21 Scandium ir jo dažniausiai naudojami tyrimo metodai
Sveiki atvykę į šį elementų pasaulį, kupiną paslapties ir žavesio. Šiandien mes kartu tyrinėsime ypatingą elementą -skandis. Nors šis elementas nėra įprastas mūsų kasdieniame gyvenime, jis atlieka svarbų vaidmenį moksle ir pramonėje.
Skandis, šis nuostabus elementas, turi daug nuostabių savybių. Tai retųjų žemių elementų šeimos narys. Kaip ir kitiretųjų žemių elementai, skandžio atominė struktūra kupina paslapčių. Būtent dėl šių unikalių atominių struktūrų skandis vaidina nepakeičiamą vaidmenį fizikoje, chemijoje ir medžiagų moksle.
Skandio atradimas kupinas vingių ir sunkumų. Tai prasidėjo 1841 m., kai švedų chemikas LFNilsonas (1840–1899) tikėjosi atskirti kitus elementus nuo išgryninto.erbisžemę studijuodami lengvuosius metalus. Po 13 kartų dalinio nitratų skaidymo jis pagaliau gavo 3,5 g grynoiterbisžemė. Tačiau jis nustatė, kad jo gauto iterbio atominis svoris nesutampa su anksčiau Malinaco pateiktu iterbio svoriu. Aštriaakis Nelsonas suprato, kad jame gali būti koks nors lengvas elementas. Taigi jis ir toliau apdorojo iterbį, kurį gavo tuo pačiu būdu. Galiausiai, kai liko tik dešimtoji mėginio, išmatuotas atominis svoris sumažėjo iki 167,46. Šis rezultatas yra artimas itrio atominiam svoriui, todėl Nelsonas pavadino jį „Scandium“.
Nors Nelsonas atrado skandį, jis nesulaukė didelio mokslo bendruomenės dėmesio dėl jo retumo ir sunkumo jį atskirti. Tik XIX amžiaus pabaigoje, kai retųjų žemių elementų tyrimai tapo tendencija, skandis buvo iš naujo atrastas ir ištirtas.
Taigi, leiskime į šią skandžio tyrinėjimo kelionę, kad atskleistume jo paslaptį ir suprastume šį iš pažiūros įprastą, bet iš tikrųjų žavingą elementą.
Skandio taikymo sritys
Skandio simbolis yra Sc, o jo atominis skaičius yra 21. Elementas yra minkštas, sidabriškai baltas pereinamasis metalas. Nors skandis nėra įprastas elementas žemės plutoje, jis turi daug svarbių taikymo sričių, daugiausia šiais aspektais:
1. Orlaivių ir kosmoso pramonė: skandžio aliuminis yra lengvas, didelio stiprumo lydinys, naudojamas orlaivių konstrukcijose, variklių dalyse ir raketų gamyboje aviacijos ir kosmoso pramonėje. Skandio pridėjimas gali pagerinti lydinio stiprumą ir atsparumą korozijai, kartu sumažinant lydinio tankį, todėl aviacijos ir kosmoso įranga tampa lengvesnė ir patvaresnė.
2. Dviračiai ir sporto įranga:Skandio aliuministaip pat naudojamas dviračiams, golfo lazdoms ir kitai sporto įrangai gaminti. Dėl savo puikaus stiprumo ir lengvumo,skandžio lydinysgali pagerinti sporto įrangos veikimą, sumažinti svorį ir padidinti medžiagos patvarumą.
3. Apšvietimo pramonė:Skandio jodidasnaudojamas kaip užpildas didelio intensyvumo ksenoninėse lempose. Tokios lemputės naudojamos fotografijoje, filmų kūrime, scenos apšvietime, medicinos įrangoje, nes jų spektrinės charakteristikos labai artimos natūraliai saulės šviesai.
4. Kuro elementai:Skandio aliuministaip pat randamas pritaikymas kietojo oksido kuro elementuose (SOFC). Šiose baterijoseskandžio-aliuminio lydinysnaudojama kaip anodo medžiaga, kuri pasižymi dideliu laidumu ir stabilumu, padedanti pagerinti kuro elementų efektyvumą ir našumą.
5. Moksliniai tyrimai: Skandis naudojamas kaip detektoriaus medžiaga moksliniuose tyrimuose. Branduolinės fizikos eksperimentuose ir dalelių greitintuvuose skandžio scintiliacijos kristalai naudojami radiacijai ir dalelėms aptikti.
