Scândio, com símbolo de elemento Sc e número atômico 21, é facilmente solúvel em água, pode interagir com água quente e escurece facilmente no ar. Sua valência principal é +3. Muitas vezes é misturado com gadolínio, érbio e outros elementos, com baixo rendimento e teor de aproximadamente 0,0005% na crosta. O escândio é frequentemente usado para fazer vidros especiais e ligas leves de alta temperatura.
Atualmente, as reservas comprovadas de escândio no mundo são de apenas 2 milhões de toneladas, 90~95% das quais estão contidas em minérios de bauxita, fosforita e ferro-titânio, e uma pequena parte em minérios de urânio, tório, tungstênio e terras raras, principalmente distribuído na Rússia, China, Tajiquistão, Madagascar, Noruega e outros países. A China é muito rica em recursos de escândio, com enormes reservas minerais relacionadas com o escândio. De acordo com estatísticas incompletas, as reservas de escândio na China são de cerca de 600.000 toneladas, que estão contidas em depósitos de bauxita e fosforita, depósitos de pórfiro e veios de quartzo de tungstênio no sul da China, depósitos de terras raras no sul da China, depósito de minério de ferro de terras raras Bayan Obo em Mongólia Interior e depósito de magnetita de titânio vanádio Panzhihua em Sichuan.
Devido à escassez do escândio, o preço do escândio também é muito alto e, no seu pico, o preço do escândio foi inflacionado para 10 vezes o preço do ouro. Embora o preço do escândio tenha caído, ainda é quatro vezes o preço do ouro!
Descobrindo a História
Em 1869, Mendeleev notou uma lacuna na massa atômica entre o cálcio (40) e o titânio (48) e previu que também havia aqui um elemento de massa atômica intermediária não descoberto. Ele previu que seu óxido é X ₂ O Å. O escândio foi descoberto em 1879 por Lars Frederik Nilson, da Universidade de Uppsala, na Suécia. Ele o extraiu da mina de ouro negro raro, um minério complexo que contém 8 tipos de óxidos metálicos. Ele extraiuÓxido de érbio (III)de minério de ouro negro raro e obtidoÓxido de itérbio (III)deste óxido, existe outro óxido de elemento mais leve, cujo espectro mostra que se trata de um metal desconhecido. Este é o metal previsto por Mendeleev, cujo óxido éSc₂O₃. O próprio metal escândio foi produzido a partir deCloreto de escândiopor fusão eletrolítica em 1937.
Mendeleev
Configuração eletrônica
Configuração eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
O escândio é um metal de transição macio, branco prateado, com ponto de fusão de 1541 ℃ e ponto de ebulição de 2831 ℃.
Durante um período considerável de tempo após a sua descoberta, o uso do escândio não foi demonstrado devido à sua dificuldade de produção. Com a melhoria crescente dos métodos de separação de elementos de terras raras, existe agora um fluxo de processo maduro para purificar compostos de escândio. Como o escândio é menos alcalino que o ítrio e o lantanídeo, o hidróxido é o mais fraco, então o mineral misto de elemento de terras raras contendo escândio será separado do elemento de terras raras pelo método de “precipitação em etapas” quando o hidróxido de escândio (III) for tratado com amônia após sendo transferido para solução. O outro método é separar o nitrato de escândio pela decomposição polar do nitrato. Como o nitrato de escândio é o mais fácil de se decompor, o escândio pode ser separado. Além disso, a recuperação abrangente do escândio acompanhante de urânio, tório, tungstênio, estanho e outros depósitos minerais também é uma importante fonte de escândio.
Após a obtenção de um composto de escândio puro, ele é convertido em ScCl Å e co-fundido com KCl e LiCl. O zinco fundido é usado como cátodo para eletrólise, fazendo com que o escândio precipite no eletrodo de zinco. Em seguida, o zinco é evaporado para obter o escândio metálico. Este é um metal branco prateado leve com propriedades químicas muito ativas, que pode reagir com água quente para gerar gás hidrogênio. Portanto, o escândio metálico que você vê na foto é selado em uma garrafa e protegido com gás argônio; caso contrário, o escândio formará rapidamente uma camada de óxido amarelo escuro ou cinza, perdendo seu brilho metálico brilhante.
