Скандий дегеніміз не және оның жиі қолданылатын сынау әдістері

21 Scandium және оның жиі қолданылатын сынау әдістері

Жұмбақ пен сүйкімділікке толы элементтер әлеміне қош келдіңіз. Бүгін біз ерекше элементті бірге зерттейміз -скандий. Бұл элемент күнделікті өмірімізде жиі кездеспесе де, ғылым мен өндірісте маңызды рөл атқарады.

Скандий, бұл тамаша элементтің көптеген таңғажайып қасиеттері бар. Бұл сирек жер элементтері отбасының мүшесі. Басқа сияқтысирек жер элементтері, скандийдің атомдық құрылымы құпияға толы. Дәл осы бірегей атом құрылымдары скандийді физика, химия және материалтануда таптырмас рөл атқарады.

Скандийдің ашылуы иірімдер мен бұрылыстарға және қиындықтарға толы. Ол 1841 жылы швед химигі Л.Ф.Нилсон (1840~1899) тазартылған элементтерден басқа элементтерді бөлуге үміттенген кезде басталды.эрбиумжеңіл металдарды зерттеу кезінде жер. Нитраттарды 13 рет ішінара ыдыратудан кейін ол 3,5 г таза зат алды.иттербийжер. Бірақ ол алған итербийдің атомдық салмағы бұрын Малинак берген итербийдің атомдық салмағына сәйкес келмейтінін анықтады. Өткір көзді Нельсон оның ішінде жеңіл элемент болуы мүмкін екенін түсінді. Сондықтан ол алған итербийді сол процесспен өңдеуді жалғастырды. Ақырында, үлгінің оннан бір бөлігі ғана қалғанда, өлшенген атом салмағы 167,46-ға дейін төмендеді. Бұл нәтиже иттрийдің атомдық салмағына жақын, сондықтан Нельсон оны «Скандий» деп атады.

Нельсон скандийді ашқанымен, ол сирек кездесетіндіктен және бөліну қиындығынан ғылыми қоғамдастықтың назарын аудара алмады. Сирек жер элементтерін зерттеу үрдіске айналған 19 ғасырдың аяғында ғана скандий қайта ашылып, зерттеле бастады.

Сонымен, скандийді зерттеуге, оның құпиясын ашуға және қарапайым болып көрінетін, бірақ шын мәнінде сүйкімді элементті түсінуге кірісейік.

Скандийдің қолдану өрістері
Скандий символы - Sc, оның атомдық нөмірі 21. Элемент жұмсақ, күмістей ақ өтпелі металл. Скандий жер қыртысында кең таралған элемент болмаса да, оның көптеген маңызды қолдану өрістері бар, негізінен келесі аспектілерде:

1. Аэроғарыш өнеркәсібі: Скандий алюминийі – аэроғарыш өнеркәсібінде ұшақ құрылымдарында, қозғалтқыш бөліктерінде және зымыран өндірісінде қолданылатын жеңіл, жоғары беріктік қорытпасы. Скандийді қосу қорытпаның беріктігі мен коррозияға төзімділігін жақсартады, сонымен бірге қорытпаның тығыздығын азайтады, аэроғарыштық жабдықты жеңілірек және берік етеді.
2. Велосипедтер мен спорттық жабдықтар:Скандий алюминийіСондай-ақ велосипедтерді, гольф клубтарын және басқа да спорттық жабдықтарды жасау үшін қолданылады. Керемет күші мен жеңілдігінің арқасында,скандий қорытпасыспорттық құрал-жабдықтардың өнімділігін жақсартуға, салмағын азайтуға және материалдың беріктігін арттыруға болады.
3. Жарықтандыру өнеркәсібі:Скандий йодидіжоғары қарқынды ксенон шамдарында толтырғыш ретінде қолданылады. Мұндай шамдар фотографияда, кино түсіруде, сахналық жарықтандыруда және медициналық жабдықтарда қолданылады, өйткені олардың спектрлік сипаттамалары табиғи күн сәулесіне өте жақын.
4. Отын ұяшықтары:Скандий алюминийісондай-ақ қатты оксидті отын жасушаларында (SOFC) қолдануды табады. Бұл батареяларда,скандий-алюминий қорытпасыотын элементтерінің тиімділігі мен өнімділігін арттыруға көмектесетін жоғары өткізгіштік пен тұрақтылыққа ие анодтық материал ретінде пайдаланылады.
5. Ғылыми зерттеулер: Скандий ғылыми зерттеулерде детекторлық материал ретінде қолданылады. Ядролық физика эксперименттерінде және бөлшектердің үдеткіштерінде скандий сцинтилляциялық кристалдары сәулелену мен бөлшектерді анықтау үшін қолданылады.
6. Басқа қолданбалар: Скандий сонымен қатар жоғары температуралы асқын өткізгіш ретінде және қорытпаның қасиеттерін жақсарту үшін кейбір арнайы қорытпаларда қолданылады. Анодтау процесінде скандийдің жоғары өнімділігіне байланысты ол литий батареялары мен басқа электронды құрылғыларға арналған электрод материалдарын өндіруде де қолданылады.

