21 Scandium ja selle sagedamini kasutatavad testimismeetodid
Tere tulemast sellesse elementide maailma, mis on täis salapära ja võlu. Täna uurime koos erilist elementi -skandium. Kuigi see element ei pruugi meie igapäevaelus tavaline olla, mängib see teaduses ja tööstuses olulist rolli.
skandium, sellel imelisel elemendil on palju hämmastavaid omadusi. See on haruldaste muldmetallide elementide perekonna liige. Nagu teisedkiharuldased muldmetallid, skandiumi aatomstruktuur on täis salapära. Just need ainulaadsed aatomistruktuurid panevad skandiumil füüsikas, keemias ja materjaliteaduses asendamatut rolli mängima.
Skandiumi avastamine on täis keerdkäike ja raskusi. See sai alguse 1841. aastal, kui Rootsi keemik LFNilson (1840-1899) lootis puhastatud elementidest eraldada muid elemente.erbiummaa kergmetalle uurides. Pärast 13-kordset nitraatide osalist lagunemist sai ta lõpuks 3,5 g puhastütterbiummaa. Ta leidis aga, et tema saadud ütterbiumi aatommass ei ühtinud Malinaci poolt varem antud ytterbiumi aatommassiga. Terava silmaga Nelson mõistis, et selles võib olla kerget elementi. Nii jätkas ta sama protsessiga saadud ütterbiumi töötlemist. Lõpuks, kui proovist oli järele jäänud vaid kümnendik, langes mõõdetud aatommass 167,46-ni. See tulemus on lähedane ütriumi aatommassile, nii et Nelson andis sellele nimeks "Scandium".
Kuigi Nelson oli skandiumi avastanud, ei äratanud see oma harulduse ja eraldamisraskuste tõttu teadusringkondades erilist tähelepanu. Alles 19. sajandi lõpus, kui haruldaste muldmetallide elementide uurimine muutus trendiks, avastati skandium uuesti ja seda uuriti.
Niisiis, alustame skandiumi uurimise teekonda, et paljastada selle saladus ja mõista seda näiliselt tavalist, kuid tegelikult võluvat elementi.
Skandiumi kasutusvaldkonnad
Skandiumi sümbol on Sc ja selle aatomnumber on 21. Element on pehme hõbevalge siirdemetall. Kuigi skandium ei ole maapõues tavaline element, on sellel palju olulisi rakendusvaldkondi, peamiselt järgmistes aspektides:
1. Lennundustööstus: skandiumalumiinium on kerge ja ülitugev sulam, mida kasutatakse õhusõiduki konstruktsioonides, mootoriosades ja rakettide tootmises kosmosetööstuses. Skandiumi lisamine võib parandada sulami tugevust ja korrosioonikindlust, vähendades samal ajal sulami tihedust, muutes kosmoseseadmed kergemaks ja vastupidavamaks.
2. Jalgrattad ja spordivarustus:Skandiumialumiiniumkasutatakse ka jalgrataste, golfikeppide ja muude spordivahendite valmistamiseks. Tänu oma suurepärasele tugevusele ja kergusele,skandiumi sulamvõib parandada spordivarustuse jõudlust, vähendada kaalu ja suurendada materjali vastupidavust.
3. Valgustustööstus:skandiumjodiidkasutatakse suure intensiivsusega ksenoonlampide täiteainena. Selliseid pirne kasutatakse fotograafias, filminduses, lavavalgustuses ja meditsiiniseadmetes, kuna nende spektraalsed omadused on väga lähedased loomulikule päikesevalgusele.
4. Kütuseelemendid:Skandiumialumiiniumleiab rakendust ka tahkeoksiidkütuseelementides (SOFC). Nendes akudesskandium-alumiiniumi sulamkasutatakse anoodmaterjalina, millel on kõrge juhtivus ja stabiilsus, mis aitab parandada kütuseelementide tõhusust ja jõudlust.
5. Teadusuuringud: skandiumit kasutatakse teadusuuringutes detektorimaterjalina. Tuumafüüsika katsetes ja osakeste kiirendites kasutatakse skandiumstsintillatsioonikristalle kiirguse ja osakeste tuvastamiseks.
6. Muud rakendused: skandiumit kasutatakse ka kõrgtemperatuurse ülijuhina ja mõnes spetsiaalses sulamis sulami omaduste parandamiseks. Tänu skandiumi suurepärasele jõudlusele anodeerimisprotsessis kasutatakse seda ka liitiumakude ja muude elektroonikaseadmete elektroodimaterjalide tootmisel.
