Що таке скандій і його широко використовувані методи тестування

21 Скандій і його широко використовувані методи тестування

Ласкаво просимо в цей світ стихій, повний таємниць і чарівності. Сьогодні ми разом досліджуватимемо особливий елемент -скандій. Хоча цей елемент може бути не поширеним у нашому повсякденному житті, він відіграє важливу роль у науці та промисловості.

скандій, цей чудовий елемент, має багато дивовижних властивостей. Це член сімейства рідкоземельних елементів. Як іншірідкоземельні елементи, атомна структура скандію повна таємниць. Саме ці унікальні атомні структури роблять скандій незамінною роллю у фізиці, хімії та матеріалознавстві.

Відкриття скандію сповнене поворотів і труднощів. Це почалося в 1841 році, коли шведський хімік LFNilson (1840~1899) сподівався виділити інші елементи з очищеноїербійземлі під час вивчення легких металів. Після 13-кратного часткового розкладання нітратів він нарешті отримав 3,5 г чистогоітербійземлі. Однак він виявив, що атомна вага отриманого ним ітербію не збігалася з атомною вагою ітербію, наведеною раніше Малінаком. Гостроокий Нельсон зрозумів, що в ньому може бути якийсь легкий елемент. Тому він продовжив обробляти ітербій, який він отримав, за допомогою того самого процесу. Нарешті, коли залишилася лише одна десята зразка, виміряна атомна маса впала до 167,46. Цей результат близький до атомної ваги ітрію, тому Нельсон назвав його «скандієм».

Незважаючи на те, що Нельсон відкрив скандій, він не привернув особливої ​​уваги наукового співтовариства через свою рідкість і труднощі у відокремленні. Лише наприкінці 19 століття, коли дослідження рідкоземельних елементів стали трендом, скандій був повторно відкритий і вивчений.

Отже, давайте вирушимо в цю подорож дослідження скандію, щоб розкрити його таємницю та зрозуміти цей, здавалося б, звичайний, але насправді чарівний елемент.

Області застосування скандію
Символ скандію — Sc, а його атомний номер — 21. Цей елемент — м’який сріблясто-білий перехідний метал. Хоча скандій не є поширеним елементом земної кори, він має багато важливих сфер застосування, головним чином у таких аспектах:

1. Аерокосмічна промисловість. Скандиєвий алюміній — це легкий, високоміцний сплав, який використовується в конструкціях літаків, частинах двигунів і виробництві ракет в аерокосмічній промисловості. Додавання скандію може підвищити міцність і корозійну стійкість сплаву, одночасно зменшуючи щільність сплаву, роблячи аерокосмічне обладнання легшим і міцнішим.
2. Велосипеди та спортивне обладнання:Скандій алюмінієвийтакож використовується для виготовлення велосипедів, ключок для гольфу та іншого спортивного обладнання. Завдяки чудовій міцності та легкості,скандієвий сплавможе покращити продуктивність спортивного обладнання, зменшити вагу та збільшити довговічність матеріалу.
3. Світлотехнічна промисловість:йодид скандіювикористовується як наповнювач в ксенонових лампах високої інтенсивності. Такі лампочки використовуються у фотографії, кіно, сценічному освітленні та медичному обладнанні, оскільки за своїми спектральними характеристиками дуже близькі до природного сонячного світла.
4. Паливні елементи:Скандій алюмінієвийтакож знаходить застосування в твердооксидних паливних елементах (SOFC). У цих акумуляторахскандій-алюмінієвий сплаввикористовується як анодний матеріал, який має високу провідність і стабільність, допомагаючи підвищити ефективність і продуктивність паливних елементів.
5. Наукові дослідження: скандій використовується як детекторний матеріал у наукових дослідженнях. В ядерно-фізичних експериментах і прискорювачах елементарних частинок скандієві сцинтиляційні кристали використовуються для виявлення радіації та частинок.
6. Інші застосування: скандій також використовується як високотемпературний надпровідник і в деяких спеціальних сплавах для покращення властивостей сплаву. Завдяки чудовим характеристикам скандію в процесі анодування, він також використовується у виробництві електродних матеріалів для літієвих батарей та інших електронних пристроїв.

Важливо відзначити, що, незважаючи на його численні застосування, виробництво та використання скандію є обмеженими та відносно дорогими через його відносну дефіцитність, тому його вартість та альтернативи потрібно ретельно розглядати під час його використання.

