Scandium, avec le symbole d'élément Sc et le numéro atomique de 21, est facilement soluble dans l'eau, peut interagir avec l'eau chaude et s'assombrit facilement dans l'air. Sa valence principale est +3. Il est souvent mélangé avec du gadolinium, de l'erbium et d'autres éléments, avec un faible rendement et une teneur d'environ 0,0005 % dans la croûte. Le scandium est souvent utilisé pour fabriquer du verre spécial et des alliages légers à haute température.
À l'heure actuelle, les réserves prouvées de scandium dans le monde ne s'élèvent qu'à 2 millions de tonnes, dont 90 à 95 % sont contenues dans des minerais de bauxite, de phosphorite et de fer-titane, et une petite partie dans des minerais d'uranium, de thorium, de tungstène et de terres rares, principalement distribué en Russie, en Chine, au Tadjikistan, à Madagascar, en Norvège et dans d'autres pays. La Chine est très riche en ressources en scandium, avec d'énormes réserves minérales liées au scandium. Selon des statistiques incomplètes, les réserves de scandium en Chine sont d'environ 600 000 tonnes, contenues dans les gisements de bauxite et de phosphorite, les gisements de porphyre et de veines de tungstène de quartz dans le sud de la Chine, les gisements de terres rares dans le sud de la Chine, les gisements de minerai de fer des terres rares de Bayan Obo dans le sud de la Chine. Mongolie intérieure et gisement de magnétite de titane et de vanadium Panzhihua au Sichuan.
En raison de la rareté du scandium, le prix du scandium est également très élevé et, à son apogée, le prix du scandium a été gonflé jusqu'à 10 fois le prix de l'or. Même si le prix du scandium a baissé, il reste toujours quatre fois supérieur à celui de l’or !
Découvrir l'histoire
En 1869, Mendeleïev remarqua un écart de masse atomique entre le calcium (40) et le titane (48) et prédit qu'il existait également ici un élément de masse atomique intermédiaire non découvert. Il a prédit que son oxyde est X ₂ O Å. Le scandium a été découvert en 1879 par Lars Frederik Nilson de l'Université d'Uppsala en Suède. Il l'a extrait de la mine d'or noir rare, un minerai complexe qui contient 8 types d'oxydes métalliques. Il a extraitOxyde d'erbium(III)à partir de minerai d'or noir rare et obtenuOxyde d'ytterbium(III)de cet oxyde, et il y a un autre oxyde d'élément plus léger, dont le spectre montre que c'est un métal inconnu. C'est le métal prédit par Mendeleïev, dont l'oxyde estSc₂O₃. Le scandium lui-même a été produit à partir deChlorure de scandiumpar fusion électrolytique en 1937.
Mendeleïev
Configuration électronique
Configuration électronique : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
Le scandium est un métal de transition doux et blanc argenté avec un point de fusion de 1541 ℃ et un point d'ébullition de 2831 ℃.
Pendant une période considérable après sa découverte, l'utilisation du scandium n'a pas été démontrée en raison de sa difficulté de production. Avec l’amélioration croissante des méthodes de séparation des éléments des terres rares, il existe désormais un flux de processus mature pour purifier les composés de scandium. Étant donné que le scandium est moins alcalin que l'yttrium et le lanthanide, l'hydroxyde est le plus faible, de sorte que le minéral mélangé d'éléments de terres rares contenant du scandium sera séparé de l'élément de terres rares par la méthode de « précipitation par étapes » lorsque l'hydroxyde de scandium (III) est traité avec de l'ammoniac après étant transféré en solution. L'autre méthode consiste à séparer le nitrate de scandium par décomposition polaire du nitrate. Le nitrate de scandium étant le plus facile à décomposer, le scandium peut être séparé. En outre, la récupération complète du scandium associé à partir de l'uranium, du thorium, du tungstène, de l'étain et d'autres gisements minéraux constitue également une source importante de scandium.
Après avoir obtenu un composé de scandium pur, il est converti en ScCl Å et fondu avec KCl et LiCl. Le zinc fondu est utilisé comme cathode pour l'électrolyse, provoquant la précipitation du scandium sur l'électrode de zinc. Ensuite, le zinc est évaporé pour obtenir du scandium métallique. Il s’agit d’un métal blanc argenté léger doté de propriétés chimiques très actives, qui peut réagir avec l’eau chaude pour générer de l’hydrogène gazeux. Ainsi, le scandium métallique que vous voyez sur l'image est scellé dans une bouteille et protégé avec du gaz argon, sinon le scandium formera rapidement une couche d'oxyde jaune foncé ou gris, perdant son éclat métallique brillant.
