21 Scandium en zijn veelgebruikte testmethoden
Welkom in deze wereld van elementen vol mysterie en charme. Vandaag zullen we samen een speciaal element verkennen:scandium. Hoewel dit element misschien niet gebruikelijk is in ons dagelijks leven, speelt het een belangrijke rol in de wetenschap en de industrie.
Scandium, dit prachtige element, heeft veel verbazingwekkende eigenschappen. Het is een lid van de familie van zeldzame aardmetalen. Zoals anderezeldzame aardelementen, is de atomaire structuur van scandium vol mysterie. Het zijn deze unieke atomaire structuren die ervoor zorgen dat scandium een onvervangbare rol speelt in de natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde.
De ontdekking van scandium zit vol wendingen en ontberingen. Het begon in 1841, toen de Zweedse scheikundige LFNilson (1840-1899) hoopte andere elementen van de gezuiverde stoffen te scheiden.erbiumaarde tijdens het bestuderen van lichte metalen. Na 13 keer gedeeltelijke ontleding van nitraten kreeg hij uiteindelijk 3,5 g puurytterbiumaarde. Hij ontdekte echter dat het atoomgewicht van het ytterbium dat hij verkreeg niet overeenkwam met het atoomgewicht van ytterbium dat Malinac eerder had gegeven. De scherpogige Nelson besefte dat er misschien een lichtgewicht element in zat. Dus ging hij door met het verwerken van het ytterbium dat hij had verkregen met hetzelfde proces. Toen uiteindelijk nog maar een tiende van het monster overbleef, daalde het gemeten atoomgewicht tot 167,46. Dit resultaat ligt dicht bij het atoomgewicht van yttrium, dus Nelson noemde het "Scandium".
Hoewel Nelson scandium had ontdekt, trok het niet veel aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap vanwege de zeldzaamheid ervan en de moeilijkheid om het te scheiden. Pas aan het einde van de 19e eeuw, toen onderzoek naar zeldzame aardelementen een trend werd, werd scandium herontdekt en bestudeerd.
Laten we dus beginnen aan deze reis om scandium te verkennen, het mysterie ervan te ontdekken en dit ogenschijnlijk gewone maar eigenlijk charmante element te begrijpen.
Toepassingsgebieden van scandium
Het symbool van scandium is Sc en het atoomnummer is 21. Het element is een zacht, zilverwit overgangsmetaal. Hoewel scandium geen veel voorkomend element in de aardkorst is, kent het veel belangrijke toepassingsgebieden, vooral op de volgende aspecten:
1. Lucht- en ruimtevaartindustrie: Scandium-aluminium is een lichtgewicht, zeer sterke legering die wordt gebruikt in vliegtuigconstructies, motoronderdelen en raketproductie in de lucht- en ruimtevaartindustrie. De toevoeging van scandium kan de sterkte en corrosieweerstand van de legering verbeteren en tegelijkertijd de dichtheid van de legering verminderen, waardoor ruimtevaartapparatuur lichter en duurzamer wordt.
2. Fietsen en sportuitrusting:Scandium-aluminiumwordt ook gebruikt om fietsen, golfclubs en andere sportartikelen te maken. Door zijn uitstekende sterkte en lichtheid,scandiumlegeringkan de prestaties van sportuitrusting verbeteren, het gewicht verminderen en de duurzaamheid van het materiaal vergroten.
3. Verlichtingsindustrie:Scandiumjodidewordt gebruikt als vulmiddel in xenonlampen met hoge intensiteit. Dergelijke lampen worden gebruikt in fotografie, filmmaken, podiumverlichting en medische apparatuur omdat hun spectrale kenmerken zeer dicht bij natuurlijk zonlicht liggen.
4. Brandstofcellen:Scandium-aluminiumvindt ook toepassing in vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's). In deze batterijenscandium-aluminiumlegeringwordt gebruikt als anodemateriaal, dat een hoge geleidbaarheid en stabiliteit heeft, waardoor de efficiëntie en prestaties van brandstofcellen worden verbeterd.
5. Wetenschappelijk onderzoek: Scandium wordt gebruikt als detectormateriaal in wetenschappelijk onderzoek. Bij kernfysica-experimenten en deeltjesversnellers worden scandiumscintillatiekristallen gebruikt om straling en deeltjes te detecteren.