Фізичні властивості елемента скандій

1. Атомна структура: ядро ​​скандію складається з 21 протона і зазвичай містить 20 нейтронів. Тому його стандартна атомна маса (відносна атомна маса) становить близько 44,955908. З точки зору атомної структури, електронна конфігурація скандію 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s².
2. Агрегатний стан: скандій є твердим за кімнатної температури і має сріблясто-білий вигляд. Його агрегатний стан може змінюватися в залежності від зміни температури і тиску.
3. Щільність: Щільність скандію становить близько 2,989 г/см3. Така відносно низька щільність робить його легким металом.
4. Точка плавлення. Точка плавлення скандію становить приблизно 1541 градус Цельсія (2806 градусів за Фаренгейтом), що вказує на його відносно високу температуру плавлення. 5. Точка кипіння: скандій має температуру кипіння приблизно 2836 градусів за Цельсієм (5137 градусів за Фаренгейтом), що означає, що для його випаровування потрібні високі температури.
6. Електропровідність: скандій є хорошим провідником електрики з прийнятною електропровідністю. Хоча він не такий хороший, як звичайні провідні матеріали, такі як мідь або алюміній, він все ж корисний у деяких спеціальних застосуваннях, таких як електролізери та аерокосмічні програми.
7. Теплопровідність: скандій має відносно високу теплопровідність, що робить його хорошим теплопровідником при високих температурах. Це корисно в деяких застосуваннях з високими температурами.
8. Кристалічна структура: скандій має гексагональну щільно упаковану кристалічну структуру, що означає, що його атоми упаковані в щільно упаковані шестикутники в кристалі.
9. Магнетизм: скандій діамагнітний при кімнатній температурі, тобто він не притягується і не відштовхується магнітними полями. Його магнітна поведінка пов'язана з його електронною структурою.
10. Радіоактивність: усі стабільні ізотопи скандію не є радіоактивними, тому він є нерадіоактивним елементом.

Скандій є відносно легким металом з високою температурою плавлення, який має кілька спеціальних застосувань, зокрема в аерокосмічній промисловості та матеріалознавстві. Хоча він рідко зустрічається в природі, його фізичні властивості роблять його винятково корисним у кількох сферах.

Хімічні властивості скандію

Скандій є елементом перехідного металу.
1. Атомна структура. Атомна структура скандію складається з 21 протона і зазвичай близько 20 нейтронів. Його електронна конфігурація 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s², що вказує на те, що він має одну незаповнену d-орбіталь.
2. Хімічний символ і атомний номер: хімічний символ скандію — Sc, а його атомний номер — 21.
3. Електронегативність: скандій має відносно низьку електронегативність приблизно 1,36 (згідно з електронегативністю Пола). Це означає, що він має тенденцію втрачати електрони з утворенням позитивних іонів.
4. Ступінь окислення: скандій зазвичай існує в ступені окислення +3, що означає, що він втратив три електрони для утворення іона Sc³⁺. Це його найпоширеніший ступінь окислення. Хоча Sc²⁺ і Sc4⁺ також можливі, вони менш стабільні та менш поширені.
5. Сполуки: скандій в основному утворює сполуки з такими елементами, як кисень, сірка, азот і водень. Деякі поширені сполуки скандію включаютьоксид скандію (Sc2O3) і галогеніди скандію (такі якхлорид скандію, ScCl3).
6. Реакційна здатність: скандій є відносно реакційноздатним металом, але він швидко окислюється на повітрі, утворюючи оксидну плівку оксиду скандію, яка запобігає подальшим реакціям окислення. Це також робить скандій відносно стабільним і має певну стійкість до корозії.
7. Розчинність: скандій повільно розчиняється в більшості кислот, але легше розчиняється в лужних умовах. Він нерозчинний у воді, оскільки його оксидна плівка запобігає подальшим реакціям з молекулами води.

8. Хімічні властивості, подібні до лантаноїдів: хімічні властивості скандію подібні до властивостей серії лантаноїдів (лантан, гадоліній, неодимовийтощо), тому його іноді класифікують як лантаноїдоподібний елемент. Ця подібність в основному відображається в іонному радіусі, властивостях сполуки та деякій реакційній здатності.
9. Ізотопи: скандій має кілька ізотопів, лише деякі з яких стабільні. Найстабільнішим ізотопом є Sc-45, який має тривалий період напіврозпаду і не є радіоактивним.

Скандій є відносно рідкісним елементом, але завдяки деяким своїм унікальним хімічним і фізичним властивостям він відіграє важливу роль у кількох сферах застосування, особливо в аерокосмічній промисловості, матеріалознавстві та деяких високотехнологічних додатках.