6. Kiti pritaikymai: Skandis taip pat naudojamas kaip aukštos temperatūros superlaidininkas ir kai kuriuose specialiuose lydiniuose, siekiant pagerinti lydinio savybes. Dėl puikių skandžio savybių anodavimo procese jis taip pat naudojamas gaminant elektrodų medžiagas ličio akumuliatoriams ir kitiems elektroniniams prietaisams.
Svarbu pažymėti, kad nepaisant daugybės pritaikymų, skandžio gamyba ir naudojimas yra ribotas ir gana brangus dėl santykinio trūkumo, todėl naudojant jį reikia atidžiai apsvarstyti jo kainą ir alternatyvas.
Skandio elemento fizinės savybės
1. Atominė struktūra: skandžio branduolį sudaro 21 protonas ir paprastai yra 20 neutronų. Todėl jo standartinis atominis svoris (santykinė atominė masė) yra apie 44,955908. Kalbant apie atominę struktūrą, skandžio elektronų konfigūracija yra 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Fizikinė būsena: Skandis yra kietas kambario temperatūroje ir yra sidabriškai baltos spalvos. Jo fizinė būsena gali keistis priklausomai nuo temperatūros ir slėgio pokyčių.
3. Tankis: skandžio tankis yra apie 2,989 g/cm3. Dėl santykinai mažo tankio jis yra lengvas metalas.
4. Lydymosi temperatūra: skandžio lydymosi temperatūra yra apie 1541 laipsnis Celsijaus (2806 laipsniai pagal Farenheitą), o tai rodo, kad jo lydymosi temperatūra yra gana aukšta. 5. Virimo temperatūra: skandžio virimo temperatūra yra apie 2836 laipsniai Celsijaus (5137 laipsniai pagal Farenheitą), o tai reiškia, kad norint išgaruoti, reikia aukštos temperatūros.
6. Elektros laidumas: skandis yra geras elektros laidininkas, kurio elektros laidumas yra pagrįstas. Nors jis nėra toks geras kaip įprastos laidžios medžiagos, pavyzdžiui, varis ar aliuminis, jis vis tiek naudingas kai kuriose specialiose srityse, pavyzdžiui, elektrolitinėse ląstelėse ir erdvėlaiviuose.
7. Šilumos laidumas: Skandis turi gana aukštą šilumos laidumą, todėl jis yra geras šilumos laidininkas esant aukštai temperatūrai. Tai naudinga kai kuriose aukštos temperatūros programose.
8. Kristalinė struktūra: Skandis turi šešiakampę sandarią kristalų struktūrą, o tai reiškia, kad jo atomai kristale yra supakuoti į glaudžiai supakuotus šešiakampius.
9. Magnetizmas: Skandis yra diamagnetinis kambario temperatūroje, tai reiškia, kad jo netraukia ir neatbaido magnetiniai laukai. Jo magnetinis elgesys yra susijęs su jo elektronine struktūra.
10. Radioaktyvumas: visi stabilūs skandžio izotopai nėra radioaktyvūs, todėl tai yra neradioaktyvus elementas.
Skandis yra gana lengvas, aukštos lydymosi temperatūros metalas, turintis keletą specialių pritaikymų, ypač kosmoso pramonėje ir medžiagų moksle. Nors gamtoje jis nėra plačiai paplitęs, jo fizinės savybės daro jį išskirtinai naudingu keliose srityse.
Cheminės skandžio savybės
Skandis yra pereinamasis metalo elementas.
1. Atominė struktūra: skandžio atominę struktūrą sudaro 21 protonas ir paprastai apie 20 neutronų. Jo elektronų konfigūracija yra 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², o tai rodo, kad ji turi vieną neužpildytą d orbitalę.
2. Cheminis simbolis ir atominis skaičius: skandžio cheminis simbolis yra Sc, o jo atominis skaičius yra 21.
3. Elektronegatyvumas: skandžio elektronegatyvumas yra santykinai mažas – apie 1,36 (pagal Paulio elektronegatyvumą). Tai reiškia, kad jis linkęs prarasti elektronus, kad susidarytų teigiami jonai.
4. Oksidacijos būsena: skandis paprastai būna +3 oksidacijos būsenoje, o tai reiškia, kad jis prarado tris elektronus, kad susidarytų Sc³⁺ jonas. Tai yra labiausiai paplitusi jo oksidacijos būsena. Nors Sc²⁺ ir Sc⁴⁺ taip pat galimi, jie yra mažiau stabilūs ir mažiau paplitę.