6. Andere toepassingen: Scandium wordt ook gebruikt als supergeleider bij hoge temperaturen en in sommige speciale legeringen om de eigenschappen van de legering te verbeteren. Vanwege de superieure prestaties van scandium in het anodiseerproces, wordt het ook gebruikt bij de productie van elektrodematerialen voor lithiumbatterijen en andere elektronische apparaten.
Het is belangrijk op te merken dat ondanks de vele toepassingen de productie en het gebruik van scandium beperkt en relatief duur zijn vanwege de relatieve schaarste ervan, dus de kosten en alternatieven moeten zorgvuldig worden overwogen bij het gebruik ervan.
Fysieke eigenschappen van Scandium Element
1. Atoomstructuur: De kern van scandium bestaat uit 21 protonen en bevat gewoonlijk 20 neutronen. Daarom is het standaard atoomgewicht (relatieve atoommassa) ongeveer 44,955908. In termen van atomaire structuur is de elektronenconfiguratie van scandium 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Fysische toestand: Scandium is vast bij kamertemperatuur en ziet er zilverwit uit. De fysieke toestand kan veranderen afhankelijk van de veranderingen in temperatuur en druk.
3. Dichtheid: De dichtheid van scandium bedraagt ongeveer 2,989 g/cm3. Deze relatief lage dichtheid maakt het een lichtgewicht metaal.
4. Smeltpunt: Het smeltpunt van scandium is ongeveer 1541 graden Celsius (2806 graden Fahrenheit), wat aangeeft dat het een relatief hoog smeltpunt heeft. 5. Kookpunt: Scandium heeft een kookpunt van ongeveer 2836 graden Celsius (5137 graden Fahrenheit), wat betekent dat het hoge temperaturen nodig heeft om te verdampen.
6. Elektrische geleidbaarheid: Scandium is een goede geleider van elektriciteit, met een redelijke elektrische geleidbaarheid. Hoewel het niet zo goed is als gewone geleidende materialen zoals koper of aluminium, is het nog steeds nuttig in sommige speciale toepassingen, zoals elektrolytische cellen en ruimtevaarttoepassingen.
7. Thermische geleidbaarheid: Scandium heeft een relatief hoge thermische geleidbaarheid, waardoor het een goede thermische geleider is bij hoge temperaturen. Dit is handig bij sommige toepassingen bij hoge temperaturen.
8. Kristalstructuur: Scandium heeft een hexagonale, dicht opeengepakte kristalstructuur, wat betekent dat de atomen in dicht opeengepakte zeshoeken in het kristal zijn verpakt.
9. Magnetisme: Scandium is diamagnetisch bij kamertemperatuur, wat betekent dat het niet wordt aangetrokken of afgestoten door magnetische velden. Het magnetische gedrag is gerelateerd aan de elektronische structuur.
10. Radioactiviteit: Alle stabiele isotopen van scandium zijn niet radioactief, het is dus een niet-radioactief element.
Scandium is een relatief licht metaal met een hoog smeltpunt met verschillende speciale toepassingen, vooral in de lucht- en ruimtevaartindustrie en de materiaalkunde. Hoewel het niet vaak in de natuur wordt aangetroffen, maken de fysieke eigenschappen het op verschillende gebieden uniek bruikbaar.
Chemische eigenschappen van scandium
Scandium is een overgangsmetaalelement.
1. Atoomstructuur: De atomaire structuur van Scandium bestaat uit 21 protonen en gewoonlijk ongeveer 20 neutronen. De elektronenconfiguratie is 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², wat aangeeft dat het één ongevulde d-orbitaal heeft.
2. Chemisch symbool en atoomnummer: Het chemische symbool van Scandium is Sc en het atoomnummer is 21.
3. Elektronegativiteit: Scandium heeft een relatief lage elektronegativiteit van ongeveer 1,36 (volgens de elektronegativiteit van Paul). Dit betekent dat het de neiging heeft elektronen te verliezen om positieve ionen te vormen.