Oluline on märkida, et vaatamata paljudele rakendustele on skandiumi tootmine ja kasutamine selle suhtelise vähesuse tõttu piiratud ja suhteliselt kulukas, mistõttu tuleb selle kasutamisel hoolikalt kaaluda selle maksumust ja alternatiive.
Skandiumielemendi füüsikalised omadused
1. Aatomi struktuur: skandiumi tuum koosneb 21 prootonist ja sisaldab tavaliselt 20 neutronit. Seetõttu on selle standardne aatommass (suhteline aatommass) umbes 44,955908. Aatomistruktuuri osas on skandiumi elektronkonfiguratsioon 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Füüsikaline olek: skandium on toatemperatuuril tahke ja hõbevalge välimusega. Selle füüsikaline olek võib muutuda sõltuvalt temperatuuri ja rõhu muutustest.
3. Tihedus: skandiumi tihedus on umbes 2,989 g/cm3. See suhteliselt madal tihedus muudab selle kergeks metalliks.
4. Sulamistemperatuur: skandiumi sulamistemperatuur on umbes 1541 kraadi Celsiuse järgi (2806 kraadi Fahrenheiti järgi), mis näitab, et sellel on suhteliselt kõrge sulamistemperatuur. 5. Keemistemperatuur: skandiumi keemistemperatuur on umbes 2836 kraadi Celsiuse järgi (5137 kraadi Fahrenheiti järgi), mis tähendab, et selle aurustumiseks on vaja kõrget temperatuuri.
6. Elektrijuhtivus: skandium on hea elektrijuht, mõistliku elektrijuhtivusega. Kuigi see pole nii hea kui tavalised juhtivad materjalid, nagu vask või alumiinium, on see siiski kasulik mõnes erirakenduses, nagu elektrolüütilised elemendid ja kosmoserakendused.
7. Soojusjuhtivus: skandiumil on suhteliselt kõrge soojusjuhtivus, mistõttu on see hea soojusjuht kõrgetel temperatuuridel. See on kasulik mõnes kõrge temperatuuriga rakenduses.
8. Kristallstruktuur: Skandiumil on kuusnurkne tihedalt pakitud kristallstruktuur, mis tähendab, et selle aatomid on kristallis pakitud tihedalt pakitud kuusnurkadesse.
9. Magnetism: skandium on toatemperatuuril diamagnetiline, mis tähendab, et magnetväljad ei tõmba ega tõrju seda. Selle magnetiline käitumine on seotud selle elektroonilise struktuuriga.
10. Radioaktiivsus: kõik skandiumi stabiilsed isotoobid ei ole radioaktiivsed, seega on tegemist mitteradioaktiivse elemendiga.
Skandium on suhteliselt kerge, kõrge sulamistemperatuuriga metall, millel on mitu erirakendust, eriti kosmosetööstuses ja materjaliteaduses. Kuigi seda looduses tavaliselt ei leidu, muudavad selle füüsikalised omadused selle mitmes valdkonnas ainulaadselt kasulikuks.
Skandiumi keemilised omadused
Skandium on siirdemetalli element.
1. Aatomi struktuur: Scandiumi aatomistruktuur koosneb 21 prootonist ja tavaliselt umbes 20 neutronist. Selle elektronkonfiguratsioon on 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², mis näitab, et sellel on üks täitmata d-orbitaal.
2. Keemiline sümbol ja aatomnumber: Scandiumi keemiline sümbol on Sc ja selle aatomnumber on 21.
3. Elektronegatiivsus: skandiumil on suhteliselt madal elektronegatiivsus, umbes 1,36 (vastavalt Pauli elektronegatiivsusele). See tähendab, et see kipub positiivsete ioonide moodustamiseks kaotama elektrone.
4. Oksüdatsiooniaste: skandium esineb tavaliselt oksüdatsiooniastmes +3, mis tähendab, et ta on Sc³⁺ iooni moodustamiseks kaotanud kolm elektroni. See on selle kõige tavalisem oksüdatsiooniaste. Kuigi võimalikud on ka Sc²⁺ ja Sc⁴⁺, on need vähem stabiilsed ja vähem levinud.