5. Junginiai: skandis daugiausia sudaro junginius su tokiais elementais kaip deguonis, siera, azotas ir vandenilis. Kai kurie įprasti skandžio junginiai apimaskandžio oksidas (Sc2O3) ir skandžio halogenidai (pvz.,skandžio chloridas, ScCl3).
6. Reaktyvumas: Skandis yra gana reaktyvus metalas, tačiau greitai oksiduojasi ore, sudarydamas skandžio oksido oksido plėvelę, kuri užkerta kelią tolimesnėms oksidacijos reakcijoms. Dėl to skandis taip pat yra gana stabilus ir turi tam tikrą atsparumą korozijai.
7. Tirpumas: skandis lėtai tirpsta daugumoje rūgščių, bet lengviau tirpsta šarminėmis sąlygomis. Jis netirpus vandenyje, nes jo oksido plėvelė neleidžia tolesnei reakcijai su vandens molekulėmis.
8. Į lantanidą panašios cheminės savybės: skandžio cheminės savybės yra panašios į lantanido serijos (lantanas, gadolinio, neodimioir kt.), todėl kartais priskiriamas lantanido tipo elementams. Šį panašumą daugiausia atspindi jonų spindulys, junginio savybės ir tam tikras reaktyvumas.
9. Izotopai: skandis turi daug izotopų, tik kai kurie iš jų yra stabilūs. Stabiliausias izotopas yra Sc-45, kurio pusinės eliminacijos laikas yra ilgas ir nėra radioaktyvus.
Skandis yra gana retas elementas, tačiau dėl savo unikalių cheminių ir fizinių savybių jis atlieka svarbų vaidmenį keliose taikymo srityse, ypač aviacijos ir kosmoso pramonėje, medžiagų moksle ir kai kuriose aukštųjų technologijų srityse.
Biologinės skandžio savybės
Skandis nėra įprastas gamtos elementas. Todėl jis neturi jokių biologinių savybių organizmuose. Biologinės savybės dažniausiai apima biologinį aktyvumą, biologinę absorbciją, medžiagų apykaitą ir elementų poveikį gyviems organizmams. Kadangi skandis nėra gyvybei būtinas elementas, jokie žinomi organizmai neturi biologinio skandžio poreikio ar naudojimo.
Skandio poveikis organizmams daugiausia susijęs su jo radioaktyvumu. Kai kurie skandžio izotopai yra radioaktyvūs, todėl žmogaus organizmas ar kiti organizmai yra veikiami radioaktyvaus skandžio, gali sukelti pavojingą radiacijos poveikį. Tokia situacija paprastai susidaro konkrečiose situacijose, pavyzdžiui, branduolinių mokslų tyrimų, radioterapijos ar branduolinių avarijų metu.
Skandis nesąveikauja naudingai su organizmais ir yra radiacijos pavojus. Todėl jis nėra svarbus organizmų elementas.
Skandis yra gana retas cheminis elementas, jo paplitimas gamtoje yra gana ribotas. Čia yra išsamus skandžio paplitimo gamtoje įvadas:
1. Turinys gamtoje: Žemės plutoje skandžio yra palyginti nedideliais kiekiais. Vidutinis kiekis Žemės plutoje yra apie 0,0026 mg/kg (arba 2,6 milijono dalių). Dėl to skandis yra vienas iš retesnių elementų Žemės plutoje.
2. Atradimas mineraluose: nepaisant riboto kiekio, skandžio galima rasti tam tikruose mineraluose, daugiausia oksidų arba silikatų pavidalu. Kai kurie mineralai, kurių sudėtyje yra skandžio, yra skandianitas ir dolomitas.
3. Skandio išgavimas: dėl riboto jo paplitimo gamtoje gana sunku išgauti gryną skandį. Paprastai skandis gaunamas kaip aliuminio lydymo proceso šalutinis produktas, kaip ir su aliuminiu boksite.
4. Geografinis pasiskirstymas: skandis pasiskirsto visame pasaulyje, bet ne tolygiai. Kai kuriose šalyse, pavyzdžiui, Kinijoje, Rusijoje, Norvegijoje, Švedijoje ir Brazilijoje, yra daug skandžio telkinių, o kituose regionuose jų yra retai.