4. Oxidatietoestand: Scandium bestaat meestal in de +3 oxidatietoestand, wat betekent dat het drie elektronen heeft verloren om het Sc³⁺-ion te vormen. Dit is de meest voorkomende oxidatietoestand. Hoewel Sc²⁺ en Sc⁴⁺ ook mogelijk zijn, zijn ze minder stabiel en komen ze minder vaak voor.
5. Verbindingen: Scandium vormt voornamelijk verbindingen met elementen zoals zuurstof, zwavel, stikstof en waterstof. Enkele veel voorkomende scandiumverbindingen zijn onder meerscandiumoxide (Sc2O3) en scandiumhalogeniden (zoalsscandiumchloride, ScCl3).
6. Reactiviteit: Scandium is een relatief reactief metaal, maar het oxideert snel in de lucht, waardoor een oxidefilm van scandiumoxide ontstaat, die verdere oxidatiereacties voorkomt. Dit maakt scandium ook relatief stabiel en heeft enige corrosieweerstand.
7. Oplosbaarheid: Scandium lost langzaam op in de meeste zuren, maar lost gemakkelijker op onder alkalische omstandigheden. Het is onoplosbaar in water omdat de oxidefilm verdere reacties met watermoleculen verhindert.
8. Lanthanide-achtige chemische eigenschappen: De chemische eigenschappen van Scandium zijn vergelijkbaar met die van de lanthanide-serie (lanthaan, gadolinium, neodymium, enz.), dus wordt het soms geclassificeerd als een lanthanide-achtig element. Deze gelijkenis komt vooral tot uiting in de ionenstraal, de eigenschappen van de verbindingen en enige reactiviteit.
9. Isotopen: Scandium heeft meerdere isotopen, waarvan er slechts enkele stabiel zijn. De meest stabiele isotoop is Sc-45, die een lange halfwaardetijd heeft en niet radioactief is.
Scandium is een relatief zeldzaam element, maar vanwege enkele van zijn unieke chemische en fysische eigenschappen speelt het een belangrijke rol in verschillende toepassingsgebieden, vooral in de lucht- en ruimtevaartindustrie, materiaalkunde en sommige hightechtoepassingen.
Biologische eigenschappen van scandium
Scandium is geen gebruikelijk element in de natuur. Daarom heeft het geen biologische eigenschappen in organismen. Biologische eigenschappen omvatten gewoonlijk de biologische activiteit, biologische absorptie, metabolisme en effecten van elementen op levende organismen. Omdat scandium geen element is dat essentieel is voor het leven, hebben geen bekende organismen een biologische behoefte of nut voor scandium.
Het effect van scandium op organismen houdt voornamelijk verband met de radioactiviteit ervan. Sommige isotopen van scandium zijn radioactief, dus als het menselijk lichaam of andere organismen worden blootgesteld aan radioactief scandium, kan dit gevaarlijke blootstelling aan straling veroorzaken. Deze situatie doet zich meestal voor in specifieke situaties, zoals nucleair wetenschappelijk onderzoek, radiotherapie of nucleaire ongevallen.
Scandium heeft geen gunstige interactie met organismen en er bestaat stralingsgevaar. Daarom is het geen belangrijk element in organismen.
Scandium is een relatief zeldzaam chemisch element en de verspreiding ervan in de natuur is relatief beperkt. Hier is een gedetailleerde inleiding tot de verspreiding van scandium in de natuur:
1. Inhoud in de natuur: Scandium komt in relatief kleine hoeveelheden voor in de aardkorst. Het gemiddelde gehalte in de aardkorst bedraagt ongeveer 0,0026 mg/kg (of 2,6 delen per miljoen). Dit maakt scandium een van de zeldzamere elementen in de aardkorst.
2. Ontdekking in mineralen: Ondanks het beperkte gehalte kan scandium in bepaalde mineralen worden aangetroffen, voornamelijk in de vorm van oxiden of silicaten. Sommige mineralen die scandium bevatten, zijn scandianiet en dolomiet.
3. Winning van scandium: Vanwege de beperkte verspreiding ervan in de natuur is het relatief moeilijk om zuiver scandium te winnen. Meestal wordt scandium verkregen als bijproduct van het aluminiumsmeltproces, zoals gebeurt bij aluminium in bauxiet.