5. Ühendid: skandium moodustab peamiselt ühendeid selliste elementidega nagu hapnik, väävel, lämmastik ja vesinik. Mõned levinumad skandiumühendid hõlmavadskandiumoksiid (Sc2O3) ja skandiumhalogeniidid (naguskandiumkloriid, ScCl3).
6. Reaktsioonivõime: skandium on suhteliselt reaktiivne metall, kuid see oksüdeerub õhu käes kiiresti, moodustades skandiumoksiidist oksiidkile, mis takistab edasisi oksüdatsioonireaktsioone. See muudab skandiumi ka suhteliselt stabiilseks ja sellel on teatav korrosioonikindlus.
7. Lahustuvus: skandium lahustub enamikus hapetes aeglaselt, kuid leeliselistes tingimustes lahustub kergemini. See on vees lahustumatu, kuna selle oksiidkile takistab edasisi reaktsioone veemolekulidega.
8. Lantaniiditaolised keemilised omadused: skandiumi keemilised omadused on sarnased lantaniidi seeria omadega (lantaan, gadoliinium, neodüümjne), seetõttu klassifitseeritakse see mõnikord lantaniiditaoliseks elemendiks. See sarnasus kajastub peamiselt ioonraadiuses, ühendi omadustes ja teatud reaktsioonivõimes.
9. Isotoobid: skandiumil on mitu isotoopi, millest ainult mõned on stabiilsed. Kõige stabiilsem isotoop on Sc-45, millel on pikk poolestusaeg ja mis ei ole radioaktiivne.
Skandium on suhteliselt haruldane element, kuid oma unikaalsete keemiliste ja füüsikaliste omaduste tõttu mängib see olulist rolli mitmes kasutusvaldkonnas, eriti kosmosetööstuses, materjaliteaduses ja mõnedes kõrgtehnoloogilistes rakendustes.
Skandiumi bioloogilised omadused
Skandium ei ole looduses tavaline element. Seetõttu pole sellel organismides bioloogilisi omadusi. Bioloogilised omadused hõlmavad tavaliselt bioloogilist aktiivsust, bioloogilist neeldumist, ainevahetust ja elementide mõju elusorganismidele. Kuna skandium ei ole eluks hädavajalik element, pole ühelgi teadaoleval organismil skandiumi bioloogilist vajadust ega kasutust.
Skandiumi mõju organismidele on peamiselt seotud selle radioaktiivsusega. Mõned skandiumi isotoobid on radioaktiivsed, nii et kui inimkeha või muud organismid puutuvad kokku radioaktiivse skandiumiga, võib see põhjustada ohtlikku kiirgust. Selline olukord tekib tavaliselt konkreetsetes olukordades, nagu tuumateaduslikud uuringud, kiiritusravi või tuumaõnnetused.
Skandium ei suhtle organismidega soodsalt ja sellel on kiirgusoht. Seetõttu ei ole see organismides oluline element.
Skandium on suhteliselt haruldane keemiline element ja selle levik looduses on suhteliselt piiratud. Siin on üksikasjalik tutvustus skandiumi leviku kohta looduses:
1. Sisu looduses: Skandiumi leidub maakoores suhteliselt väikestes kogustes. Keskmine sisaldus maakoores on umbes 0,0026 mg/kg (ehk 2,6 miljondikosa). See muudab skandiumi üheks haruldasemaks elemendiks maakoores.
2. Avastus mineraalides: vaatamata oma piiratud sisaldusele võib skandiumit leida teatud mineraalides, peamiselt oksiidide või silikaatide kujul. Mõned skandiumi sisaldavad mineraalid on skandianiit ja dolomiit.
3. Skandiumi ekstraheerimine: selle piiratud leviku tõttu looduses on puhast skandiumi ekstraheerimine suhteliselt keeruline. Tavaliselt saadakse skandium alumiiniumi sulatusprotsessi kõrvalsaadusena, nagu see esineb alumiiniumi puhul boksiidis.
4. Geograafiline levik: skandium on jaotunud globaalselt, kuid mitte ühtlaselt. Mõnes riigis, nagu Hiina, Venemaa, Norra, Rootsi ja Brasiilia, on rikkalikult skandiumimaardlaid, samas kui teistes piirkondades leidub neid harva.