Nors skandžio paplitimas gamtoje yra ribotas, jis atlieka svarbų vaidmenį kai kuriose aukštųjų technologijų ir pramonės srityse, todėl jo
Skandio elemento gavyba ir lydymas
Skandis yra retas metalo elementas, o jo gavybos ir gavybos procesai yra gana sudėtingi. Toliau pateikiamas išsamus skandžio elemento kasybos ir gavybos proceso įvadas:
1. Skandio gavyba: Skandis gamtoje neegzistuoja elementariu pavidalu, bet paprastai yra nedideliais kiekiais rūdose. Pagrindinės skandžio rūdos yra vanadžio skandžio rūda, cirkonio rūda ir itrio rūda. Skandio kiekis šiose rūdose yra palyginti mažas.
Skandio ekstrahavimo procesas paprastai apima šiuos veiksmus:
a. Kasyba: rūdos, kuriose yra skandžio, kasimas.
b. Smulkinimas ir rūdos perdirbimas: rūdų smulkinimas ir apdorojimas, siekiant atskirti naudingas rūdas nuo atliekų uolienų.
c. Flotacija: Flotacijos metu rūdos, kuriose yra skandžio, yra atskiriamos nuo kitų priemaišų.
d. Tirpimas ir redukcija: Skandio hidroksidas paprastai ištirpinamas ir redukuojančiu agentu (dažniausiai aliuminiu) redukuojamas iki metalinio skandžio.
e. Elektrolitinis ekstrahavimas: sumažintas skandis ekstrahuojamas elektrolitiniu procesu, kad būtų pasiektas didelis grynumasskandžio metalas.
3. Skandio rafinavimas: atliekant daugybinius tirpinimo ir kristalizacijos procesus, skandžio grynumas gali būti dar labiau pagerintas. Įprastas metodas yra skandžio junginių atskyrimas ir kristalizavimas chlorinant arba karbonizuojantdidelio grynumo skandis.
Reikėtų pažymėti, kad dėl skandžio trūkumo ekstrahavimo ir rafinavimo procesai reikalauja labai tikslios chemijos inžinerijos ir paprastai susidaro daug atliekų ir šalutinių produktų. Todėl skandžio elemento gavyba ir gavyba yra sudėtingas ir brangus projektas, paprastai derinamas su kitų elementų kasybos ir gavybos procesu, siekiant pagerinti ekonominį efektyvumą.
Skandio aptikimo metodai
1. Atominės sugerties spektrometrija (AAS): Atominės sugerties spektrometrija yra dažniausiai naudojamas kiekybinės analizės metodas, kai skandžio koncentracijai mėginyje nustatyti naudojami tam tikrų bangos ilgių sugerties spektrai. Jis išpurškia bandinį, kurį reikia tirti, liepsnoje, o tada per spektrometrą išmatuoja skandžio sugerties intensyvumą mėginyje. Šis metodas tinka skandžio pėdsakų koncentracijoms nustatyti.
2. Induktyviai susietos plazmos optinės emisijos spektrometrija (ICP-OES): Induktyviai susietos plazmos optinės emisijos spektrometrija yra labai jautrus ir selektyvus analizės metodas, plačiai naudojamas atliekant kelių elementų analizę. Jis išpurškia mėginį ir sudaro plazmą bei spektrometre nustato specifinį skandžio emisijos bangos ilgį ir intensyvumą.
3. Induktyviai susietos plazmos masės spektrometrija (ICP-MS): Induktyviai susietos plazmos masės spektrometrija yra labai jautrus ir didelės skiriamosios gebos analizės metodas, kurį galima naudoti izotopų santykio nustatymui ir mikroelementų analizei. Jis išpurškia mėginį ir sudaro plazmą, o masės spektrometre nustato skandžio masės ir krūvio santykį. 4. Rentgeno spindulių fluorescencinė spektrometrija (XRF): Rentgeno spindulių fluorescencinė spektrometrija naudoja fluorescencijos spektrą, susidarantį po to, kai mėginys sužadinamas rentgeno spinduliais, kad būtų analizuojamas elementų kiekis. Jis gali greitai ir nedestruktyviai nustatyti skandžio kiekį mėginyje.
