Скандий, свойства атома, химические и физические свойства

2Sc 6HCl _(разб.) => 2ScCl₃ 3H₂↑

8Sc 30HNO_{3(оч. разб.)}
=> 8Sc(NO₃)₃ 3NH₄NO₃
9H₂O

Sc 6NO₂ => Sc(NO₃)3 3NO*

*Условие: до 120° C

С растворами NaOH при концентрации до 10% скандий практически
не взаимодействует, с более концентрированными
растворами NaOH он взаимодействует медленно.

Скандий – прекрасный
геттер, он очень легко поглощает 
газы, взаимодействуя с ними, на воздухе 
при 20^о С покрывается защитной плёнкой
Sc₂O₃ толщиной 0,15-0,60 нм. Заметное
окисление металлического порошкообразного
скандия на воздухе начинается при 250^о
С, в атмосфере кислорода – при 200^о,
тонкая плёнка металлического скандия
(40 нм) полностью окисляется при 300^о
С. Реакция окислении протекает гораздо
быстрее в присутствии воды.

4Sc 3O₂ => 2Sc₂O₃
*

*Условие:  200-250° C, сгорание на воздухе

4Sc 6H₂O 3O₂ => 4Sc(OH)₃

При окислении металла 
на воздухе и в вакууме поверхность металла в интервале
20-1200^о С состоит только из Sc₂O₃
и лишь выше 1200^о
С образуется смесь Sc₂O₃
и ScH_x. Была выявлена аналогия в реакциях
взаимодействия скандия с О₂, H₂O
и CO₂. Реакции бимолекулярны, установлена
зависимость константы скорости реакции
от температуры. Скорость реакции максимальна
для О₂. В случае Н₂О и СО₂
она крайне мала и не зависит от температуры.
Взаимодействие с водородом происходит
при 450^о С (ScH_x), c галогенами
– в области 400-600^о
С (ScHal₃), реакция с азотом начинается
только выше 600^о
С (ScN) и протекает со значительной скоростью
при 800^о С.

2Sc N2 => 2ScN*

*Условие: 500-900° C

Скандий реагирует с подавляющим большинством
металлов, образуя интерметаллические
соединения или твёрдые растворы. Лишь
с ограниченным числом металлов (Cr, V, Nb,
Ta) бинарные системы Sc-M относятся к простому
эвтектическому типу, причем состав эвтектик
характеризуется повышенным содержанием
скандия (75-97 ат%), а температура плавления
колеблется от 1080^о
С (Sc-Cr) до 1519^о C (Sc-Ta). Система Ba-Sc характеризуется
ограниченной растворимостью компонентов
в жидком и твёрдом состояниях.

Введение скандия в 
различные металлы и сплавы существенно изменяет
их свойства (прочность, коррозионную
устойчивость, электрические и магнитные
характеристики и т.п.), что позволяет создавать
уникальные материалы. В частности, были
получены интерметаллиды и многочисленные
сплавы, обладающие повышенной термической
устойчивостью, высокими прочностными
характеристиками, коррозионной стойкостью,
пластичностью, комплексом оптимальных
механических и литейных свойств, радиационной
устойчивостью. Среди них обнаружены полупроводники,
ферромагнетики, антиферромагнетики.

5.2 Бинарные бескислородные 
соединения

Со всеми неметаллами,
за исключением инертных газов, скандий 
образует бинарные соединения. Большинство 
из них представляют интерес для 
создания новых материалов в электронной 
технике и других областях современной техники.

Гидриды скандия. Скандий образует с водородом соединение
состава ScH₂ и тригидридную фазу
ScH_2,8.

Sc 2H => ScH₂

Для бинарной системы Sc-H₂
характерна значительная растворимость
водорода в скандии: 33 ат% Н (20^о
С) и 39 ат% Н (1000^о
С).

Гидриды скандия относятся 
к классу металлических гидридов,
это – типичные фазы внедрения 
водорода в пустоты кристаллической 
решётки металлического скандия. Природа 
химической связи близка к анионной
модели с отрицательным зарядом 
на атоме водорода в решётке солеобразных
гидридов. ScH₂ кристаллизуется с
образованием гранецентрированной кубической
решетки, ScH_2,8 – гексагональной плотнейшей.

Тригидридная фаза характеризуется 
невысокой термической устойчивостью,
она разлагается при 460^о С, превращаясь в ScH₂, который
при температурах выше 500^о
С диссоциирует с незначительной скоростью,
заметное разложение наблюдается при
1000^о С. По сравнению с дигидридами
РЗЭ ScH₂ отличается меньшей химической
активностью. Он в течении нескольких
суток не окисляется на воздухе при комнатной
температуре, не реагирует с водой, медленно
и неполностью взаимодействует с разбавленными
кислотами.

Бориды скандия. Представлены рядом составов (ScB₂,
ScB₆, ScB₁₂, ScB₁₉, ScB₂₈).
Однако в системе Sc-B установлено существование
двух равновесных фаз, отвечающих составу
соединений ScB₂
и ScB₁₂. Это – тугоплавкие соединения.
Связь Sc-B и ScB₂
типично ковалентная. Они устойчивы на
воздухе до 600^о, выше 700^о
достаточно быстро окисляется с образованием
боратов, причем окисление ScB₁₂
протекает с большей скоростью по сравнению
с ScB₂.

Карбиды скандия. Из всех известных бинарных соединений
карбиды скандия отличаются многообразием
составов. Относятся к классу солеобразно-ковалентно-металлических
соединений. ScC – тугоплавкое и твёрдое
соединение, электронный проводник. Чистый
ScC устойчив по отношению к воде, в присутствии
примесей легко разлагается водой, гидролиз
протекает с выделением преимущественно
СН₄ и Н₂.

