Характеристика и свойства скандия

СКАНДИЙ

Этот серебристый металл почти так же легок, как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь.

Этого металла на земле в 60 раз больше, чем серебра, но стоит он намного дороже золота.

До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов периодической системы. Ныне с его помощью решена одна из важных проблем вычислительной техники.

Экабор Менделеева

1 марта 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев разослал в научные учреждения России и других стран первое изображение «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это был отдельный листок, мало похожий на известную теперь всему миру менделеевскую таблицу.

Таблица появилась двумя годами позже.

В 1871 г. ее клетки, предназначенные для 21, 31 и 32-го элементов, занимали вопросительные знаки. Но рядом с ними, как и в других клетках, стояли цифры атомных весов.

Элемент №21 Менделеев предложил предварительно назвать экабором, «производя это название от того, что он следует за бором, а слог эка производится от санскритского слова, означающего один». Два других получили названия экасилиция и экаалюминия. В том же 1871 г. в статье, опубликованной в журнале Русского химического общества, Менделеев подробно описал свойства всех трех «эков».

«Экабор, - писал он, - в отдельности должен представлять металл... Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах...»

Открытие экабора произошло еще при жизни Д.И. Менделеева, в 1879 г. Шведский химик Ларе Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора.

В честь Скандинавии Нильсон назвал этот элемент скандием.

Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделить этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей.

Сравнительно чистый металлический скандий (94...98%) был получен лишь в 1937 г.

Не так редок, как рассеян...

Почти полвека потратили ученью на выделение элемента №21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 2,2·10-³%. Это значит, что в земле его немного меньше, чем свинца, но почти в 500 раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым.

Наиболее богатый скандием минерал - тортвейтит - один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за 40 с лишним лет, с 1911 но 1952 г., на норвежских рудниках было добыто всего 23 кг тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности добыча тортвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла... 50 кг. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы - стерреттит, кольбекит, больцит.

Зато в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чехословацкими учеными.

Первая стадия - обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твердый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем ее высушивают и прокаливают в газовой печи при 600...700°C. В результате получают светло-розовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твердой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь окиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо - методом эфирной экстракции.

Затем следует еще серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.

Очищенную окись скандия еще раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при 1100°C и превращают в окись.

Получение металлического скандия из окисла - не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее фтористым водородом или бифторидом аммония NH₄F · HF. Чтобы переход Sc₂O₃ в ScF₃ был полным, реакцию проводят дважды.

Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при 850°C и идет в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600°C. Полученный металлический скандии и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем - от 3 до 5% тантала.

Последняя стадия очистки - вакуумная дистилляция. Температура 1650...1750°C, давление 10-⁵ мм ртутного столба. После окончания операции в слитке будет около 95% скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99% - еще более сложный многоступенчатый процесс.

Несмотря на это, ученые идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последнее время важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд.

О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в 40-х годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.

Блеск и нищета элемента №21

Чем же ценен скандий?

Прежде всего он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см³, а температура плавления 660°C. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539°C. Плотность стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5...7,9 г/см³, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°C, на 9° ниже, чем скандий).

Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента №21.

Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью.

Благодаря этим свойствам скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость.

Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титано-алюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в алюминий увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав...

Искали применения скандию и в ядерной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры цены сводили на нет достоинства элемента №21. Отсюда, конечно, не следует, что эти работы были бесполезными. Напротив, они имели исключительно важное значение, так как помогали выяснить, при каких условиях в настоящем и будущем применение скандия было бы; целесообразным.

В последние годы стоимость скандия, его соединений и сплавов постепенно уменьшается. Если в 1959 г. килограмм окиси скандия стоил в США от 15 до 30 тыс. долларов, то через год - уже меньше девяти тысяч. Металлический скандий в это же время стоил соответственно 70 и 45 тыс. долларов. Однако и последние цифры трудно назвать иначе, как астрономическими.

Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным. У этого невзрачного, очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но...

Скандий и математика

Совершим краткий экскурс в один из разделов вычислительной техники.

Важнейший узел любой электронной вычислительной машины - это запоминающее устройство. Его роль сводится к тому, чтобы накапливать в машине поступающую информацию.

Вид запоминающего устройства во многом определяет тип всей машины. У разных машин оперативная память разная. В одних ее функции выполняют электронно-лучевые трубки, в других основой запоминающего устройства служат ферритовые ячейки. Этот тип оперативной памяти наиболее распространен и вот почему: ферритовая память более надежна; кроме того, она хранит полученную информацию неограниченно долго, не требуя на это затрат энергии.

Как и большинство устройств электронно-вычислительной машины, магнитная память работает по принципу «да - нет»: либо сигнал имеется, либо отсутствует. Если через обмотку ферритового сердечника подать положительный сигнал, то сердечник намагнитится в одном направлении, если отрицательный - в противоположном направлении.