5. Tiesioginio skaitymo spektrometrija: Taip pat žinoma kaip fotoelektrinė tiesioginio skaitymo spektrometrija. Tai analizės metodas, naudojamas elementų turiniui mėginyje analizuoti. Tiesioginio skaitymo spektrometrija yra pagrįsta atominės emisijos spektrometrijos principu. Jis naudoja aukštos temperatūros elektrines kibirkštis arba lankus, kad tiesiogiai išgaruotų mėginio elementus iš kietosios būsenos ir išspinduliuotų būdingas spektrines linijas sužadintoje būsenoje. Kiekvienas elementas turi unikalią emisijos liniją, o jos intensyvumas yra proporcingas elemento kiekiui mėginyje. Išmatavus šių charakteringų spektro linijų intensyvumą, galima nustatyti kiekvieno elemento turinį imtyje. Šis metodas daugiausia naudojamas metalų ir lydinių sudėties analizei, ypač metalurgijos, metalo apdirbimo, medžiagų mokslo ir kitose srityse.
Šie metodai plačiai naudojami laboratorijoje ir pramonėje skandžio kiekybinei analizei ir kokybės kontrolei. Tinkamo metodo pasirinkimas priklauso nuo tokių veiksnių kaip mėginio tipas, reikalinga aptikimo riba ir aptikimo tikslumas.
Specifinis skandžio atominės absorbcijos metodo taikymas
Elementų matavimo metu atominės sugerties spektroskopija pasižymi dideliu tikslumu ir jautrumu, todėl yra veiksminga priemonė cheminėms savybėms, junginių sudėčiai ir elementų kiekiui tirti.
Toliau geležies elemento kiekiui išmatuoti naudosime atominės absorbcijos spektroskopiją.
Konkretūs veiksmai yra tokie:
Paruoškite mėginį, kurį norite ištirti. Norint paruošti išmatuojamo mėginio tirpalą, virškinimui paprastai reikia naudoti mišrią rūgštį, kad būtų lengviau atlikti tolesnius matavimus.
Pasirinkite tinkamą atominės absorbcijos spektrometrą. Pasirinkite tinkamą atominės absorbcijos spektrometrą, atsižvelgdami į tiriamo mėginio savybes ir išmatuojamo skandžio kiekio diapazoną. Sureguliuokite atominės sugerties spektrometro parametrus. Sureguliuokite atominės sugerties spektrometro parametrus, įskaitant šviesos šaltinį, purkštuvą, detektorių ir kt., atsižvelgdami į išbandytą elementą ir prietaiso modelį.
Išmatuokite skandžio elemento absorbciją. Mėginį, kurį reikia ištirti, įdėkite į purkštuvą ir per šviesos šaltinį išskirkite tam tikro bangos ilgio šviesos spinduliuotę. Bandomas skandžio elementas sugers šią šviesos spinduliuotę ir įvyks energijos lygio perėjimus. Išmatuokite skandžio elemento absorbciją per detektorių.
Apskaičiuokite skandžio elemento kiekį. Apskaičiuokite skandžio elemento kiekį pagal absorbciją ir standartinę kreivę.
Realiame darbe būtina parinkti tinkamus matavimo metodus pagal konkrečius aikštelės poreikius. Šie metodai plačiai naudojami geležies analizei ir aptikimui laboratorijose ir pramonės šakose.
Baigdami išsamią įžangą apie skandį, tikimės, kad skaitytojai galės giliau suprasti ir sužinoti apie šį nuostabų elementą. Skandis, kaip svarbus periodinės lentelės elementas, ne tik atlieka pagrindinį vaidmenį mokslo srityje, bet ir turi platų pritaikymo spektrą kasdieniame gyvenime ir kitose srityse.
Tyrinėdami skandžio savybes, panaudojimą, atradimo procesą ir pritaikymą šiuolaikiniame moksle ir technologijose, galime pamatyti unikalų šio elemento žavesį ir potencialą. Nuo aviacijos ir kosmoso medžiagų iki baterijų technologijos, nuo naftos chemijos iki medicinos įrangos – skandis vaidina pagrindinį vaidmenį.
Žinoma, taip pat turime suvokti, kad nors skandis suteikia mūsų gyvenimui patogumo, jis taip pat turi tam tikros galimos rizikos. Todėl, nors turime mėgautis skandžio privalumais, taip pat turime atkreipti dėmesį į racionalų naudojimą ir standartizuotą taikymą, kad išvengtume galimų problemų. Skandis yra elementas, vertas mūsų išsamių studijų ir supratimo. Tikimės, kad ateityje tobulėjant mokslui ir technologijoms skandiumas išnaudos savo unikalius pranašumus daugiau sričių ir suteiks daugiau patogumo bei netikėtumų į mūsų gyvenimą.
Paskelbimo laikas: 2024-11-14