Қолдануларының көптігіне қарамастан, скандийдің өндірісі мен қолданылуы оның салыстырмалы тапшылығына байланысты шектеулі және салыстырмалы түрде қымбат екенін атап өту маңызды, сондықтан оны пайдалану кезінде оның құны мен баламаларын мұқият қарастыру қажет.

Скандий элементінің физикалық қасиеттері

1. Атом құрылымы: Скандий ядросы 21 протоннан тұрады және әдетте 20 нейтроннан тұрады. Сондықтан оның стандартты атомдық салмағы (салыстырмалы атомдық массасы) шамамен 44,955908 құрайды. Атом құрылымы бойынша скандийдің электронды конфигурациясы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Физикалық күйі: Скандий бөлме температурасында қатты күйде және күмістей ақ түсті сыртқы түрі бар. Оның физикалық күйі температура мен қысымның өзгеруіне байланысты өзгеруі мүмкін.
3. Тығыздығы: Скандийдің тығыздығы шамамен 2,989 г/см3. Бұл салыстырмалы түрде төмен тығыздық оны жеңіл металл етеді.
4. Балқу нүктесі: Скандийдің балқу температурасы шамамен 1541 градус Цельсий (Фаренгейт бойынша 2806 градус), бұл оның салыстырмалы түрде жоғары балқу температурасы бар екенін көрсетеді. 5. Қайнау температурасы: Скандийдің қайнау температурасы шамамен 2836 градус Цельсий (Фаренгейт бойынша 5137 градус), яғни булану үшін жоғары температура қажет.
6. Электрөткізгіштік: Скандий электр тогын жақсы өткізеді, электр өткізгіштігі қолайлы. Мыс немесе алюминий сияқты қарапайым өткізгіш материалдар сияқты жақсы болмаса да, ол электролиттік жасушалар және аэроғарыштық қолданбалар сияқты кейбір арнайы қолданбаларда әлі де пайдалы.
7. Жылу өткізгіштік: Скандий салыстырмалы түрде жоғары жылу өткізгіштікке ие, бұл оны жоғары температурада жақсы жылу өткізгіш етеді. Бұл кейбір жоғары температура қолданбаларында пайдалы.
8. Кристалл құрылымы: Скандийдің алтыбұрышты тығыз оралған кристалдық құрылымы бар, бұл оның атомдары кристалда тығыз орналасқан алтыбұрыштарға оралғанын білдіреді.
9. Магнитизм: Скандий бөлме температурасында диамагниттік болып табылады, яғни ол магнит өрістерімен тартылмайды немесе итерілмейді. Оның магниттік әрекеті оның электрондық құрылымымен байланысты.
10. Радиоактивтілік: Скандийдің барлық тұрақты изотоптары радиоактивті емес, сондықтан ол радиоактивті емес элемент болып табылады.

Скандий - салыстырмалы түрде жеңіл, балқу температурасы жоғары метал, бірнеше арнайы қолданбалары бар, әсіресе аэроғарыш өнеркәсібі мен материалтануда. Табиғатта жиі кездеспесе де, оның физикалық қасиеттері оны бірнеше салаларда ерекше пайдалы етеді.

