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 реакциях он участия не принимает. Скандий является рассеянным элементом и входит в состав многих минералов. Собственно скандиевых минералов известно 2: тортвейтит (Sc,Y)2Si2O7 (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 — J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965. 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 месторождения 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: СтранаОбъём добычи,не менее,кг/годКитай50Франция100Норвегия120США500Япония30Казахстан700Украина610Россия958
Скандий можно назвать металлом XXI века и прогнозировать резкий рост добычи, цены и спроса на него в связи с переработкой огромного количества каменного угля (особенно в России) в 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.