Kuigi skandiumil on looduses piiratud levik, mängib see olulist rolli mõnedes kõrgtehnoloogilistes ja tööstuslikes rakendustes, seega
Skandiumielemendi ekstraheerimine ja sulatamine
Skandium on haruldane metallelement ning selle kaevandamis- ja kaevandamisprotsessid on üsna keerulised. Järgnev on skandiumelemendi kaevandamis- ja ekstraheerimisprotsessi üksikasjalik tutvustus:
1. Skandiumi ekstraheerimine: Skandiumi ei esine looduses elementaarsel kujul, kuid seda leidub tavaliselt maakides mikrokogustes. Peamised skandiumimaagid hõlmavad vanaadiumi skandiumimaak, tsirkoonimaak ja ütriumimaak. Skandiumisisaldus nendes maakides on suhteliselt madal.
Skandiumi ekstraheerimise protsess hõlmab tavaliselt järgmisi samme:
a. Kaevandamine: skandiumi sisaldavate maakide kaevandamine.
b. Purustamine ja maagi töötlemine: maakide purustamine ja töötlemine kasulike maakide eraldamiseks jääkkividest.
c. Flotatsioon: flotatsiooniprotsessi käigus eraldatakse skandiumi sisaldavad maagid muudest lisanditest.
d. Lahustamine ja redutseerimine: skandiumhüdroksiid lahustatakse tavaliselt ja redutseeritakse redutseeriva ainega (tavaliselt alumiiniumiga) metalliliseks skandiumiks.
e. Elektrolüütiline ekstraheerimine: redutseeritud skandium ekstraheeritakse elektrolüütilise protsessiga, et saada kõrge puhtusasteskandium metall.
3. Skandiumi rafineerimine: skandiumi puhtust saab veelgi parandada mitmete lahustumis- ja kristalliseerimisprotsessidega. Levinud meetod on skandiumühendite eraldamine ja kristalliseerimine kloorimise või karboniseerimise teelkõrge puhtusastmega skandium.
Tuleb märkida, et skandiumi vähesuse tõttu nõuavad ekstraheerimis- ja rafineerimisprotsessid väga täpset keemiatehnoloogiat ning tekitavad tavaliselt märkimisväärses koguses jäätmeid ja kõrvalsaadusi. Seetõttu on skandiumi elemendi kaevandamine ja kaevandamine keeruline ja kallis projekt, mida tavaliselt kombineeritakse teiste elementide kaevandamise ja kaevandamisega, et parandada majanduslikku efektiivsust.
Skandiumi tuvastamise meetodid
1. Aatomabsorptsioonspektromeetria (AAS): Aatomabsorptsioonspektromeetria on tavaliselt kasutatav kvantitatiivne analüüsimeetod, mis kasutab skandiumi kontsentratsiooni määramiseks proovis kindlatel lainepikkustel neeldumisspektreid. See pihustab testitava proovi leegis ja mõõdab seejärel skandiumi neeldumise intensiivsust proovis läbi spektromeetri. See meetod sobib skandiumi jälgede kontsentratsioonide tuvastamiseks.
2. Induktiivsidestatud plasma optiline emissioonispektromeetria (ICP-OES): Induktiivsidestatud plasma optiline emissioonispektromeetria on väga tundlik ja selektiivne analüüsimeetod, mida kasutatakse laialdaselt mitmeelemendilises analüüsis. See pihustab proovi ja moodustab plasma ning määrab spektromeetris skandiumi emissiooni spetsiifilise lainepikkuse ja intensiivsuse.
3. Induktiivsidestatud plasma massispektromeetria (ICP-MS): Induktiivsidestatud plasma massispektromeetria on väga tundlik ja kõrge eraldusvõimega analüüsimeetod, mida saab kasutada isotoopide suhte määramiseks ja mikroelementide analüüsiks. See pihustab proovi ja moodustab plasma ning määrab massispektromeetris skandiumi massi ja laengu suhte. 4. Röntgenikiirguse fluorestsentsspektromeetria (XRF): röntgenfluorestsentsspektromeetria kasutab elementide sisalduse analüüsimiseks fluorestsentsspektrit, mis tekib pärast proovi röntgenkiirtega ergastamist. See suudab kiiresti ja mittepurustavalt määrata skandiumi sisaldust proovis.