Скандийдің химиялық қасиеттері

Скандий - өтпелі металл элементі.
1. Атом құрылымы: Скандий атомының құрылымы 21 протоннан және әдетте 20 нейтроннан тұрады. Оның электронды конфигурациясы 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², бұл оның толтырылмаған бір d орбиталының бар екенін көрсетеді.
2. Химиялық таңба және атом нөмірі: Скандийдің химиялық таңбасы Sc, ал атомдық нөмірі 21.
3. Электртерістігі: Скандийдің салыстырмалы түрде төмен электртерістігі шамамен 1,36 (Павелдің электртерістігі бойынша). Бұл оң иондарды қалыптастыру үшін электрондарды жоғалтуға бейім екенін білдіреді.
4. Тотығу күйі: Скандий әдетте +3 тотығу күйінде болады, яғни ол Sc³⁺ ионын түзу үшін үш электронын жоғалтты. Бұл оның ең таралған тотығу күйі. Sc²⁺ және Sc⁴⁺ да мүмкін болғанымен, олар тұрақты емес және сирек кездеседі.
5. Қосылыстар: Скандий негізінен оттегі, күкірт, азот және сутегі сияқты элементтермен қосылыстар түзеді. Кейбір жалпы скандий қосылыстары жатадыскандий оксиді (Sc2O3) және скандий галогенидтері (мысалыскандий хлориді, ScCl3).
6. Реактивтілігі: Скандий салыстырмалы түрде реактивті металл, бірақ ол ауада тез тотығады, одан әрі тотығу реакцияларына жол бермейтін скандий оксидінің оксидті қабығын құрайды. Бұл сонымен қатар скандийді салыстырмалы түрде тұрақты етеді және коррозияға төзімділікке ие.
7. Ерігіштік: Скандий қышқылдардың көпшілігінде баяу ериді, бірақ сілтілі жағдайларда оңайырақ ериді. Ол суда ерімейді, өйткені оның оксидті қабығы су молекулаларымен одан әрі реакцияларға жол бермейді.

8. Лантанид тәрізді химиялық қасиеттері: Скандийдің химиялық қасиеттері лантанидтер қатарындағыларға ұқсас (лантан, гадолиний, неодимжәне т.б.), сондықтан ол кейде лантанид тәрізді элемент ретінде жіктеледі. Бұл ұқсастық негізінен иондық радиуста, қосылыс қасиеттерінде және кейбір реакциялық қабілетінде көрінеді.
9. Изотоптар: Скандийдің бірнеше изотоптары бар, тек кейбіреулері тұрақты. Ең тұрақты изотоп Sc-45 болып табылады, оның жартылай ыдырау периоды ұзақ және радиоактивті емес.

Скандий салыстырмалы түрде сирек кездесетін элемент, бірақ оның кейбір бірегей химиялық және физикалық қасиеттеріне байланысты ол бірнеше қолданбалы салаларда, әсіресе аэроғарыш өнеркәсібінде, материалтануда және кейбір жоғары технологиялық қолданбаларда маңызды рөл атқарады.

Скандийдің биологиялық қасиеттері

Скандий табиғатта кең таралған элемент емес. Сондықтан оның ағзаларда биологиялық қасиеті жоқ. Биологиялық қасиеттер әдетте биологиялық белсенділікті, биологиялық сіңуін, зат алмасуын және элементтердің тірі организмдерге әсерін қамтиды. Скандий өмірге қажетті элемент болмағандықтан, белгілі ағзалардың скандийге биологиялық қажеттілігі немесе пайдалануы жоқ.
Скандийдің организмдерге әсері негізінен оның радиоактивтілігіне байланысты. Скандийдің кейбір изотоптары радиоактивті, сондықтан адам ағзасына немесе басқа организмдерге радиоактивті скандий әсер етсе, бұл қауіпті радиация әсерін тудыруы мүмкін. Бұл жағдай әдетте ядролық ғылымды зерттеу, радиотерапия немесе ядролық апаттар сияқты нақты жағдайларда орын алады.
Скандий организмдермен тиімді әрекеттеспейді және радиация қаупі бар. Сондықтан ол организмдерде маңызды элемент емес.

Скандий салыстырмалы түрде сирек кездесетін химиялық элемент және оның табиғатта таралуы салыстырмалы түрде шектеулі. Міне, скандийдің табиғатта таралуы туралы егжей-тегжейлі кіріспе:

1. Табиғаттағы мазмұны: Скандий жер қыртысында салыстырмалы түрде аз мөлшерде болады. Жер қыртысының орташа мөлшері шамамен 0,0026 мг/кг (немесе миллионға 2,6 бөлік). Бұл скандийді жер қыртысындағы сирек элементтердің біріне айналдырады.

2. Минералдардың ашылуы: шектеулі мазмұнына қарамастан, скандий кейбір минералдарда, негізінен оксидтер немесе силикаттар түрінде кездеседі. Құрамында скандий бар кейбір минералдарға скандианит пен доломит жатады.

3. Скандийді алу: табиғатта шектеулі таралуына байланысты таза скандийді алу салыстырмалы түрде қиын. Әдетте, скандий алюминийді балқыту процесінің жанама өнімі ретінде алынады, өйткені ол алюминиймен бокситте кездеседі.

4. Географиялық таралуы: Скандий дүние жүзінде таралған, бірақ біркелкі емес. Қытай, Ресей, Норвегия, Швеция және Бразилия сияқты кейбір елдерде скандийдің бай кен орындары бар, ал басқа аймақтарда олар сирек кездеседі.