При снятии сигнала ферритовый сердечник остается намагниченным, причем направление намагниченности сохраняется. Состояние сердечника будет характеризовать записанный сигнал. Как прочесть его?

Через обмотку ферритовой ячейки подается сигнал определенной полярности, например положительной. Если направление магнитного потока, создаваемого сигналом, противоположно направлению магнитного потока в сердечнике, произойдет его перемагничивание, и в выходной обмотке возникнет электродвижущая сила. Если же магнитные потоки сигнала и сердечника совпадают по направлению, то на выходной обмотке сигнал не возникнет. Таким образом отличают, какой сигнал был записан в данной ячейке. Естественно, что чем больше перемагничиваний могут выдержать в единицу времени ферритовые ячейки, тем выше быстродействие машины. 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.

Так начался путь скандия в технику будущего.

Сравните...

Утвердитель периодического закона

«Утвердителями», «укрепителями» периодической системы элементов называл Менделеев ученых, которые своими открытиями подтвердили прогнозы, сделанные им на основе периодического закона. В первую очередь эти «титулы» заслужили трое ученых, обнаруживших в минералах предсказанные Менделеевым элементы: экаалюминий. экабор, экасилиций.

Первым из «утвердителей» был, как известно, французский химик Лекок де Буабодран - в 1875 г. он нашел в цинковой обманке экаалюминий - галлий.

Нильсон был вторым. Четыре года спустя после открытия Буабодрана ему посчастливилось обнаружить в минерале ауксените предсказанный Менделеевым экабор. А еще через семь лет немецкий ученый Клеменс Винклер впервые получил экасилиций - германий.

Швед Ларе Фредерик Нильсон, уроженец сурового острова Готланд, был разносторонне образованным ученым - в Упсальском университете он изучал химию, геологию, биологию. Кроме первоклассного образований и природной одаренности, его успехам в науке способствовали еще два крайне важных обстоятельства - работа в молодости под руководством замечательного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса и открытие Менделеевым периодического закона, вооружившее ученых всего мира картой химического континента.

Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента №21 - скандия, было установление в 1884 г. правильного атомного веса бериллия (совместно со шведским химиком О. Петерсоном).

Последние 17 лет своей жизни Нильсон занимал профессорскую кдфедру в Стокгольмской сельскохозяйственной академии. Он сделал немало для повышения урожайности полей в Швеции и особенно на своем родном острове Готланд.

Скандий и фосфоры

Фосфорами (не путать с фосфором) называются вещества, способные довольно долго светиться в темноте. Одно из таких веществ - сульфид цинка ZnS. Если облучить его инфракрасными лучами, он начинает светиться и еще долго светится после прекращения облучения. Установлено, что добавка скандия к сульфиду цинка, активированному медью, дает более яркое свечение, чем обычно. Скандий увеличивает свечение и других фосфоров, в частности окиси магния MgO.

Чтобы воздух был чище

При производстве пластмасс, инсектицидов и растворителей выделяются довольно значительные количества хлористого водорода. Это ядовитый газ, выброс которого в атмосферу недопустим.

Конечно, можно было бы связывать его водой и вырабатывать соляную кислоту, но получение кислоты таким методом, мягко говоря, влетало бы в копеечку. Больших затрат требовало и разложение HCl электролизом, хотя метод каталитического разложения хлористого водорода был предложен более 100 лет назад. Катализатором служила хлористая медь. Однако эффективным этот процесс был лишь при 430...475°C. А при этих условиях катализатор улетучивается... Выход был найден: к основному катализатору - хлористой меди - добавили микроколичества хлоридов иттрия, циркония, тория, урана и скандия. На таком катализаторе температура разложения хлористого водорода снизилась до 330...400°C, и улетучивание хлористой меди стало значительно меньше. Новый катализатор служит гораздо дольше старого, и воздух над химическими заводами надежно очищается от вредного хлористого водорода.

Скандий в устье Темзы

Радиоактивный изотоп скандия и атомной массой 46 в 1954...1955 гг. использовали для определения движения ила в устье Темзы. Соль, содержавшую скандий-46, смешивали с толченым стеклом и опускали на морское дно в контейнере. Там контейнер открывался, и смесь, плотность которой соответствовала плотности ила, рассыпалась по дну. Излучение отмечали с катера специальным прибором. Скандий-46 выбрали потому, что он обладает достаточно интенсивным излучением и идеальным для такого рода исследований периодом полураспада - 83,9 суток. Что же оказалось? Большая часть грязи, выносимой Темзой в море, в скором времени возвращается обратно в русло реки. Пришлось разрабатывать новую технику очистки устья реки от наносов. Изучение движения ила и гальки в море с помощью изотопа скандия проводилось также в Польше и Франции.

Скандий-46 - один из десяти искусственных радиоактивных изотопов элемента №21. Другие радиоизотопы скандия практического применения пока не нашли. Природный скандий состоит из единственного изотопа - скандия-45.