5. Otsese lugemise spektromeetria: tuntud ka kui fotoelektriline otselugemisspektromeetria, see on analüütiline meetod, mida kasutatakse proovi elementide sisalduse analüüsimiseks. Otsese lugemise spektromeetria põhineb aatomiemissioonispektromeetria põhimõttel. See kasutab kõrge temperatuuriga elektrilisi sädemeid või kaare, et aurustada proovis olevad elemendid otse tahkest olekust ja kiirgada iseloomulikke spektrijooni ergastatud olekus. Igal elemendil on kordumatu emissioonijoon ja selle intensiivsus on võrdeline elemendi sisaldusega proovis. Mõõtes nende iseloomulike spektrijoonte intensiivsust, saab määrata iga elemendi sisalduse proovis. Seda meetodit kasutatakse peamiselt metallide ja sulamite koostise analüüsiks, eriti metallurgias, metallitöötlemises, materjaliteaduses ja muudes valdkondades.
Neid meetodeid kasutatakse laialdaselt laboris ja tööstuses skandiumi kvantitatiivseks analüüsiks ja kvaliteedikontrolliks. Sobiva meetodi valik sõltub sellistest teguritest nagu proovi tüüp, nõutav avastamispiir ja tuvastamise täpsus.
Skandiumi aatomabsorptsiooni meetodi spetsiifiline rakendus
Elementide mõõtmisel on aatomabsorptsioonspektroskoopia kõrge täpsus ja tundlikkus, mis on tõhus vahend elementide keemiliste omaduste, ühendi koostise ja sisalduse uurimiseks.
Järgmisena kasutame raua elemendi sisalduse mõõtmiseks aatomabsorptsioonspektroskoopiat.
Konkreetsed sammud on järgmised.
Valmistage ette testitav proov. Mõõdetava proovi lahuse valmistamiseks on järgnevate mõõtmiste hõlbustamiseks tavaliselt vaja seedimiseks kasutada segahapet.
Valige sobiv aatomabsorptsioonspektromeeter. Valige sobiv aatomabsorptsioonspektromeeter, lähtudes uuritava proovi omadustest ja mõõdetava skandiumisisalduse vahemikust. Reguleerige aatomabsorptsioonspektromeetri parameetreid. Reguleerige aatomabsorptsioonspektromeetri parameetreid, sealhulgas valgusallikat, pihustit, detektorit jne, lähtudes testitud elemendist ja seadme mudelist.
Mõõtke skandiumelemendi neelduvus. Asetage testitav proov pihustisse ja kiirgage läbi valgusallika kindla lainepikkusega valguskiirgust. Testitav skandiumelement neelab selle valguskiirguse ja läbib energiataseme üleminekuid. Mõõtke skandiumelemendi neeldumist läbi detektori.
Arvutage skandiumi elemendi sisaldus. Arvutage skandiumelemendi sisaldus neeldumise ja standardkõvera põhjal.
Tegelikus töös on vaja valida sobivad mõõtmismeetodid vastavalt objekti spetsiifilistele vajadustele. Neid meetodeid kasutatakse laialdaselt raua analüüsimisel ja tuvastamisel laborites ja tööstustes.
Skandiumi põhjaliku sissejuhatuse lõpus loodame, et lugejad saavad sellest imelisest elemendist sügavamalt aru ja teadmisi. Skandiumil kui perioodilisuse tabeli olulisel elemendil ei ole mitte ainult teaduse valdkonnas võtmeroll, vaid sellel on lai valik rakendusi igapäevaelus ja muudes valdkondades.
Uurides skandiumi omadusi, kasutusalasid, avastamisprotsessi ja rakendamist tänapäeva teaduses ja tehnoloogias, näeme selle elemendi ainulaadset võlu ja potentsiaali. Lennundusmaterjalidest akutehnoloogiani, naftakeemiatoodetest meditsiiniseadmeteni mängib skandium võtmerolli.
Muidugi peame ka mõistma, et kuigi skandium toob meie ellu mugavust, on sellel ka mõningaid potentsiaalseid riske. Seega, kuigi me peame skandiumi eeliseid nautima, peame võimalike probleemide vältimiseks tähelepanu pöörama ka mõistlikule kasutamisele ja standardsele kasutamisele. Scandium on element, mis väärib meie põhjalikku uurimist ja mõistmist. Teaduse ja tehnoloogia edasises arengus ootame skandiumil oma ainulaadseid eeliseid rohkemates valdkondades ning toovad meie ellu rohkem mugavust ja üllatusi.
Postitusaeg: 14.11.2024