Sカンジウム元素記号Sc、原子番号21の、水に溶けやすく、熱水と相互作用し、空気中では容易に黒ずみます。その主な価数は +3 です。ガドリニウム、エルビウム、その他の元素と混合されることが多く、収率は低く、地殻中の含有量は約 0.0005% です。スカンジウムは、特殊なガラスや軽量の高温合金の製造によく使用されます。
現在、世界のスカンジウムの確認埋蔵量はわずか 200 万トンで、その 90 ～ 95% はボーキサイト、リン鉱石、鉄チタン鉱石に含まれており、ウラン、トリウム、タングステン、レアアース鉱石にはごく一部が含まれています。ロシア、中国、タジキスタン、マダガスカル、ノルウェーなどに分布しています。中国はスカンジウム資源が非常に豊富で、スカンジウムに関連する膨大な鉱物埋蔵量がある。不完全な統計によると、中国のスカンジウム埋蔵量は約60万トンで、中国南部のボーキサイトと亜リン酸鉱床、斑岩と石英脈のタングステン鉱床、中国南部のレアアース鉱床、中国南部のバヤン・オボ・レアアース鉄鉱石鉱床に含まれている。内モンゴル、四川省の攀枝花バナジウムチタン磁鉄鉱床。
スカンジウムは希少性のため価格も非常に高く、最盛期には金の10倍にもなりました。スカンジウムの価格は下落しましたが、それでも金の価格の 4 倍です。
歴史を知る
1869 年、メンデレーエフはカルシウム (40) とチタン (48) の間の原子量のギャップに気づき、ここにも未発見の中間原子量元素が存在すると予測しました。彼はその酸化物が X ₂ O Å であると予測しました。スカンジウムは、1879 年にスウェーデンのウプサラ大学のラース フレデリック ニルソンによって発見されました。ブラックレア金鉱山から抽出した、8種類の金属酸化物を含む複合鉱石です。彼は抽出した酸化エルビウム(III)希少な黒色の金鉱石から得られる酸化イッテルビウム(III)この酸化物からさらに軽い元素の別の酸化物があり、そのスペクトルはそれが未知の金属であることを示しています。これはメンデレーエフが予言した金属で、その酸化物はSc₂O₃。スカンジウム金属自体は、塩化スカンジウム1937年に電解溶解により製造されました。
メンデレーエフ
電子配置
電子配置: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
スカンジウムは、融点が 1541 ℃、沸点が 2831 ℃の柔らかい銀白色の遷移金属です。
スカンジウムは、発見後かなりの期間、製造の難しさからその利用が実証されませんでした。希土類元素の分離方法がますます改良され、現在ではスカンジウム化合物を精製するためのプロセスフローが成熟しています。スカンジウムはイットリウムやランタニドよりもアルカリ性が低く、水酸化物が最も弱いため、水酸化スカンジウム(III)をアンモニアで処理した後、スカンジウムを含む希土類元素混合鉱物を「段階析出」法により希土類元素から分離します。溶液に移されます。もう一つの方法は、硝酸塩の極性分解により硝酸スカンジウムを分離する方法です。硝酸スカンジウムは最も分解しやすいため、スカンジウムを分離することができます。さらに、ウラン、トリウム、タングステン、スズ、その他の鉱床から付随するスカンジウムを包括的に回収することも重要なスカンジウム源です。
純粋なスカンジウム化合物が得られた後、それは ScCl Å に変換され、KCl および LiCl と共融解されます。溶けた亜鉛は電気分解の陰極として使用され、亜鉛電極上にスカンジウムが析出します。次に、亜鉛を蒸発させて金属スカンジウムを得る。これは非常に活性な化学的特性を持つ軽量の銀白色の金属で、熱水と反応して水素ガスを生成します。そのため、写真にある金属スカンジウムはボトルに密封され、アルゴンガスで保護されています。そうしないと、スカンジウムはすぐに濃い黄色または灰色の酸化物層を形成し、光沢のある金属の光沢が失われます。
アプリケーション
照明産業
スカンジウムの用途は非常に明るい方向に集中しており、まさに光の息子と言っても過言ではありません。スカンジウムを使った最初の魔法の兵器はスカンジウム ナトリウム ランプと呼ばれ、何千もの家庭に明かりをもたらすために使用できます。これはメタルハライド電灯です。電球にはヨウ化ナトリウムと三ヨウ化スカンジウムが充填されており、スカンジウムとナトリウム箔も同時に添加されています。高電圧放電中、スカンジウムイオンとナトリウムイオンはそれぞれ特徴的な発光波長の光を放射します。ナトリウムのスペクトル線は 589.0 および 589.6 nm で、2 つの有名な黄色光です。一方、スカンジウムのスペクトル線は 361.3 ～ 424.7 nm で、一連の近紫外光と青色光の放射です。これらは互いに補い合うため、生成される全体的な光の色は白色光になります。スカンジウムナトリウムランプは、高い発光効率、良好な光色、省電力、長寿命、強力な曇り止め性能などの特徴を備えているからこそ、テレビカメラ、広場、スポーツ会場、道路照明などに幅広く使用されており、これらは第 3 世代光源として知られています。中国では、このタイプのランプは新しい技術として徐々に推進されており、一部の先進国では、このタイプのランプは 1980 年代初頭には広く使用されていました。
スカンジウムの 2 番目の魔法の兵器は太陽電池であり、地面に散乱した光を集めて電気に変換し、人間社会を動かすことができます。スカンジウムは、金属絶縁体半導体シリコン太陽電池および太陽電池における最良のバリアメタルです。