Біологічні властивості скандію

Скандій не є поширеним елементом у природі. Тому він не має біологічних властивостей в організмах. Біологічні властивості зазвичай включають біологічну активність, біологічне поглинання, метаболізм і вплив елементів на живі організми. Оскільки скандій не є елементом, необхідним для життя, жоден відомий організм не має біологічної потреби або використання скандію.
Дія скандію на організми в основному пов'язана з його радіоактивністю. Деякі ізотопи скандію є радіоактивними, тому якщо людське тіло або інші організми зазнають впливу радіоактивного скандію, це може спричинити небезпечне опромінення. Така ситуація зазвичай виникає в особливих ситуаціях, таких як ядерні наукові дослідження, радіотерапія або ядерні аварії.
Скандій погано взаємодіє з організмами, і існує радіаційна небезпека. Тому він не є важливим елементом в організмах.

Скандій є відносно рідкісним хімічним елементом, і його поширення в природі відносно обмежене. Ось докладний вступ до поширення скандію в природі:

1. Вміст у природі: скандій існує у відносно невеликих кількостях у земній корі. Середній вміст у земній корі становить близько 0,0026 мг/кг (або 2,6 частин на мільйон). Це робить скандій одним із найрідкісніших елементів у земній корі.

2. Відкриття в мінералах: незважаючи на його обмежений вміст, скандій можна знайти в деяких мінералах, головним чином у формі оксидів або силікатів. Деякі мінерали, що містять скандій, включають скандіаніт і доломіт.

3. Видобуток скандію: через його обмежене поширення в природі відносно важко видобути чистий скандій. Зазвичай скандій отримують як побічний продукт процесу виплавки алюмінію, оскільки це відбувається з алюмінієм у бокситах.

4. Географічне поширення: скандій поширений глобально, але нерівномірно. Деякі країни, такі як Китай, Росія, Норвегія, Швеція та Бразилія, мають багаті поклади скандію, тоді як в інших регіонах вони є рідко.

Хоча скандій має обмежене поширення в природі, він відіграє важливу роль у деяких високотехнологічних і промислових застосуваннях, тому його

Видобуток і плавка елемента скандію

Скандій є рідкісним металевим елементом, процеси його видобутку та видобутку досить складні. Нижче наведено детальний вступ до процесу видобутку та видобутку елемента скандію:

1. Видобуток скандію: скандій не існує в своїй елементарній формі в природі, але зазвичай існує в слідових кількостях в рудах. Основні скандієві руди включають ванадієву скандієву руду, цирконову руду та ітрієву руду. Вміст скандію в цих рудах порівняно низький.

Процес вилучення скандію зазвичай включає наступні етапи:

a. Гірнича справа: видобуток руд, що містять скандій.

b. Дроблення та переробка руди: Дроблення та переробка руд для відділення корисних руд від пустих порід.

в. Флотація: за допомогою процесу флотації руди, що містять скандій, відокремлюються від інших домішок.

d. Розчинення та відновлення: гідроксид скандію зазвичай розчиняють, а потім відновлюють до металевого скандію за допомогою відновника (як правило, алюмінію).

д. Електролітична екстракція: відновлений скандій екстрагується за допомогою електролітичного процесу для отримання високої чистотиметалевий скандій.

3. Очищення скандію: за допомогою багатьох процесів розчинення та кристалізації чистоту скандію можна ще більше покращити. Поширеним методом є розділення та кристалізація сполук скандію за допомогою процесів хлорування або карбонізації для отриманняскандій високої чистоти.

Слід зазначити, що через дефіцит скандію процеси видобутку та переробки вимагають високоточної хімічної технології та зазвичай створюють значну кількість відходів і побічних продуктів. Тому видобуток і видобуток елемента скандію є складним і дорогим проектом, який зазвичай поєднується з процесом видобутку і видобутку інших елементів для підвищення економічної ефективності.