Скандий табиғатта шектеулі таралуына қарамастан, ол кейбір жоғары технологиялық және өнеркәсіптік қолданбаларда маңызды рөл атқарады, сондықтан оның

Скандий элементін алу және балқыту

Скандий сирек кездесетін металл элементі болып табылады және оны өндіру және өндіру процесі өте күрделі. Төменде скандий элементін өндіру және алу процесі туралы егжей-тегжейлі кіріспе берілген:

1. Скандийді алу: Скандий табиғатта өзінің элементтік түрінде болмайды, бірақ әдетте кендерде іздік мөлшерде болады. Негізгі скандий кендеріне ванадий скандий кені, циркон кені және иттрий кені жатады. Бұл кендерде скандий мөлшері салыстырмалы түрде төмен.

Скандийді алу процесі әдетте келесі қадамдарды қамтиды:

а. Тау-кен ісі: құрамында скандий бар кендерді қазу.

б. Ұнтақтау және кенді өңдеу: пайдалы кендерді бос жыныстардан бөлу үшін рудаларды ұсақтау және өңдеу.

в. Флотация: Флотация процесі арқылы құрамында скандий бар кендер басқа қоспалардан бөлінеді.

г. Еріту және қалпына келтіру: Скандий гидроксиді әдетте ерітіледі, содан кейін қалпына келтіретін агент (әдетте алюминий) арқылы металл скандийге дейін тотықсызданады.

e. Электролиттік экстракция: төмендетілген скандий жоғары тазалықты алу үшін электролиттік процесс арқылы алынады.скандий металы.

3. Скандийді тазарту: бірнеше еріту және кристалдану процестері арқылы скандийдің тазалығын одан әрі жақсартуға болады. Жалпы әдіс - хлорлау немесе карбондау процестері арқылы скандий қосылыстарын бөлу және кристалдаужоғары таза скандий.

Айта кету керек, скандийдің тапшылығына байланысты өндіру және тазарту процестері өте дәл химиялық инженерияны қажет етеді және әдетте қалдықтар мен жанама өнімдердің айтарлықтай мөлшерін тудырады. Сондықтан скандий элементін өндіру және өндіру күрделі және қымбат жоба болып табылады, әдетте экономикалық тиімділікті арттыру үшін басқа элементтерді өндіру және өндіру процесімен біріктіріледі.

Скандийді анықтау әдістері
1. Атомдық абсорбциялық спектрометрия (ААС): Атомдық абсорбциялық спектрометрия үлгідегі скандий концентрациясын анықтау үшін белгілі бір толқын ұзындығындағы абсорбциялық спектрлерді пайдаланатын жиі қолданылатын сандық талдау әдісі болып табылады. Ол жалында сыналатын үлгіні атомизациялайды, содан кейін спектрометр арқылы үлгідегі скандийдің жұтылу қарқындылығын өлшейді. Бұл әдіс скандийдің іздік концентрациясын анықтау үшін қолайлы.
2. Индуктивті байланысқан плазмалық оптикалық эмиссиялық спектрометрия (ICP-OES): Индуктивті байланысқан плазмалық оптикалық эмиссия спектрометриясы – көп элементті талдауда кеңінен қолданылатын жоғары сезімтал және селективті аналитикалық әдіс. Ол үлгіні атомизациялайды және плазманы құрайды және спектрометрде скандий эмиссиясының нақты толқын ұзындығы мен қарқындылығын анықтайды.
3. Индуктивті байланысқан плазмалық масс-спектрометрия (ICP-MS): Индуктивті байланысқан плазмалық масс-спектрометрия — изотоптар қатынасын анықтау және микроэлементтерді талдау үшін пайдаланылуы мүмкін жоғары сезімтал және ажыратымдылығы жоғары аналитикалық әдіс. Ол үлгіні атомизациялайды және плазманы құрайды және масс-спектрометрдегі скандийдің масса-зарядқа қатынасын анықтайды. 4. Рентгендік флуоресценция спектрометриясы (XRF): Рентгендік флуоресценция спектрометриясы элементтердің мазмұнын талдау үшін үлгіні рентген сәулелерімен қоздырғаннан кейін пайда болған флуоресценция спектрін пайдаланады. Ол үлгідегі скандийдің құрамын тез және бұзбай анықтай алады.
5. Тікелей оқу спектрометриясы: Фотоэлектрлік тікелей оқу спектрометриясы ретінде де белгілі, бұл үлгідегі элементтердің мазмұнын талдау үшін пайдаланылатын аналитикалық әдіс. Тікелей оқу спектрометриясы атомдық эмиссиялық спектрометрия принципіне негізделген. Ол қатты күйдегі үлгідегі элементтерді тікелей буландыру және қозған күйде тән спектрлік сызықтарды шығару үшін жоғары температуралы электр ұшқындарын немесе доғаларды пайдаланады. Әрбір элементтің бірегей эмиссия сызығы бар және оның қарқындылығы үлгідегі элементтің мазмұнына пропорционалды. Осы сипаттамалық спектрлік сызықтардың қарқындылығын өлшеу арқылы үлгідегі әрбір элементтің мазмұнын анықтауға болады. Бұл әдіс негізінен металдар мен қорытпалардың құрамын талдау үшін, әсіресе металлургия, металл өңдеу, материалтану және басқа салаларда қолданылады.