Aplicativos
Indústria de iluminação
Os usos do escândio concentram-se em direções muito brilhantes, e não é exagero chamá-lo de Filho da Luz. A primeira arma mágica do escândio é chamada lâmpada de escândio sódico, que pode ser usada para levar luz a milhares de lares. Esta é uma luz elétrica de iodetos metálicos: a lâmpada é preenchida com iodeto de sódio e triiodeto de escândio, e escândio e folha de sódio são adicionados ao mesmo tempo. Durante a descarga de alta tensão, os íons escândio e os íons sódio emitem, respectivamente, luz com seus comprimentos de onda de emissão característicos. As linhas espectrais do sódio são 589,0 e 589,6 nm, duas famosas luzes amarelas, enquanto as linhas espectrais do escândio são 361,3 ~ 424,7 nm, uma série de emissões de luz quase ultravioleta e azul. Como eles se complementam, a cor geral da luz produzida é a luz branca. É precisamente porque as lâmpadas de escândio sódico têm as características de alta eficiência luminosa, boa cor de luz, economia de energia, longa vida útil e forte capacidade de quebra de neblina que elas podem ser amplamente utilizadas para câmeras de televisão, praças, instalações esportivas e iluminação rodoviária, e são conhecidas como fontes de luz de terceira geração. Na China, este tipo de lâmpada está a ser gradualmente promovido como uma nova tecnologia, enquanto em alguns países desenvolvidos este tipo de lâmpada foi amplamente utilizado já no início da década de 1980.
A segunda arma mágica do escândio são as células solares fotovoltaicas, que podem coletar a luz espalhada no solo e transformá-la em eletricidade para impulsionar a sociedade humana. O escândio é o melhor metal de barreira em células solares de silício semicondutores isolantes metálicos e células solares.
Sua terceira arma mágica é chamada de γ Uma fonte de raios, esta arma mágica pode brilhar sozinha, mas esse tipo de luz não pode ser recebida a olho nu, é um fluxo de fótons de alta energia. Geralmente extraímos 45Sc de minerais, que são os únicos isótopos naturais do escândio. Cada núcleo 45Sc contém 21 prótons e 24 nêutrons. 46Sc, um isótopo radioativo artificial, pode ser usado como fontes de radiação γ ou átomos traçadores também podem ser usados para radioterapia de tumores malignos. Existem também aplicações como laser de granada de ítrio, gálio e escândio,Fluoreto de escândiofibra óptica infravermelha de vidro e tubo de raios catódicos revestido de escândio na televisão. Parece que o escândio nasce com brilho.
Indústria de ligas
O escândio em sua forma elementar tem sido amplamente utilizado para dopagem de ligas de alumínio. Contanto que alguns milésimos de escândio sejam adicionados ao alumínio, uma nova fase Al3Sc será formada, que desempenhará um papel de metamorfismo na liga de alumínio e fará com que a estrutura e as propriedades da liga mudem significativamente. Adicionar 0,2% ~ 0,4% de Sc (que é realmente semelhante à proporção de adição de sal para vegetais fritos em casa, apenas um pouco é necessário) pode aumentar a temperatura de recristalização da liga em 150-200 ℃ e melhorar significativamente a alta -resistência à temperatura, estabilidade estrutural, desempenho de soldagem e resistência à corrosão. Também pode evitar o fenômeno de fragilização que é fácil de ocorrer durante trabalhos de longo prazo em altas temperaturas. Liga de alumínio de alta resistência e alta tenacidade, nova liga de alumínio soldável resistente à corrosão de alta resistência, nova liga de alumínio de alta temperatura, liga de alumínio resistente à irradiação de nêutrons de alta resistência, etc., têm perspectivas de desenvolvimento muito atraentes na indústria aeroespacial, aviação, navios, reatores nucleares, veículos leves e trens de alta velocidade.
