода 4,01 кДж/моль. Температура плавления 1541 °C, температура кипения 2837 °C. Скандий — мягкий металл, с чистотой 99,5 % и выше (в отсутствие O2) легко поддается механической обработке.

Химические свойства 

Химические свойства скандия похожи на таковые у алюминия. В большинстве соединений скандий проявляет степень окисления +3. Компактный металл на воздухе покрывается с поверхности оксидной плёнкой. При нагревании до красного каления реагирует с фтором, кислородом, азотом, углеродом, фосфором. При комнатной температуре реагирует с хлором, бромом и иодом. Реагирует с разбавленными сильными кислотами; концентрированными кислотами-окислителями и HF пассивируется. Реагирует с концентрированными растворами щелочей.

Ион Sc3+ бесцветный диамагнитный, координационное число в водных растворах — 6. Как и в случае алюминия, гидроксид скандия амфотерен и растворяется как в избытке кислот, так и в избытке щелочей; с разбавленным раствором аммиака не реагирует. Хлорид, бромид, иодид и сульфат скандия хорошо растворимы в воде, раствор имеет кислую реакцию вследствие частичного гидролиза, при этом гидратация безводных солей сопровождается бурным выделением тепла. Фторид и фосфат скандия в воде не растворимы, но фторид растворятся в присутствии избытка фторид-ионов с образованием ScF63-. Карбид, нитрид, фосфид, сульфид и карбонат скандия водой нацело гидролизуются. Органические соединения скандия термически относительно устойчивы, но бурно реагируют с водой и воздухом. Они построены в основном при помощи σ-связей Sc-C и представлены алкильными производными и полимерными циклопентадиенидами.

Известны также соединения с низшими степенями окисления скандия (+2, +1, 0). Одно из простейших где скандий находится формально в степени окисления +2 — тёмно-синее твёрдое вещество состава CsScCl3. В этом веществе представлены связи между атомами скандия. Моногидрид скандия ScH наблюдался спектроскопически в условиях высоких температур в газовой фазе. Также низшие степени окисления скандия обнаружены в металлоорганических соединениях.

Получение

Мировые ресурсы скандия 
Скандий добывается как попутный продукт при добыче других полезных ископаемых.

Около  мировой добычи скандия производится на месторождении Баян-Обо (Китай). Запасы скандия на месторождении оцениваются в  Скандий здесь сконцентрирован, в основном, в эгирине, где его среднее содержание составляет  Является попутным продуктом при добыче железа и редкоземельных элементов.

Другие значимые месторождения скандия:

 Урановое месторождение Жёлтые воды (Украина, Днепропетровская область). Скандий сконцентрирован в эгирине и рибеките. Запасы и ресурсы скандийсодержащей руды оценены в  при содержании Sc в среднем .
 Ковдорское бадделеит-апатит-магнетитовое месторождение (Россия, Мурманская область) в фоскорит-карбонатитовом комплексе. Скандий сконцентрирован, в основном, в бадделеите (где среднее содержание Sc2O3 780 г/т), а также пирохлоре, ильмените, цирконолите и ёнаите. Ресурсы Sc2O3 оценены в  при среднем содержании скандия .
 Томторское ниобий-скандий-редкоземельное месторождение (Россия, Якутия) в коре выветривания карбонатитов. Основные минералы-концентраторы скандия — ксенотим, циркон, монацит, а также апатит и рутил. Запасы Sc2O3 по категориям B+C1 оценены в  при среднем содержании Sc2O3 .
 Чуктуконское железо-редкоземельно-ниобиевое месторождение (Красноярский край):  Sc2O3.
 Гидротермально-метасоматическое Кумирское скандий-уран-редкоземельное месторождение (Россия, Алтай). Минерал-концентратор скандия — тортвейтит, а также турмалин и слюды. Ресурсы скандия  при содержании Sc2O3 от 50 до .
 Ниобий-иттрий-фтористые тортвейтит-содержащие пегмтатиты района Ивеланн-Эвье в Норвегии, разрабатываемые в 20 веке до 1960-х годов.
 Латеритовые месторождение в Австралии: Нинган (запасы  руды при среднем содержании скандия  Сьерстон  руды при среднем содержании скандия .