4. Geografische spreiding: Scandium is mondiaal verspreid, maar niet gelijkmatig. Sommige landen, zoals China, Rusland, Noorwegen, Zweden en Brazilië, beschikken over rijke scandiumvoorraden, terwijl andere regio’s deze zelden hebben.
Hoewel scandium in de natuur beperkt voorkomt, speelt het een belangrijke rol in sommige hightech- en industriële toepassingen
Extractie en smelten van Scandium Element
Scandium is een zeldzaam metaalelement en de mijnbouw- en extractieprocessen zijn behoorlijk complex. Het volgende is een gedetailleerde inleiding tot het mijnbouw- en extractieproces van het scandiumelement:
1. Extractie van scandium: Scandium komt in de natuur niet in zijn elementaire vorm voor, maar komt gewoonlijk in sporenhoeveelheden voor in ertsen. De belangrijkste scandiumertsen zijn vanadiumscandiumerts, zirkoonerts en yttriumerts. Het scandiumgehalte in deze ertsen is relatief laag.
Het proces van het extraheren van scandium omvat gewoonlijk de volgende stappen:
A. Mijnbouw: het opgraven van ertsen die scandium bevatten.
B. Breken en ertsverwerking: Het verpletteren en verwerken van ertsen om nuttige ertsen te scheiden van afvalgesteenten.
C. Flotatie: Door het flotatieproces worden ertsen die scandium bevatten gescheiden van andere onzuiverheden.
D. Oplossen en reduceren: Scandiumhydroxide wordt gewoonlijk opgelost en vervolgens gereduceerd tot metallisch scandium door een reductiemiddel (meestal aluminium).
e. Elektrolytische extractie: Het gereduceerde scandium wordt geëxtraheerd via een elektrolytisch proces om een hoge zuiverheid te verkrijgenscandium-metaal.
3. Raffinage van scandium: Door meerdere oplossings- en kristallisatieprocessen kan de zuiverheid van scandium verder worden verbeterd. Een gebruikelijke methode is het scheiden en kristalliseren van scandiumverbindingen door middel van chlorering of carbonatatieprocessenhoogzuiver scandium.
Opgemerkt moet worden dat vanwege de schaarste aan scandium de extractie- en raffinageprocessen zeer nauwkeurige chemische engineering vereisen en doorgaans een aanzienlijke hoeveelheid afval en bijproducten genereren. Daarom is de mijnbouw en extractie van scandiumelementen een complex en duur project, meestal gecombineerd met het mijnbouw- en extractieproces van andere elementen om de economische efficiëntie te verbeteren.
Detectiemethoden voor scandium
1. Atoomabsorptiespectrometrie (AAS): Atoomabsorptiespectrometrie is een veelgebruikte kwantitatieve analysemethode die absorptiespectra bij specifieke golflengten gebruikt om de concentratie scandium in een monster te bepalen. Het vernevelt het te testen monster in een vlam en meet vervolgens de absorptie-intensiteit van scandium in het monster via een spectrometer. Deze methode is geschikt voor de detectie van sporenconcentraties scandium.
2. Inductief gekoppelde plasma-optische-emissiespectrometrie (ICP-OES): Inductief gekoppelde plasma-optische-emissiespectrometrie is een zeer gevoelige en selectieve analytische methode die veel wordt gebruikt bij analyse van meerdere elementen. Het vernevelt het monster en vormt een plasma, en bepaalt de specifieke golflengte en intensiteit van scandiumemissie in een spectrometer.
3. Inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICP-MS): Inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie is een zeer gevoelige analytische methode met hoge resolutie die kan worden gebruikt voor het bepalen van de isotopenverhouding en de analyse van sporenelementen. Het vernevelt het monster en vormt een plasma, en bepaalt de massa-ladingsverhouding van scandium in een massaspectrometer. 4. Röntgenfluorescentiespectrometrie (XRF): Röntgenfluorescentiespectrometrie maakt gebruik van het fluorescentiespectrum dat wordt gegenereerd nadat het monster door röntgenstralen is geëxciteerd om de inhoud van elementen te analyseren. Het kan snel en niet-destructief het gehalte aan scandium in het monster bepalen.