O escândio também é um excelente modificador do ferro, e uma pequena quantidade de escândio pode melhorar significativamente a resistência e a dureza do ferro fundido. Além disso, o escândio também pode ser usado como aditivo para ligas de tungstênio e cromo de alta temperatura. Claro, além de fazer roupas de casamento para terceiros, o escândio tem um alto ponto de fusão e sua densidade é semelhante ao alumínio, e também é usado em ligas leves de alto ponto de fusão, como liga de escândio de titânio e liga de escândio de magnésio. No entanto, devido ao seu alto preço, geralmente só é usado em indústrias de manufatura de ponta, como ônibus espaciais e foguetes.
Material cerâmico
O escândio, uma substância única, é geralmente usado em ligas, e seus óxidos desempenham um papel importante em materiais cerâmicos de maneira semelhante. O material cerâmico de zircônia tetragonal, que pode ser usado como material de eletrodo para células a combustível de óxido sólido, possui uma propriedade única onde a condutividade desse eletrólito aumenta com o aumento da temperatura e da concentração de oxigênio no ambiente. No entanto, a estrutura cristalina deste material cerâmico em si não pode existir de forma estável e não tem valor industrial; É necessário dopar algumas substâncias que possam fixar esta estrutura para manter suas propriedades originais. Adicionar 6 a 10% de óxido de escândio é como uma estrutura de concreto, de modo que a zircônia pode ser estabilizada em uma estrutura quadrada.
Existem também materiais cerâmicos de engenharia, como nitreto de silício de alta resistência e resistente a altas temperaturas, como densificadores e estabilizadores.
Como um densificador,Óxido de escândiopode formar uma fase refratária Sc2Si2O7 na borda das partículas finas, reduzindo assim a deformação em alta temperatura da cerâmica de engenharia. Comparado com outros óxidos, pode melhorar melhor as propriedades mecânicas de alta temperatura do nitreto de silício.
Química catalítica
Na engenharia química, o escândio é frequentemente usado como catalisador, enquanto o Sc2O3 pode ser usado para desidratação e desoxidação de etanol ou isopropanol, decomposição de ácido acético e produção de etileno a partir de CO e H2. O catalisador Pt Al contendo Sc2O3 também é um importante catalisador para processos de purificação e refino de hidrogenação de óleo pesado na indústria petroquímica. Em reações de craqueamento catalítico como o Cumeno, a atividade do catalisador zeólito Sc-Y é 1000 vezes maior que a do catalisador de silicato de alumínio; Em comparação com alguns catalisadores tradicionais, as perspectivas de desenvolvimento dos catalisadores de escândio serão muito brilhantes.
Indústria de energia nuclear
Adicionar uma pequena quantidade de Sc2O3 ao UO2 no combustível nuclear do reator de alta temperatura pode evitar a transformação da rede, aumento de volume e rachaduras causadas pela conversão de UO2 em U3O8.
Célula de combustível
Da mesma forma, adicionar 2,5% a 25% de escândio às baterias de níquel alcalino aumentará sua vida útil.
Melhoramento agrícola
Na agricultura, sementes como milho, beterraba, ervilha, trigo e girassol podem ser tratadas com sulfato de escândio (a concentração é geralmente 10-3 ~ 10-8mol/L, plantas diferentes terão diferentes), e o efeito real de promover a germinação foi alcançado. Após 8 horas, o peso seco das raízes e dos botões aumentou 37% e 78% respectivamente em comparação com as plântulas, mas o mecanismo ainda está em estudo.
Da atenção da Nielsen à dívida dos dados de massa atómica até hoje, o escândio entrou na visão das pessoas durante apenas cem ou vinte anos, mas quase ficou no banco durante cem anos. Foi só com o vigoroso desenvolvimento da ciência dos materiais no final do século passado que esta lhe trouxe vitalidade. Hoje, os elementos de terras raras, incluindo o escândio, tornaram-se estrelas quentes na ciência dos materiais, desempenhando papéis em constante mudança em milhares de sistemas, trazendo mais comodidade às nossas vidas todos os dias e criando valor económico ainda mais difícil de medir.
Horário da postagem: 29 de junho de 2023