Методи виявлення скандію
1. Атомно-абсорбційна спектрометрія (AAS): Атомно-абсорбційна спектрометрія – це широко використовуваний метод кількісного аналізу, який використовує спектри поглинання на певних довжинах хвиль для визначення концентрації скандію в зразку. Він розпилює зразок, який потрібно перевірити, у полум’ї, а потім вимірює інтенсивність поглинання скандію в зразку за допомогою спектрометра. Цей метод підходить для виявлення слідових концентрацій скандію.
2. Оптична емісійна спектрометрія з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP-OES): оптична емісійна спектрометрія з індуктивно пов’язаною плазмою є високочутливим і селективним аналітичним методом, який широко використовується в багатоелементному аналізі. Він розпилює зразок і утворює плазму, а також визначає конкретну довжину хвилі та інтенсивність випромінювання скандію в спектрометрі.
3. Мас-спектрометрія з індуктивно-зв’язаною плазмою (ICP-MS): мас-спектрометрія з індуктивно-зв’язаною плазмою є високочутливим аналітичним методом із високою роздільною здатністю, який можна використовувати для визначення співвідношення ізотопів і аналізу мікроелементів. Він розпилює зразок і утворює плазму, а також визначає відношення маси до заряду скандію в мас-спектрометрі. 4. Рентгенівська флуоресцентна спектрометрія (XRF): рентгенівська флуоресцентна спектрометрія використовує спектр флуоресценції, створений після збудження зразка рентгенівськими променями, для аналізу вмісту елементів. Він може швидко і неруйнівно визначити вміст скандію в зразку.
5. Спектрометрія з прямим зчитуванням: також відома як фотоелектрична спектрометрія з прямим зчитуванням, це аналітичний метод, який використовується для аналізу вмісту елементів у зразку. Спектрометрія з прямим зчитуванням базується на принципі атомно-емісійної спектрометрії. Він використовує високотемпературні електричні іскри або дуги для безпосереднього випаровування елементів у зразку з твердого стану та випромінювання характерних спектральних ліній у збудженому стані. Кожен елемент має унікальну лінію випромінювання, і її інтенсивність пропорційна вмісту елемента в зразку. Вимірюючи інтенсивність цих характерних спектральних ліній, можна визначити вміст кожного елемента в зразку. Цей метод в основному використовується для аналізу складу металів і сплавів, особливо в металургії, металообробці, матеріалознавстві та інших галузях.

Ці методи широко використовуються в лабораторії та промисловості для кількісного аналізу та контролю якості скандію. Вибір відповідного методу залежить від таких факторів, як тип зразка, необхідна межа виявлення та точність виявлення.

Особливості застосування методу атомної абсорбції скандію

У вимірюванні елементів атомно-абсорбційна спектроскопія має високу точність і чутливість, забезпечуючи ефективний засіб для вивчення хімічних властивостей, складу сполук і вмісту елементів.

Далі ми використаємо атомно-абсорбційну спектроскопію для вимірювання вмісту елемента заліза.

Конкретні кроки такі:

Підготуйте зразок для перевірки. Для приготування розчину зразка для вимірювання, як правило, необхідно використовувати змішану кислоту для розщеплення, щоб полегшити подальші вимірювання.

Виберіть відповідний атомно-абсорбційний спектрометр. Виберіть відповідний атомно-абсорбційний спектрометр на основі властивостей досліджуваного зразка та діапазону вмісту скандію, який потрібно виміряти. Відрегулюйте параметри атомно-абсорбційного спектрометра. Налаштуйте параметри атомно-абсорбційного спектрометра, включаючи джерело світла, розпилювач, детектор тощо, на основі перевіреного елемента та моделі приладу.

Виміряйте абсорбцію елемента скандію. Помістіть зразок для тестування в розпилювач і випустіть світлове випромінювання певної довжини хвилі через джерело світла. Випробуваний елемент скандію поглинає це світлове випромінювання та зазнає переходів рівня енергії. Виміряйте абсорбцію елемента скандію за допомогою детектора.

Обчисліть вміст елемента скандій. Розрахуйте вміст елемента скандію на основі абсорбції та стандартної кривої.

У реальній роботі необхідно вибрати відповідні методи вимірювання відповідно до конкретних потреб об'єкта. Ці методи широко використовуються в аналізі та виявленні заліза в лабораторіях і промисловості.
Наприкінці нашого вичерпного вступу до скандію ми сподіваємося, що читачі зможуть глибше зрозуміти та знати цей чудовий елемент. Скандій, як важливий елемент періодичної таблиці, не тільки відіграє ключову роль у галузі науки, але також має широкий спектр застосувань у повсякденному житті та інших сферах.
Вивчаючи властивості, використання, процес відкриття та застосування скандію в сучасній науці та техніці, ми можемо побачити унікальну чарівність і потенціал цього елемента. Від аерокосмічних матеріалів до акумуляторних технологій, від нафтохімії до медичного обладнання скандій відіграє ключову роль.
Звичайно, ми також повинні усвідомлювати, що хоча скандій приносить зручність у наше життя, він також має деякі потенційні ризики. Тому, незважаючи на те, що нам потрібно користуватися перевагами скандію, ми також повинні звернути увагу на розумне використання та стандартизоване застосування, щоб уникнути можливих проблем. Скандій є елементом, гідним нашого глибокого вивчення та розуміння. У майбутньому розвитку науки і технологій ми очікуємо, що скандій буде використовувати свої унікальні переваги в більшій кількості сфер і приноситиме більше зручностей і сюрпризів у наше життя.