ScC H2O – ScO CH4

Силициды скандия. Известны три бинарных соединения (Sc₅Si₃,
ScSi и Sc₃Si₅), которые являются
равновесными фазами в системе Sc-Si. Наибольшей
устойчивостью отличается ScSi. Для силицидов
скандия характерно образование тройных
соединений.

Соединения скандия 
с N, P, As, Sb. Для этой группы неметаллов характерно
образование соединений состава ScЭ. В
этой группе (Э – N, P, As) наиболее устойчив
ScN, свойства которого изучены достаточно
разносторонне. ScN устойчив в холодной
и горячей воде и на воздухе до 550^о
С, разлагается растворами минеральных
кислот и щелочей.

2Sc N2 => 2ScN*

*Условие: 500-900° C

5.3 Оксиды скандия

Скандий образует с кислородом
единственное устойчивое тугоплавкое 
бинарное соединение, Sc₂O₃, со стабильной объемноцентрированной
кубической структурой. Кристаллический
кубический оксид скандия устойчив в воде,
медленно растворяется в растворах. Скорость
растворения увеличивается с повышением
концентрации кислоты и при нагревании.

4Sc 3O₂ => 2Sc₂O₃
*

*Условие:  200-250° C, сгорание на воздухе

6.  Применение металла, его соединений и сплавов

6.1 Применение в металлургии

         Применение скандия в виде микролегирующей
примеси оказывает значительное влияние
на ряд практически важных сплавов, так
например прибавление 0,4 % скандия к сплавам
алюминий-магний повышает временное сопротивление
на 35 %, а предел текучести на 65—84 %, и при
этом относительное удлинение остаётся
на уровне 20—27 %. Добавка 0,3—0,67 % к хрому,
повышает его устойчивость к окислению
вплоть до температуры 1290 °C, и аналогичное
но ещё более ярко выраженное действие
оказывает на жаростойкие сплавы типа
«нихром» и в этой области применение
скандия куда как 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
1030 °C, 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.

6.2 Сплавы скандия

         Главным по объёму применением скандия
является его применение в алюминиево-скандиевых
сплавах, применяемых в спортивной экипировке
(мотоциклы, бейсбольные биты и т. п.) —
везде, где требуется высокопрочные материалы.
В сплаве с алюминием скандий обеспечивает
дополнительную прочность и ковкость.
Предел прочности на разрыв у чистого
скандия около 400 Мпа (40 кг/мм), у титана
например 250—350 МПа, а у нелегированного
иттрия 300 Мпа. Применение скандиевых сплавов
в авиации и 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
так же 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 700 кг/мм² (свыше
7000 МПа).

6.3 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
98,7 — 120 ГПа), нитрида бора (боразона), (около
77—87 ГПа), сплава бор-углерод-кремний (около
68—77 ГПа), и существенно больше чем у карбида
бора(43,2 — 52 ГПа), карбида кремния (37 ГПа),
микротвёрдость сплава карбида скандия
и карбида титана около 53,4 ГПа (у карбида
титана например 29,5 ГПа). 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 может явится лучшим материалом для
строительства 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).

6.4 Микроэлектроника

         Оксид скандия (температура плавления
2450 °C) 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 2 — 3 КГаусс до 0,8
— 1 КГаусс.)

         Обычно ферриты, применяемые в системах
магнитной памяти, изготовляют из окислов
железа, магния и марганца, и они обладают
остаточной индукцией примерно 2000…3000
Гаусс. Они способны перемагничиваться
примерно 300 тыс. раз в секунду, т.е. ежесекундно
передавать 300 тыс. единиц информации.
При большей частоте перемагничивания
они быстро разогреваются и теряют свои
замечательные магнитные свойства.

         В связи с колоссальной сложностью задач,
которые приходится решать электронно-счетным
машинам, эта скорость стала недостаточной.
Появилась потребность в новых ферримагнитных
материалах, которые позволили бы увеличить
быстродействие электронных машин. Советские
физики Д.Е. Бондарев и Ю.В. Басихин в начале
60-х годов разрабатывали ферриты с пониженной
остаточной индукцией, которые можно было
бы изготовлять не изменяя существующей
технологии. Испытывались различные композиции,
но технология приготовления ферритов
новых марок почти не отличалась от традиционной.
Вскоре были получены ферриты с окисью
скандия, индукция которых не превышала
800…1000 Гаусс. Это в 3 раза меньше, чем у
обычных! Поэтому же намного уменьшился
разогрев сердечников при высокочастотном
перемагничиваний, что позволило создать
систему магнитной памяти, в два-три раза
более быстродействующую, чем обычные.
Такая память меньше реагирует на помехи
и работает во много раз надежнее.

6.5 Источники света

         Порядка 80 кг 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.

6.6 Применение изотопов скандия

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

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

6.7 Применение в других областях

1. Медицина:

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

2. Лазерные материалы:

Высокотемпературной сверхпроводимости,
производстве лазерных материалов (ГСГГ).
Галлий-скандий-гадолиниевый гранат при 
легировании его ионами хрома 
и неодима позволил получить 4,5 % КПД и
рекордные параметры в частотном режиме
генерации сверхкоротких импульсов, что
даёт 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 (добываемого
на Луне), в смесях с гелием-3 лазерный термоядерный
микровзрыв уже получен.

3. 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
(400—930 нм), и снижает спектральный коэффициент
отражения света от кремния до 1—4 %, и при
его применении у такого модифицированного
фотоэлемента увеличивается ток короткого
замыкания на 35—70 %, что в свою очередь
позволяет увеличить выходную мощность
фотопреобразователей в 1,4 раза.

4. Применение в качестве катализатора
5. МГД-генераторы: