Свойства и историческая геохимия скандия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Химические и физические свойства элемента

2. Распространённость скандия в природе

3. Миграция элементов в природных системах

4. Историческая геохимия скандия

5. Элемент в природно-техногенных системах

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Данная курсовая работа посвящена химическому элементу под номером 21 - скандию. Элемент находится в побочной подгруппе третьей группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом.

Существует в двух кристаллических модификациях. Скандий - легкий, серебристо-белый металл. Его плотность всего на 10% больше, чем у алюминия. Но температура плавления скандия гораздо выше что в принципе позволяет использовать скандий в качестве неплохого конструкционного материала. Однако чистый скандий очень и в настоящее время скандий применяется, в основном, как легирующая добавка к алюминиевым сплавам.

Скандий применяется в ряде промышленных отраслей: металлургия, изготовление сверхтвёрдых материалов, микроэлектроника, источники света, ядерная энергетика, медицина, лазерные материалы, производство солнечных батарей, МГД-генераторы, рентгеновские зеркала, огнеупорные материалы, люминофоры, производство фианитов и другое.

Следует учесть колоссальные ресурсы скандия в России и бывшем Советском Союзе (данные по добыче весьма разрозненны, но объёмы добычи, по оценкам независимых специалистов, равны или превышают официальную мировую добычу). В целом, по оценкам независимых специалистов, в настоящее время основными продуцентами скандия (оксида скандия) являются Россия, Китай, Украина и Казахстан. Публикуемые в печати объёмы скандия/оксида скандия в США, Японии, Скандий смело 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. Последние пять лет цены на металлический скандий на мировом рынке колеблются от 12 до 20 тыс. долларов за один килограмм.

Металлы сыграли важнейшую роль в развитии многовековой цивилизации, начиная с использования их в качестве простейших орудий труда и заканчивая сложнейшей техникой, без которой невозможно было бы развитие ни одной отрасли народного хозяйства.

Решение задач, связанных с химическими элементами и их свойствами, необходимо не только для практического использования в области промышленности, но и для разработки природоохранных мероприятий, для экологического обоснования схем развития и размещения производительных сил, генеральных планов городов и территориально-производственных комплексов.

По данному элементу существует множество литературы, что связано с острым спросом на скандий, его популярностью, качеством. Литературные источники в основном не противоречат друг другу, что говорит о достоверности приведенных ниже данных об элементе.



1. Химические и физические свойства элемента

Порядковый номер элемента Z = 21 обозначает: заряд ядра атома элемента (скандия): ⁶⁵₂₁Sc - +21; число протонов p₁¹: ₂₁Sc - 21 p₁¹;.число электронов з: ₂₁Sc - 21з; число нейтронов n₀¹ = A_r - Z = 65 - 21 = 44 - 44n₁⁰; атомная масса 44,9559

Скандий находится в IV периоде; номер периода обозначает число энергетических уровней - 4.

Скандий расположен в побочной подгруппе. Следовательно, его валентные электроны будут находится на 4s- и 3d-подуровнях.

Скандий - d- элемент. Электронное строение атома заканчивается s-электронами, поэтому элемент будет проявлять металлические свойства.

Формула высшего оксида - Sc₂O₃, гидроксида - Sc(OH)₃ обладают слабыми основными свойствами. Соединений с водородом не образует.

Скандий относится к редкоземельным элементам. Известен один природный стабильный изотоп ⁴⁵Sc. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 1,66·10^-21 м². Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d¹4s²; устойчивая степень окисления + 3, редко + 1, + 2; энергии ионизации при последовательном переходе от Sc⁰ к Sc³⁺ равны соответственно 6,5616, 12,80 и 24,76 эВ; сродство к электрону -0,73 эВ. Электроотрицательность скандия по Полингу 1,3;атомный радиус 0,164 нм, ионный радиус Sc³⁺ 0,089 нм (координационное число 6), 0,101 нм (координационное число 8).

Скандий - рассеянный литофильный элемент, геохимически близок РЗЭ иттриевой группы, Mg, Аl, Мh, Zr и Ti Известно более 120 минералов-носителей скандия. Собственные минералы скандия (очень редки): тортвейтит (Sc,Y)₂Si₂O₇, баццит Sc₂Be₃Si₆O_l8, джервисит NaScSi₂О₆, каскандит CaScSi₃O₈(ОН), кольбекит (эггонит) ScPO₄ · 2Н₂ О.

По химическим свойствам скандий имеет как сходство с элементами III гр. (Al, Ga, In, РЗЭ), так и существенные различия. Скандий химически высокоактивен. На воздухе покрывается защитной пленкой Sc₂O₃ толщиной до 15-60 нм, заметное окисление на воздухе начинается при 250 °С, в атмосфере О₂-при 200 °C С Н₂ реагирует выше 450 °С с образованием гидрида ScH_x, где x2, с N₂-при 600-800 °С, давая нитрид ScN, с галогенами - при 400-600 °С с образованием ScHal₃. Металлический скандий легко взаимодействует с растворами НС1, H₂SO₄, HNO₃. Растворы NaOH (10% по массе) и смесь конц. HNO₃ и HF (1:1) практически не взаимодействуют соSc. Скандий реагирует с металлами (кроме Сг, V, Hf, Та), образуя интерметаллиды или твердые растворы.

Оксид (сесквиоксид) Sc₂O₃ при обычном давлении существует в кубической модификации или аморфном состоянии; при 1000°С и давлении 13 ГПа образуется моноклинная модификация (а = 1,3173 нм, b = 0,3194 нм, с = 0,7976 нм, b =100,67°, z = 6, плотность 4,16 г/см³); устойчив к гидролизу, взаимодействует с растворами минеральных кислот, с растворами щелочей не реагирует. Получают разложением гидроксида, нитрата, оксалата и др. соединений скандия при 400-500 °С (аморфный) или 800-1000 °С (кристаллич. Sc₂O₃). Образует скандиаты (M^IScO₂, M^IISc₂O₄), смешанные оксиды (напр., 2Sc₂O₃-3ZrO₂).

Гидроксиды скандия бесцветны, по составу и строению аналогичны гидроксидам Al, Fe и Ga. Из растворов солей скандия осаждается NH₃ и щелочами при рН 3,9-8,5 аморфный Sc (ОН)₃ · n H₂ О с высокой степенью гидратации, на воздухе постепенно обезвоживается до Sc₂О (ОН)₄ и Sc₂ О₂ (ОН)₂ х 2H₂О; подвержен старению с образованием мелких кристаллов. Кристаллический Sc(OH)₃ получен в гидротермальных условиях; решетка кубическая (а = 0,7888 нм, z = 8; плотн. 2,68 г/см³). Известен кристаллический ScO(OH). При атмосферном давлении при 370 °С получена модификация с ромбической решеткой типа a-АlO(ОН); не растворима в воде (7·10^-5 г/л Sc₂O₃ при 25 °С), незначительно в растворах NH₃ и щелочей.



Растворимые в воде соединения скандия хлорид, нитрат, перхлорат, сульфат, ацетат и др., гидролизуются водой, выделяются в виде гидратов.

Основные источники получения скандия - отходы производств W, Sn, Al, Ti, V, а также чугуна, При гидро- и пирометаллургической переработке рудскандия концентрируется в отвалах или шлаках (содержание Sc₂O₃ 0,01-0,5%). Отходы и шлаки обычно вскрывают кислотным методом. Наиболее эффективный метод концентрирования и очистки скандия - экстракция. Компактный металл (99,5% Sc и выше) получают кальциетермическим восстановлением SсСl₃ или ScF₃ с послед, перегонкой металла в высоком вакууме (~1,3·10^-4 Па) при 1600-1700 °C.

Скандий-компонент легких сплавов с высокой прочностью и коррозионной устойчивостью на основе Mg, Al, Ti, легирующая добавка к сплавам на основе Ni, Со, Сr, Mo, W, Zr и др. Оксид скандия применяют в производстве ферритов для запоминающих устройств в ЭВМ, искусственных гранатов, эмиттеров (на основе 3ВаО · 2Sc₂O₃) для электровакуумных приборов, твердых электролитов (вместе с ZrO₂), как компонент керамических материалов и огнеупорных покрытий и др. Ортофосфат скандия - основа флуоресцирующих составов, активированных Сu, Мn и др.

2. Распространённость скандия в природе

В рентгеновских спектрах межгалактического газа была обнаружена характерная эмиссионная линия сильно ионизованных атомов железа. По содержанию железа межгалактический газ скоплений галактик лишь незначительно уступает Солнцу. Анализ межзвездной среды показывает, что химический состав газовых туманностей аналогичен составу горячих недавно образовавшихся звезд. Поток космических лучей у поверхности Земли 1 частица/см²·с. Более 90% частиц первичного космического излучения всех энергий составляют протоны, 7% - -частицы и лишь небольшая доля (1%) приходится на более тяжелые элементы. Такой состав в основном соответствует средней распространенности элементов во Вселенной. Более детально распространенность элементов в составе космического излучения приведена на рис. 1.

Рис. 1. Распространенность элементов в составе космического излучения



Характерная особенность - существенно большее содержание в космических лучах лития, бериллия и бора.

Скандий в литосфере

Существуют редкоземельные элементы (РЗЭ), к ним относят 17 химических элементов: скандий Sc (атомный номер Z = 21), иттрий Y (Z = 39), лантан La(Z = 57) и лантаноиды (14 элементов, Z от 58 до 71).

Редкоземельные элементы относятся к металлам, как и 80% из более чем 100 химических элементов, и они обладают характерными для металлов свойствами: высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, хорошей способностью отражать световые волны (блеском), пластичностью.

РЗЭ имеют серебристо-белый цвет, иногда с желтоватым оттенком.

Атомные массы и, как следствие, плотность у РЗЭ сравнительно высока - у всех, кроме скандия, она выше, чем у железа и меди, у лантана и далее - выше, чем у серебра, а у лантаноидов уже выше, чем у золота.

Название «редкоземельные» дано этим металлам, просто-напросто, из-за их небольшого содержания в земной коре, а в гидросфере и атмосфере оно ещё на порядки ниже.

Рис. 2. Процентное содержание элементов в земной коре. (Все редкоземельные элементы попали в «остальное». Больше всего в недрах Земли церия (Ce) - 0,0043%, это так называемое число Кларка (или просто кларк) элемента)

Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия:

§ Бокситы - 71 млн. тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710-1420 тонн;

§ Урановые руды - 50 млн. тонн в год, попутный скандий 50-500 тонн в год;

§ Ильмениты - 2 млн. тонн в год, попутный скандий 20-40 тонн в год;

§ Вольфрамиты - попутный скандий около 30-70 тонн в год;

§ Касситериты - 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20-25 тонн в год;

§ Цирконы - 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5-12 тонн в год.

Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов, собственные его минералы (тортвейтит, джервисит) очень редки.

Среднее содержание скандия в земной коре 10 г/т. В породах среднего состава среднее содержание Sc₂O₃ - 10 г/т, в кислых - 2 г/т, здесь скандий рассеивается также в тёмноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене.

В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в тёмноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований.

Среднее содержание скандия в земной коре 1 · 10^-3% по массе, концентрация скандия в речных водах 4·10^-8 г/л, подземных (2,2-5) x 10^-8 г/л, в воде океанов 8·10^-10 г/л.Содержание скандия в морской воде 4·10^-5 г/л.

Почвы. Данные о распространенности Sc в литосфере, показывают, что этот элемент, по-видимому, обогащает основные породы, а также глинистые осадки, тогда как в песчаниках и известняках его содержания низки. Sc присутствует в породе в виде Sc3+, который может замещать Аl3+, Fe3+, Y3+, а также Ti4+. Поэтому Sc ассоциируется главным образом с железомагнезиальными минералами и биотитом. Однако в растворах простой ион Sc3+, вероятно, не существует. В водных средах, очевидно, присутствуют комплексы типа Sc(H2O)63+ и Sc(H2O)5OH2+. Скандий обнаруживает также способность к комплексообразованию с РО43~, SO42~, CO32~, F~ и аминами. Ион РО43~ особенно эффективен для осаждения соединений Sc, поэтому можно ожидать, что этот элемент обогащает фосфориты.

Содержание Sc в поверхностном слое почв колеблется в пределах 0,5-45 мг/кг. По расчетам Эрдмана и др., среднее содержание Sc в неокультуренных почвах США составляет 7,1 мг/кг, а в окультуренных - 5,1 мг/кг. Лаул и др. приводят интервал содержаний Sc в почвах от 2,9 до 17 мг/кг.

Содержание Sc в почве определяется главным образом материнской породой. Его наименьшие концентрации установлены в песчаных и легких органических почвах, в то время как для почв, развитых на гранитах и вулканических породах, получены более высокие значения.

По данным Ведеполя, зола некоторых торфов, углей и сырой нефти содержит значительные количества Sc (5- 1000 мг/кг), поэтому можно ожидать обогащения скандием окружающей среды в результате сжигания угля и нефти.

Растения. Данных о распределении Sc в растениях очень мало. Коннор и Шаклетт установили, что среднее содержание Sc в кустарниках и деревьях составляет менее 5 мг/кг золы и что только в 3% от общего числа проанализированных образцов Sc присутствовал в достаточных для анализа количествах. Интервал содержаний Sc в некоторых съедобных растениях тропического леса Индиане составил, по данным Дьюка, 0,002 - 0,1 мг/кг сухой массы. Лаул и др. определили содержание Sc в овощах (0,005 мг/кг) и в траве (0,07 мг/кг).

Есть сведения о высокой концентрации Sc в корнях ячменя (до 0,63 мг/кг сухой массы), причем наибольшие количества Sc растения поглощали на песчанистых почвах. Содержание Sc, по-видимому, выше в старых листьях по сравнению с молодыми. Наибольшие его концентрации (0,014-0,026 мг/кг сухой массы) обнаружены в льне, тогда как в листьях салата-латука скандия содержалось всего 0,007-0,012 мг/кг. По данным Боуэна, содержание Sc в лишайниках и мхах составляет 0,3- 0,7 мг/кг сухой массы, а в грибах оно меньше (<0,002- 0,3 мг/кг)

3. Миграция элементов в природных системах

Перемещение химических элементов в пределах земной коры, гидросферы и атмосферы может происходить в виде расплавов, водных растворов и газов. Законы движения вещества в составе поверхностных, подземных вод представляют при решении геохимических задач наибольший интерес. Миграция химических элементов - это перемещение элементов в земной коре, которое сопровождается рассеянием их на одних участках и концентрацией на других. Распространенность элементов в земной коре и их миграция связана со строением атомного ядра и со строением наружных электронных оболочек. Для кларков наибольшее значение имеет строение ядра, а для миграции элементов - электронная оболочка атома.

Способность элемента к миграции во многом определяется формой его нахождения. В земной коре В. И. Вернадский различал четыре основных формы нахождения: 1) горные породы и минералы (в том числе природные воды и газы); 2) живое вещество, 3) магмы (силикатные расплавы), 4) рассеяние. Каждая группа может быть расчленена на типы, классы.

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние факторы - это факторы, связанные только со свойствами атомов и их соединений. Внешние факторы определяются состоянием окружающей среды, не зависят от индивидуальных свойств миграции веществ.

Типы миграции:

Механическая миграция обусловлена работой рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерное влияние - раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению их дисперсности, растворимости, развитию сорбции и других поверхностных явлений.

При механической миграции тяжелые минералы ведут себя как частицы более крупного размера. Механическое перемещение минералов зависит от их твердости и податливости к выветриванию, а дальность - еще и от податливости к химическому выветриванию.

Физико-химическая миграция. Простейшая форма физико-химической миграции - диффузия - это процесс самопроизвольного и необратимого переноса вещества из одной части системы в другую, что возникает вследствие теплового движения частиц. Диффузия в горных породах обычно сопровождается взаимодействием вещества со средой. Из-за хаотического движения частиц диффузия переносит их из одного местоположения в другое.

Биогенная миграция. Образование живого вещества и разложение органических веществ образуют единый биологический круговорот атомов, который в биосфере протекает повсеместно, хотя в разных формах и с разной интенсивностью. В ландшафте и верхних горизонтах моря в процессе фотосинтеза образуется живое вещество, здесь же происходит его минерализация. Часть органических веществ минерализуется не полностью и откладывается в илах. Закон биологического круговорота - один из основных законов геохимии, согласно которому в биосфере в ходе биологического круговорота атомы поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, которую отдают в окружающую среду, покидая живое вещество.

Геохимические барьеры

Как и в биосфере в целом, в пределах отдельных ландшафтов и в их группах, составленных по определенным признакам, практически непрерывно идет перемещение атомов химических элементов, часто с изменением форм их нахождения. Другими словами, идут процессы миграции. Однако их интенсивность в разных участках биосферы может весьма различаться. Само же перемещение, как правило, можно ограничить в пространстве, выделив своеобразный миграционный поток.

Участки биосферы (и даже земной коры), на которых в миграционном потоке на коротком (по сравнению с его протяженностью) расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов и, как следствие этого процесса, повышается их концентрация, получили название геохимических барьеров. Этот термин был предложен в 1961 г. А.И. Перельманом. Им же были разработаны основы учения о геохимических барьерах, которое к настоящему времени стало одной из важнейших частей целого ряда наук о Земле.

В последние десятилетия многие химические элементы стали поступать в биосферу в концентрациях, не характерных для верхних частей земной коры. Связано это с резко увеличившейся антропогенной деятельностью. Распределение таких элементов очень часто неравномерно не только в пределах всей биосферы, но даже в пределах одной части определенного ландшафта. Возникли участки, в которых стало опасно выращивать сельскохозяйственные культуры (они становились токсичными), и даже такие, в пределах которых стало небезопасным вообще находиться. Не изучив такие участки, как правило, являющиеся геохимическими барьерами, невозможно их ликвидировать и предотвратить их образование. Кроме того, их невозможно быстро выделить без проведения специальных исследований (ботанических, геохимических и т.д.). Скандий же поступает в окружающую среду в столь малых количествах, что практически не оказывает никакого влияния на природу как живую так и неживую.



4. Историческая геохимия скандия

химический скандий металл месторождение

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.

Основные типы скандийсодержащих месторождений

Известные в странах СНГ скандийсодержащие месторождения (рисунок 3) относятся к магматическому, карбонатитовому, гидротермально-метасоматическому, инфильтрационному, остаточному (в корах выветривания), россыпному (в том числе прибрежно-морских россыпей) и осадочному геолого-промышленным типам и связаны с разнообразными полезными ископаемыми.



К магматическому типу относятся месторождения, характеризующиеся наиболее крупными ресурсами скандия (от десятков до сотен тысяч тонн). Это комплексные (Fe, Ti, V, иногда с P2О5) железорудные, титановые (ильменитовые) и титаномагнетитовые месторождения дунит-пироксенит-габбровой и габбро-анортозитовой формаций. Содержание оксида скандия в их рудах составляет 0,008-0,013%; минералы-концентраторы скандия - ильменит (до 0,05% Sc2O3) и пироксен (до 0,03% Sc2O3); в титаномагнетите содержится до 0,002% Sc2O3.

Наиболее крупные месторождения имеют докембрийский или раннепалеозойский возраст. Наиболее интересны титаномагнетитовые месторождения дунит-пироксенит-габбровой формации (Гусевогорское, собственно Качканарское), главные скандийсодержащие минералы которых - диопсид и роговая обманка (0,01-0,016% Sc2O3). В рудах Гусевогорского месторождения на их долю приходится до 90% скандия. Скандий накапливается в хвостах мокрой магнитной сепарации руд. При их переработке в числе других получается пироксеновый продукт, пригодный для извлечения из него Sc, а также Ge и Ga.

Руды месторождений ильменитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд габбро-анортозитовой формации (Большой Сейим и Куранахское - в России, Стремигородское и Торчинское - в Украине) содержат до 0,005% Sc2O3; основные концентраторы скандия - ильменит (до 0,015% Sc2O3) и пироксен (до 0,024% Sc2O3). На ильменит приходится до 60% содержащегося в рудах скандия.

Рентабельность получения Sc в каждом конкретном случае требует тщательного экономического обоснования. В ильменитах массивных руд Куранахского месторождения содержится в среднем 80 г/т, во вкрапленных рудах - 70 г/т Sc2O3. В Стремигородском месторождении Украины скандий учтен в качестве попутного компонента (среднее содержание Sc2O3 - 80 г/т), разработана технология его получения. Уникальные содержания скандия (до 520 г/т) обнаружены в ильменитах Ариадненского месторождения в Приморском крае. На некоторых из магматических месторождений развиты коры выветривания и россыпи ближнего сноса. Они отрабатываются совместно с коренными месторождениями. Содержание оксида скандия в ильменитах достигает 100 г/т (Торчинское месторождение).

К карбонатитовому типу относятся месторождения (Ковдорское, Томторское, Кийское и др.), в которых скандиеносны пироксены, оливин (до 0,015%), монацит, гатчеттолит, пирохлор, перовскит, бадделеит и другие минералы; в Ковдорском месторождении - бадделеит (до 0,06% Sc2O3), в Кийском - ниобиевые, в Томторском - ниобий-редкоземельные минералы. Так, в карбонат-франколитовых P-Nb-REE-рудах коры выветривания Томторского месторождения скандийсодержащие минералы представлены пирохлором и франколитом, а в переотложенной коре (со средним содержанием Sc2O3 0,066%) еще и монацитом.

Гидротермально-метасоматический тип представлен W-Sn-Mo-(Шерловогорское, Правоурмийское, Фестивальное - в России, Байназар, Акчатауское, Караобинское и др. - в Казахстане), U-Sc-REE-(Кумирское - в Горном Алтае), U-REE-V-Sc-(Желтореченское, Анновское - в Украине) и железорудными со скандием (Первомайское - в Украине) месторождениями. W-Sn-Mo-месторождения хорошо изучены, многие из них разрабатывались или разрабатываются (запасы оксида скандия в их рудах измеряются десятками тонн). Скандий сосредоточен в вольфрамите (до 0,6% Sc2O3), касситерите (до 0,2%) и берилле (до 0,2%). Наиболее высокими его содержаниями характеризуются касситериты (до 1060 г/т) и вольфрамиты (до 3700 г/т) месторождения Полярное в Якутии и связанных с ним россыпей (месторождение Омчикандя).

Кумирское месторождение - единственный в России и мире представитель U-Sc-REE-месторождений. Оно локализовано в брекчиях вулканогенно-осадочных отложений девона в контакте с массивом рвущих их гранит-порфиров и представлено тортвейтит-гадолинитовыми микрозернистыми метасоматитами. Минеральный состав руд: таленит, иттриалит, тортвейтит, гадолинит, берилл, бертрандит, фенакит, уранинит, гидроксиды железа, эпидот, турмалин. Скандий сконцентрирован в основном в тортвейтите (65% всего объема Sc2O3 в рудах). Рудные тела, оконтуренные по бортовому содержанию иттрия 100 г/т, имеют сложную морфологию, небольшие размеры. Средние содержания в них, г/т: Y - 191; Sc - от 50 до 150. В наиболее богатых рудах (участок площадью 150х17 м) средние содержания оксидов составляют, %: Sc - 0,03, Be - 0,56, U - 0,384, Y - 0,94. Прогнозные ресурсы скандия - первые сотни тонн. Месторождение до сих пор не отрабатывается.

Желтореченское месторождение, представленное коренными рудами и корами выветривания, хорошо изучено [6]. По запасам скандия - оно уникальное (900 т оксида при среднем содержании 105, максимальном - 130-170 и бортовом - 100 г/т), локализовано в рудном поле одноименного отработанного U-Fe-месторождения. Руды комплексные - содержат Sc, V, Zr, TR, P, U. Залежи коренных метасоматических карбонат-рибекит-тремолит-эгирин-альбитовых руд (субпластовые различной мощности и протяженности) прослежены по падению на 380 м. Наибольшими концентрациями скандия характеризуются существенно карбонатные руды, содержащие основную массу скандия в эгирине (до 1020 г/т) и рибеките (до 335 г/т). Содержание Sc в ванадий-скандиевых рудных метасоматитах - 80-153 г/т, скандий-циркониево-редкоземельных - 126-179 г/т.

Первомайское месторождение разрабатывалось более 30 лет. Урановые руды отработаны, добываются только железные. Рудоносные эгирин-рибекит-кварцевые с магнетитом и гематитом метасоматиты характеризуются зональным строением. Эгириновые разности содержат в среднем 251, рибекитовые - 53,3 г/т Sc, в других метасоматитах его содержания ниже. Запасы оксида скандия достигают сотен тысяч тонн. При магнитной сепарации железных руд получают эгириновые и рибекитовые хвосты, из которых возможно получение скандия.

Инфильтрационный тип представлен урановыми с REE и Sc месторождениями палеодолин в Зауральской, Центрально-Кызылкумской, Чу-Сарысойской и Сырдарьинской урановорудных провинциях (Долматовское, Добровольное, Витимские месторождения - в России; Торткудук, Канимех - в Узбекистане). Среднее содержание Sc2O3 в них - 0,001-0,1%; минералы-концентраторы скандия - браннерит (~0,05%) и метатуямунит (0,05-0,01%). К настоящему времени в Витимской группе оценено свыше 10 месторождений; запасы оксида скандия колеблются от десятков до первых сотен тонн. Из руд месторождений этого типа имеется возможность эффективного извлечения Sc, Re и REE попутно с ураном при использовании сернокислотного способа скважинного подземного выщелачивания.

К типу кор выветривания относятся месторождения (главный рудный минерал - ильменит), в рудах которых содержание Sc2O3 варьирует от 0,007 до 0,015%. До 0,009% Sc содержится в ильменитах на ожелезненных участках каолинитовой зоны профиля выветривания. В коренных рудах и рудах кор выветривания Стремигородского ильменитового (в ильмените 80 г/т) и Торчинского апатит-ильменитового (60 г/т в ильмените) месторождений запасы скандия утверждены ГКЗ СССР по категории С2. Извлечение Sc и V из растворов сернокислотного производства пигментного диоксида титана разработано в КазИМСе. По этой технологии Sc периодически извлекали крымское ПО "Титан" (в начале 1990-х гг.), Усть-Каменогорский комбинат в Казахстане (из украинских ильменитовых концентратов) и Верхнеднепровский (ныне Вольногорский) ГМК Украины.

К россыпному типу относятся скандиеносные Zr-Ti-месторождения прибрежно-морских россыпей (Туганское и Центральное - в России; Малышевское - в Украине; Обуховское - в Казахстане) и титановые континентальных элювиально-аллювиальных россыпей (Иршинская группа - в Украине; Ариадненское - в Приморском крае России), которые характеризуются повышенными содержаниями (г/т) оксида скандия в лейкоксенизированном ильмените (до 150), лейкоксене (до 120), рутиле (до 150), цирконе (до 250). В циркон-рутил-ильменитовой россыпи Малышевского месторождения скандий сконцентрирован главным образом в ильмените (Sc2O3 - 47,8 г/т) и рутиле (22,7) [2], в рудах Обуховского месторождения - в цирконе (230) и ильмените (120). Запасы оксида скандия в этих месторождениях составляют сотни тысяч тонн. В Туганском месторождении запасы Sc2O3 утверждены в ильмените (при среднем содержании 70-110 г/т), рутиле и лейкоксене (110-130 г/т) и цирконе (110 г/т).

К осадочному типу относятся скандийсодержащие бокситовые, фосфатно-урановые и угольные месторождения.

Бокситовые месторождения России (уральские - Красная Шапочка, Сосьвинское, Ново-Кальинское, а также Северо-Онежской и Чадобецкой провинций) содержат до 0,012, но чаще 0,003-0,005% Sc2O3. Скандий сосредоточен в бемите (до 0,01% Sc2O3), гиббсите (до 0,007) оксиде и гидроксиде железа (до 0,008), а также в рутиле. Запасы скандия в бокситах достигают многих тысяч тонн. При переделе бокситов он накапливается в красных шламах (до 150 г/т). К настоящему времени в шламохранилищах Уральского алюминиевого завода накоплено более 60 млн. т красных шламов, на Богословском - 40 млн. т.

Фосфатно-урановые скандийсодержащие месторождения России известны в Ергенинском районе Калмыкии и Казахстане (Меловое, Аркалыкское). Они представлены скоплениями фосфатизированного костного детрита ископаемых рыб в обогащенных пиритом глинах палеогена и содержат до 0,01% Sc2O3. Детрит сложен в основном карбонат-фторапатитом, содержащим до 0,0155% Sc2O3 и до 1% TR2O3. Запасы оксида скандия в отработанном месторождении Меловое оценивались в первые десятки тысяч тонн. Скандий извлекался на Прикаспийском ГМК.

Каменные угли содержат (преимущественно в их минеральной части) в среднем 0,0003%, бурые - 0,0002% Sc2O3. Содержания скандия по различным угольным бассейнам и отдельным месторождениям колеблются от фоновых до промышленных. Запасы скандия в промышленных угольных месторождениях достигают сотен тысяч тонн. В золах углей содержание Sc2O3 выше (в среднем - ~0,002%, максимальное - до 0,04%). Скандий накапливается в продуктах углеобогащения, золах уноса и шахтных водах. Повышенные содержания скандия свойственны углям Подмосковного бассейна, Приморья и Сахалина, г/т: в углях Бикинского месторождения Приморья - 8, в их золах - 33, в золошлаках - 20, в летучей золе - 16; в углях Подмосковного бассейна - 20, в летучей золе Забайкальской ТЭЦ - 14. Детальная экономическая оценка извлечения скандия из углей в СССР не производилась. В опытном порядке гидрометаллургическим методом при кислотном способе вскрытия скандий и другие элементы извлекались из зол Павлоградской ГРЭС (среднее содержание Sc2O3- 31 г/т), что было экономически целесообразно при ценах на Sc2O3 в 1991-1992 гг. 5000 дол/кг, а ВНИИХТом - из золошлаковых отвалов подмосковных углей.



5. Элемент в природно-техногенных системах

1. Технофильность элемента

ТЕХНОФИЛЬНОСТЬ - (от греч. tйchne - искусство, мастерство и philйo - люблю), отношение ежегодной добычи химического элемента к его кларку (см.) в земной коре. Технофильность служит мерой использования данного элемента и изменяется во времени. Самым технофильным элементом является углерод, у которого Т. равна 8 *10¹¹ для угля и 3*10¹¹ для нефти, а в сумме 11*10¹¹. Уголь и нефть используются как источники энергии. Наименее технофильны Y, Ga, Cs, Th. Анализ технофильности позволяет прогнозировать добычу элементов. Например, добыча Mg по размерам сильно отстает от добычи других щелочноземельных элементов - Ca, Ba, его технофильность меньше, чем у Na, Cl, Pb, Cu, Zn, Sn, Ni, Mo, Hg и т.д. Это свидетельствует о слабом использовании магния человечеством. Технофильность элементов колеблется в миллионы раз - от 1,1*10¹¹ у углерода, до 1*10³ у иттрия. В техногенных системах накапливаются наиболее технофильные элементы: человечество "перекачивает" на земную поверхность из глубин элементы рудных месторождений. В результате по сравнению с природным техногенный ландшафт обогащается Pb, Hg, Cu, Sb, Sn, Sc и др. элементами.

2. Проблемы защиты окружающей среды и элемент

Скандий редко можно найти в природе, как это он находится в очень небольших количествах. Скандий, как правило, встречается только в двух различных видов руд. Тортвейтита является основным источником скандия с хвостов обогащения урана, побочные продукты также являются важным источником.

Лишь в 3% растений, которые были проанализированы на скандий, показало присутствие, и даже эти показатели были слишком малы, имели только 5 частей на миллиард, а травы на 70 частей на миллиард.

Воздействие на здоровье скандия

Скандий не имеет биологической роли. Слишком малые количества скандия достигают пищевой цепи, поэтому ежедневное потребление человека составляет менее 0,1 мкг.

Скандий не токсичен, хотя были предположения, что некоторые его соединения могут быть канцерогенными.

Скандий в основном опасен в рабочей среде, в связи с тем, что можно вдохнуть скандиесодержащий воздух. Это может привести к эмболии легких, особенно при длительном воздействии. Скандия может стать угрозой для печени, когда он накапливается в организме человека.

Эффекты скандия на окружающую среду

Скандий выбрасывается в окружающую среду во многих местах, в основном, в бензинах производящих отраслей промышленности. Он также может попадать в окружающую среду при выбрасывании бытовой техники. Скандий постепенно накапливаются в почве и воде почвы и в конечном итоге это приведет к повышению концентрации в организме человека, животных и почвенных частиц.

Скандий попадает в водных животных, приводя к повреждению клеточной мембраны, что имеет ряд негативных влияний на воспроизводство и на функции нервной системы.

3. Медико-геохимический аспект

Важную роль оксид скандия играет в медицине. С помощью него изготовляют качественные зубные протезы, широко используемые в стоматологии



Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен химический элемент - скандий. Рассказано о физических и химических свойствах элемента, о нахождении скандия в природе и природно-техногенных системах, пояснена историческая геохимия металла.

Скандий - рассеянный литофильный элемент. Известно более 120 минералов-носителей скандия. Собственные минералы скандия очень редки. Основные источники получения скандия - отходы производств W, Sn, Al, Ti, V, а также чугуна.

Скандий не имеет биологической роли. Слишком малые количества скандия достигают пищевой цепи. Элемент не токсичен. Важную роль оксид скандия играет в медицине.

Скандий является редкоземельным металлом, который не так просто добыть, поэтому он не настолько широко изучен, как более распространённые элементы. Хотя литература многочисленна, но информации не достаточно, чтобы провести точный анализ воздействия скандия на окружающую среду.



Список используемой литературы

1. Мельников П. П., Комиссарова Л. Н., "Координац. химия", 1988, т. 14, №7, с. 875-99; Минерально-сырьевые ресурсы скандия и технология извлечения. Сборник обзорной информации Министерства геологии СССР, М., 1989; Scandium, L.-[a.o.], 1975. Л. Н. Комиссарова.

2. Перельман А.И. Геохимия. 2-е изд. М.: В.Ш., 1989. - 527 с.

3. Труфанов А.И. Геохимия окружающей среды. - В.: ВоГТУ, 2000. - 91 с.

4. Геохимия редких элементов, т. 1. Геохимия, минералогия и генетические типы месторождений редких элементов. / Под ред. К.А. Власова. М.: Наука. 1964.

5. Борисенко Л.Ф. Минерально-сырьевые источники скандия и технология его извлечения / Л.Ф. Борисенко, Л.Н. Комиссарова. - М.: ВИЭМС, 1989. - 60 с.

6. Борисенко Л.Ф. Скандий. Минеральное сырье / Л.Ф. Борисенко, Л.Н. Комиссарова, Н.С. Поликашина. - М.: ЗАО "Геоинформмарк", 1999. - 42 с.

7. Архангельская В.В. Новые виды скандиеносного сырья / В.В. Архангельская, Л.З. Быховский, Б.С. Розов, И.И. Четырбоцкая // Разведка и охрана недр. - 1963. - №6. - С. 5-11.

8. Скандий. Технико-экономический справочник. - М.: ГИРЕДМЕТ, 1992. - 135 с.

9. http://phytoremediation.ru/mikroelementi-v-pochvah-i-rasteniyah/elementi-III-gruppi/skandii.php

Размещено на Allbest.ru