Тортвейтит-содержащие пегматиты известны на Мадагаскаре (районы Бефанамо и Береро, частично разрабатывались до 1950-х годов) и в США (округ Равалли, штат Монтана). Также скандий присутствует в каменном угле, и предположительно для его добычи можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков.

Производство и потребление скандия 

В 1988 году производство оксида скандия в мире составило:

Скандий можно назвать металлом XXI века и прогнозировать резкий рост его добычи, рост цен и спрос в связи с переработкой огромного количества каменных углей (особенно переработка каменных углей России) на жидкое топливо.

В 2015—2019 годах средняя цена составила $107—$134 за грамм металлического скандия, и $4—$5 за грамм Sc2O3

Применение

Металлургия 
Применение скандия в виде микролегирующей примеси оказывает значительное влияние на ряд практически важных сплавов, так, например, прибавление  скандия к сплавам алюминий-магний повышает временное сопротивление разрыву на  а предел текучести на  и при этом относительное удлинение остаётся на уровне  Добавка  к хрому повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры  и аналогичное, но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия значительно эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так, прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при  в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия — это один из лучших материалов для конструкций, работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники.

Сплавы скандия 
Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, велосипеды, бейсбольные биты и т. п.) и самолётостроении — везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость.

Например, легирование алюмо-магниевого сплава АМг6 скандием в отсутствие дополнительного упрочнения повышает предел прочности с 32 до  а предел текучести — с 16 до  (после 30-процентной нагартовки те же показатели составляют соответственно 42 и  у АМг6НПП против 45 и 36  у сплава 01570Н). Для сравнения, предел прочности на разрыв у чистого скандия около   у титана, например,  а у нелегированного иттрия —  Применение скандиевых сплавов в авиации и гражданском ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надёжность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Очень важно и то обстоятельство, что скандий упрочняет алюминиевые сплавы, легированные гафнием.

Важной и практически не изученной областью применения скандия является то обстоятельство, что подобно легированию иттрием алюминия легирование чистого алюминия скандием также повышает электропроводность проводов, и эффект резкого упрочнения имеет большие перспективы для применения такого сплава для транспортировки электроэнергии (ЛЭП). Сплавы скандия — наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов. Ряд специальных сплавов скандия, композитов на скандиевой связке весьма перспективен в области конструирования скелета киборгов. В последние годы важная роль скандия (и отчасти иттрия и лютеция) выявилась в производстве некоторых по составу суперпрочных мартенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали прочность свыше  (свыше 

Некоторое количество скандия расходуется для легирования жаростойких сплавов никеля с хромом и железом (нихромы и фехрали) для резкого увеличения срока службы при использовании в качестве нагревательной обмотки для печей сопротивления.

Сверхтвёрдые материалы 
Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость (в 2 раза), что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза (около  нитрида бора (боразона), (около  сплава бор-углерод-кремний (около  и существенно больше, чем у карбида бора  карбида кремния  Микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около  (у карбида титана, например,  Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости.

Так, например, бериллид скандия (1 атом скандия и 13 атомов бериллия) обладает наивысшим благоприятным сочетанием плотности, прочности и высокой температуры плавления, и во многих отношениях подходит для аэрокосмической техники, превосходя в этом отношении лучшие сплавы из известных человечеству на основе титана, и ряд композиционных материалов (в том числе ряд материалов на основе нитей углерода и бора).

Микроэлектроника 
Оксид скандия (температура плавления  имел важнейшую роль в производстве супер-ЭВМ: ферриты с малой индукцией при использовании в устройствах хранения информации позволяют увеличить скорость обмена данными в несколько раз из-за снижения остаточной индукции с  до

Источники света 
Порядка  скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.

Изотопы скандия 

Радиоактивный изотоп 46Sc (период полураспада 83,83 суток) используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов и радиотерапии раковых опухолей.

Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 суток) является одним из лучших источников позитронов.

Ядерная энергетика 
В атомной промышленности с успехом применяется гидрид и дейтерид скандия — прекрасные замедлители нейтронов и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах.

Диборид скандия (температура плавления  применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а также как материал катодов электронных приборов.
В атомной промышленности находит применение бериллид скандия в качестве отражателя нейтронов, и, в частности, этот материал, равно как и бериллид иттрия, предложен в качестве отражателя нейтронов в конструкции атомной бомбы.

Медицина 
Важную роль оксид скандия может сыграть в медицине (высококачественные зубные протезы).

Лазерные материалы 
Скандий используется в устройствах высокотемпературной сверхпроводимости, производстве лазерных материалов (ГСГГ). Галлий-скандий-гадолиниевый гранат (ГСГГ) при легировании его ионами хрома и неодима позволил получить  КПД и рекордные параметры в частотном режиме генерации сверхкоротких импульсов, что создаёт весьма оптимистичные предпосылки для создания сверхмощных лазерных систем для получения термоядерных микровзрывов уже на основе чистого дейтерия (инерциальный синтез) уже в самом ближайшем будущем. Так, например, ожидается, что в ближайшие 10—13 лет лазерные материалы на основе ГСГГ и боратов скандия займут ведущую роль в разработке и оснащении лазерными системами активной обороны для самолётов и вертолётов в развитых странах, и параллельно с этим развитие крупной термоядерной энергетики с привлечением гелия-3, в смесях с гелием-3 лазерный термоядерный микровзрыв уже получен.

Производство солнечных батарей 
Оксид скандия в сплаве с оксидом гольмия используется в производстве фотопреобразователей на основе кремния в качестве покрытия. Это покрытие имеет широкую область прозрачности  и снижает спектральный коэффициент отражения света от кремния до  и при его применении у такого модифицированного фотоэлемента увеличивается ток короткого замыкания на  что, в свою очередь, позволяет увеличить выходную мощность фотопреобразователей в 1,4 раза.

МГД-генераторы 
Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-генераторов, к основной керамической массе добавляют предварительно окисленный хром и спекают, что придаёт материалу повышенную прочность и электропроводность. Наряду с диоксидом циркония как электродным материалом для МГД-генераторов, хромит скандия обладает более высокой стойкостью к эрозии соединениями цезия (используемого в качестве плазмообразующей добавки).

Рентгеновские зеркала 
Скандий широко применяется для производства многослойных рентгеновских зеркал (композиции: скандий-вольфрам, скандий-хром, скандий-молибден).
Теллурид скандия очень перспективный материал для производства термоэлементов (высокая термо-э.д.с,  и малая плотность и высокая прочность).

В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до  рутением (температура плавления до  железом (температура плавления до  (жаропрочность, умеренная плотность и др).

Огнеупорные материалы 
Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления  играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так, например, наиболее устойчивый оксид иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области, можно сказать, незаменим. Его широкому применению препятствует лишь весьма высокая цена, и в известной степени альтернативным решением в этой области является применение скандатов иттрия, армированных нитевидными кристаллами оксида алюминия для увеличения прочности), а также применение танталата скандия.

Производство фианитов 
Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором.

Люминофоры 
Борат скандия, равно как и борат иттрия, применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.

Биологическая роль 
Скандий не играет никакой биологической роли.

Примечания

Литература 
 Коган Б. И., Названова В. А. Скандий. — М.: Изд-во АН УССР, 1963. — 304 с. с илл.

Ссылки 

 Скандий на Webelements
 Скандий в Популярной библиотеке химических элементов

Металлы
Редкоземельные элементы
Элементы, предсказанные Дмитрием Менделеевым
Переходные металлы