5. Directe leesspectrometrie: Ook bekend als foto-elektrische directe leesspectrometrie. Het is een analytische techniek die wordt gebruikt om de inhoud van elementen in een monster te analyseren. Directe leesspectrometrie is gebaseerd op het principe van atomaire emissiespectrometrie. Het maakt gebruik van elektrische vonken of bogen op hoge temperatuur om de elementen in het monster direct vanuit de vaste toestand te verdampen en karakteristieke spectraallijnen in de aangeslagen toestand uit te zenden. Elk element heeft een unieke emissielijn en de intensiteit ervan is evenredig met de inhoud van het element in het monster. Door de intensiteit van deze karakteristieke spectraallijnen te meten, kan de inhoud van elk element in het monster worden bepaald. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor de samenstellingsanalyse van metalen en legeringen, vooral in de metallurgie, metaalverwerking, materiaalkunde en andere gebieden.
Deze methoden worden veel gebruikt in het laboratorium en de industrie voor de kwantitatieve analyse en kwaliteitscontrole van scandium. De selectie van de juiste methode hangt af van factoren zoals monstertype, vereiste detectielimiet en detectienauwkeurigheid.
Specifieke toepassing van de scandium-atoomabsorptiemethode
Bij elementmetingen heeft atomaire absorptiespectroscopie een hoge nauwkeurigheid en gevoeligheid, waardoor het een effectief middel biedt voor het bestuderen van de chemische eigenschappen, de samenstelling van verbindingen en de inhoud van elementen.
Vervolgens zullen we atomaire absorptiespectroscopie gebruiken om het gehalte aan ijzerelementen te meten.
De specifieke stappen zijn als volgt:
Bereid het te testen monster voor. Om een oplossing van het te meten monster te bereiden, is het over het algemeen noodzakelijk om gemengd zuur te gebruiken voor de ontsluiting om daaropvolgende metingen te vergemakkelijken.
Kies een geschikte atomaire absorptiespectrometer. Selecteer een geschikte atoomabsorptiespectrometer op basis van de eigenschappen van het te testen monster en het te meten scandiumgehalte. Pas de parameters van de atomaire absorptiespectrometer aan. Pas de parameters van de atoomabsorptiespectrometer aan, inclusief de lichtbron, verstuiver, detector, enz., op basis van het geteste element en instrumentmodel.
Meet de absorptie van het scandiumelement. Plaats het te testen monster in een verstuiver en zend lichtstraling van een specifieke golflengte uit via een lichtbron. Het te testen scandiumelement zal deze lichtstraling absorberen en energieniveau-overgangen ondergaan. Meet de absorptie van het scandiumelement via een detector.
Bereken de inhoud van het scandiumelement. Bereken de inhoud van het scandiumelement op basis van de absorptie en de standaardcurve.
Bij feitelijk werk is het noodzakelijk om geschikte meetmethoden te selecteren op basis van de specifieke behoeften van de locatie. Deze methoden worden veel gebruikt bij de analyse en detectie van ijzer in laboratoria en industrieën.
Aan het einde van onze uitgebreide introductie tot scandium hopen we dat lezers een dieper begrip en kennis van dit prachtige element kunnen krijgen. Scandium speelt als belangrijk element in het periodiek systeem niet alleen een sleutelrol op het gebied van de wetenschap, maar heeft ook een breed scala aan toepassingen in het dagelijks leven en op andere gebieden.
Door de eigenschappen, het gebruik, het ontdekkingsproces en de toepassing van scandium in de moderne wetenschap en technologie te bestuderen, kunnen we de unieke charme en het potentieel van dit element zien. Van materialen voor de lucht- en ruimtevaart tot batterijtechnologie, van petrochemie tot medische apparatuur: scandium speelt een sleutelrol.
Natuurlijk moeten we ons ook realiseren dat hoewel scandium gemak in ons leven brengt, het ook enkele potentiële risico's met zich meebrengt. Daarom moeten we, hoewel we moeten profiteren van de voordelen van scandium, ook aandacht besteden aan redelijk gebruik en gestandaardiseerde toepassing om mogelijke problemen te voorkomen. Scandium is een element dat onze diepgaande studie en begrip waard is. In de toekomstige ontwikkeling van wetenschap en technologie verwachten we dat scandium zijn unieke voordelen op meer terreinen zal benutten en meer gemak en verrassingen in ons leven zal brengen.
Posttijd: 14 november 2024