Бұл әдістер зертханада және өнеркәсіпте скандийдің сандық талдауы мен сапасын бақылау үшін кеңінен қолданылады. Сәйкес әдісті таңдау үлгі түрі, қажетті анықтау шегі және анықтау дәлдігі сияқты факторларға байланысты.

Скандий атомдық жұту әдісінің ерекше қолданылуы

Элементтерді өлшеуде атомдық абсорбциялық спектроскопия элементтердің химиялық қасиеттерін, қосылыс құрамын және мазмұнын зерттеудің тиімді құралы болып табылатын жоғары дәлдік пен сезімталдыққа ие.

Әрі қарай, темір элементінің құрамын өлшеу үшін атомдық абсорбциялық спектроскопияны қолданамыз.

Нақты қадамдар келесідей:

Сыналатын үлгіні дайындаңыз. Өлшенетін үлгінің ерітіндісін дайындау үшін, әдетте, кейінгі өлшеулерді жеңілдету үшін ас қорыту үшін аралас қышқылды пайдалану қажет.

Сәйкес атомдық абсорбциялық спектрометрді таңдаңыз. Сыналатын үлгінің қасиеттеріне және өлшенетін скандий мазмұнының ауқымына негізделген сәйкес атомдық абсорбциялық спектрометрді таңдаңыз. Атомдық абсорбциялық спектрометрдің параметрлерін реттеңіз. Сыналған элемент пен аспап үлгісі негізінде жарық көзін, атомизаторды, детекторды және т.б. қоса, атомдық абсорбциялық спектрометрдің параметрлерін реттеңіз.

Скандий элементінің сіңіру қабілетін өлшеңіз. Сыналатын үлгіні атомизаторға салыңыз және жарық көзі арқылы белгілі бір толқын ұзындығының сәулеленуін шығарыңыз. Тексерілетін скандий элементі осы жарық сәулесін жұтып, энергия деңгейінің ауысуынан өтеді. Детектор арқылы скандий элементінің жұтылуын өлшеңіз.

Скандий элементінің құрамын есептеңіз. Скандий элементінің мазмұнын сіңіру және стандартты қисық негізінде есептеңіз.

Нақты жұмыста учаскенің нақты қажеттіліктеріне сәйкес тиісті өлшеу әдістерін таңдау қажет. Бұл әдістер зертханалар мен өндірістерде темірді талдау мен анықтауда кеңінен қолданылады.
Скандиумға жан-жақты кіріспенің соңында оқырмандар осы тамаша элементті тереңірек түсініп, біле алады деп үміттенеміз. Скандий периодтық жүйенің маңызды элементі ретінде ғылым саласында шешуші рөл атқарып қана қоймайды, сонымен қатар күнделікті өмірде және басқа салаларда қолдану аясы кең.
Қазіргі заманғы ғылым мен техникада скандийдің қасиеттерін, қолданылуын, ашылу процесін және қолданылуын зерттей отырып, біз бұл элементтің ерекше сүйкімділігі мен әлеуетін көре аламыз. Аэроғарыштық материалдардан батарея технологиясына, мұнай-химиядан медициналық жабдықтарға дейін скандий негізгі рөл атқарады.
Әрине, скандиум біздің өмірімізге қолайлылық әкелгенімен, оның кейбір ықтимал қауіптері де бар екенін түсінуіміз керек. Сондықтан, скандийдің артықшылықтарын пайдалануымыз керек болғанымен, мүмкін болатын проблемаларды болдырмау үшін орынды пайдалану мен стандартталған қолданбаға назар аударуымыз керек. Скандий - біздің терең зерттеуіміз бен түсінуімізге лайық элемент. Ғылым мен технологияның болашақ дамуында біз скандиум өзінің бірегей артықшылықтарын көбірек салаларда ойнап, өмірімізге көбірек ыңғайлылық пен тосын сыйлар әкеледі деп күтеміз.