第三の魔法兵器はγA線源と呼ばれ、この魔法兵器はそれ自体で明るく輝くことができるが、その光は肉眼では受容できない、高エネルギーの光子流である。私たちは通常、スカンジウムの唯一の天然同位体である 45Sc を鉱物から抽出します。各 45Sc 原子核には 21 個の陽子と 24 個の中性子が含まれています。人工放射性同位体である 46Sc は、γ 線源として使用でき、またトレーサー原子は悪性腫瘍の放射線療法にも使用できます。イットリウム・ガリウム・スカンジウム・ガーネット・レーザーなどのアプリケーションもあります。フッ化スカンジウムガラス赤外線光ファイバー、テレビのスカンジウム被覆ブラウン管。スカンジウムは明るさを持って生まれてくるそうです。
合金産業
元素の形のスカンジウムは、アルミニウム合金のドーピングに広く使用されています。アルミニウムに数千分の１のスカンジウムが添加される限り、新しい Al3Sc 相が形成され、アルミニウム合金の変成作用の役割を果たし、合金の構造と特性を大きく変化させます。 0.2%～0.4%のScを添加すると（家庭で野菜炒めに塩を加える割合とほぼ同じで、ほんの少しだけ必要です）合金の再結晶温度を150～200℃上昇させ、合金の再結晶温度を大幅に向上させることができます。 -温度強度、構造安定性、溶接性能、耐食性。高温での長時間作業時に発生しやすい脆化現象も回避できます。高強度・高靱性アルミニウム合金、新しい高強度耐食性溶接可能アルミニウム合金、新しい高温アルミニウム合金、高強度中性子照射耐性アルミニウム合金などは、航空宇宙、航空、船舶、航空宇宙分野で非常に魅力的な発展の見通しを持っています。原子炉、軽車両、高速列車。
スカンジウムは鉄の優れた改質剤でもあり、少量のスカンジウムで鋳鉄の強度と硬度を大幅に向上させることができます。さらに、スカンジウムは、高温タングステンおよびクロム合金の添加剤としても使用できます。もちろん、他の人の結婚式の服を作るだけでなく、スカンジウムは融点が高く、密度がアルミニウムに近いため、スカンジウムチタン合金やスカンジウムマグネシウム合金などの高融点軽量合金にも使用されます。ただし、価格が高いため、一般的にはスペースシャトルやロケットなどの高級製造業でのみ使用されています。
セラミック素材
スカンジウムは単体の物質であり、一般に合金に使用されますが、その酸化物も同様にセラミック材料において重要な役割を果たしています。固体酸化物形燃料電池の電極材料として使用できる正方晶ジルコニアセラミック材料は、環境内の温度と酸素濃度が増加すると、この電解質の導電率が増加するという独特の特性を持っています。しかし、このセラミックス材料自体の結晶構造は安定に存在することができず、工業的価値はありません。元の特性を維持するには、この構造を固定できるいくつかの物質をドーピングする必要があります。酸化スカンジウムを6～10％添加すると、コンクリート構造のようにジルコニアが正方格子上に安定化します。
高密度化剤や安定化剤として、高強度で高温耐性のある窒化ケイ素などのエンジニアリングセラミック材料もあります。
高密度化剤として、酸化スカンジウム微粒子の端に耐火相 Sc2Si2O7 を形成し、エンジニアリングセラミックスの高温変形を軽減します。他の酸化物と比較して、窒化ケイ素の高温機械的特性をより良く改善できます。
触媒化学
化学工学では、スカンジウムは触媒としてよく使用されますが、Sc2O3 はエタノールまたはイソプロパノールの脱水と脱酸素、酢酸の分解、CO と H2 からのエチレンの生成に使用できます。 Sc2O3 を含む Pt Al 触媒は、石油化学産業における重油の水素化精製および精製プロセスにとって重要な触媒でもあります。クメンなどの接触分解反応では、Sc-Y ゼオライト触媒の活性はケイ酸アルミニウム触媒の活性の 1000 倍です。いくつかの従来の触媒と比較して、スカンジウム触媒の開発の見通しは非常に明るいでしょう。
原子力産業
高温原子炉核燃料中の UO2 に少量の Sc2O3 を添加すると、UO2 から U3O8 への変換によって引き起こされる格子変態、体積増加、および亀裂を回避できます。
燃料電池
同様に、ニッケル アルカリ電池に 2.5% ～ 25% のスカンジウムを添加すると、耐用年数が長くなります。
農業育種
農業では、トウモロコシ、ビート、エンドウ豆、小麦、ヒマワリなどの種子を硫酸スカンジウムで処理することができます（濃度は一般に10-3〜10-8mol/L、植物によって異なります）。発芽促進の実際の効果が得られます。達成されました。 8時間後、根と芽の乾燥重量は苗木と比較してそれぞれ37％と78％増加しましたが、そのメカニズムはまだ研究中です。
ニールセンが原子質量データの負債に注目してから今日に至るまで、スカンジウムが人々の目に入るようになったのはわずか 100 年か 20 年ですが、100 年間ほとんどベンチに座っていました。前世紀後半に物質科学が精力的に発展して初めて、それが彼に活力をもたらしました。今日、スカンジウムを含むレアアース元素は材料科学の注目の星となり、何千ものシステムで常に変化する役割を果たし、私たちの毎日の生活にさらなる利便性をもたらし、測定するのがさらに困難な経済的価値を生み出しています。
投稿日時: 2023 年 6 月 29 日