Applications
Industrie de l'éclairage
Les utilisations du scandium sont concentrées dans des directions très lumineuses, et il n’est pas exagéré de l’appeler le Fils de la Lumière. La première arme magique au scandium est appelée lampe au scandium sodium, qui peut être utilisée pour éclairer des milliers de foyers. Il s'agit d'une lampe électrique aux halogénures métalliques : l'ampoule est remplie d'iodure de sodium et de triiodure de scandium, et une feuille de scandium et de sodium est ajoutée en même temps. Lors d'une décharge haute tension, les ions scandium et les ions sodium émettent respectivement de la lumière selon leurs longueurs d'onde d'émission caractéristiques. Les raies spectrales du sodium sont de 589,0 et 589,6 nm, deux célèbres lumières jaunes, tandis que les raies spectrales du scandium sont de 361,3 à 424,7 nm, une série d'émissions de lumière proche ultraviolette et bleue. Parce qu’ils se complètent, la couleur globale de la lumière produite est la lumière blanche. C'est précisément parce que les lampes au scandium sodium ont les caractéristiques d'une efficacité lumineuse élevée, d'une bonne couleur de la lumière, d'une économie d'énergie, d'une longue durée de vie et d'une forte capacité de rupture du brouillard qu'elles peuvent être largement utilisées pour les caméras de télévision, les places, les sites sportifs et l'éclairage routier. et sont connues comme sources lumineuses de troisième génération. En Chine, ce type de lampe est progressivement promu comme une nouvelle technologie, tandis que dans certains pays développés, ce type de lampe était largement utilisé dès le début des années 1980.
La deuxième arme magique du scandium sont les cellules solaires photovoltaïques, qui peuvent collecter la lumière dispersée sur le sol et la transformer en électricité pour faire fonctionner la société humaine. Le scandium est le meilleur métal barrière dans les cellules solaires et les cellules solaires en silicium à semi-conducteur à isolant métallique.
Sa troisième arme magique est appelée source de rayons γ A, cette arme magique peut briller d'elle-même, mais ce type de lumière ne peut pas être reçu à l'œil nu, il s'agit d'un flux de photons à haute énergie. Nous extrayons habituellement le 45Sc des minéraux, qui sont les seuls isotopes naturels du scandium. Chaque noyau 45Sc contient 21 protons et 24 neutrons. Le 46Sc, un isotope radioactif artificiel, peut être utilisé comme source de rayonnement γ ou des atomes traceurs peuvent également être utilisés pour la radiothérapie des tumeurs malignes. Il existe également des applications comme le laser à grenat à l'yttrium gallium scandium,Fluorure de scandiumfibre optique infrarouge en verre et tube cathodique revêtu de scandium à la télévision. Il semble que le scandium naisse avec luminosité.
Industrie des alliages
Le scandium sous sa forme élémentaire a été largement utilisé pour doper les alliages d’aluminium. Tant que quelques millièmes de scandium sont ajoutés à l'aluminium, une nouvelle phase Al3Sc se formera, qui jouera un rôle de métamorphisme dans l'alliage d'aluminium et modifiera considérablement la structure et les propriétés de l'alliage. L'ajout de 0,2 % ~ 0,4 % Sc (ce qui est vraiment similaire à la proportion d'ajout de sel aux légumes sautés à la maison, seulement un peu est nécessaire) peut augmenter la température de recristallisation de l'alliage de 150 à 200 ℃ et améliorer considérablement la température élevée. -résistance à la température, stabilité structurelle, performances de soudage et résistance à la corrosion. Cela peut également éviter le phénomène de fragilisation qui se produit facilement lors de travaux de longue durée à haute température. L'alliage d'aluminium à haute résistance et à haute ténacité, le nouvel alliage d'aluminium soudable à haute résistance et résistant à la corrosion, le nouvel alliage d'aluminium à haute température, l'alliage d'aluminium à haute résistance résistant à l'irradiation neutronique, etc., ont des perspectives de développement très attrayantes dans l'aérospatiale, l'aviation, les navires, réacteurs nucléaires, véhicules légers et trains à grande vitesse.
Le scandium est également un excellent modificateur du fer, et une petite quantité de scandium peut améliorer considérablement la résistance et la dureté de la fonte. De plus, le scandium peut également être utilisé comme additif pour les alliages de tungstène et de chrome haute température. Bien sûr, en plus de fabriquer des vêtements de mariage pour d'autres, le scandium a un point de fusion élevé et sa densité est similaire à celle de l'aluminium, et est également utilisé dans des alliages légers à point de fusion élevé tels que l'alliage de scandium-titane et l'alliage de scandium-magnésium. Cependant, en raison de son prix élevé, il n’est généralement utilisé que dans les industries manufacturières haut de gamme telles que les navettes spatiales et les fusées.
Matériau céramique
Le scandium, une substance unique, est généralement utilisé dans les alliages, et ses oxydes jouent de la même manière un rôle important dans les matériaux céramiques. Le matériau céramique tétragonal en zircone, qui peut être utilisé comme matériau d'électrode pour les piles à combustible à oxyde solide, possède une propriété unique selon laquelle la conductivité de cet électrolyte augmente avec l'augmentation de la température et de la concentration en oxygène dans l'environnement. Cependant, la structure cristalline de ce matériau céramique elle-même ne peut pas exister de manière stable et n’a aucune valeur industrielle ; Il est nécessaire de doper certaines substances capables de fixer cette structure afin de conserver ses propriétés originales. L'ajout de 6 à 10 % d'oxyde de scandium est comme une structure en béton, de sorte que la zircone peut être stabilisée sur un réseau carré.
Il existe également des matériaux céramiques techniques tels que le nitrure de silicium à haute résistance et résistant aux températures élevées comme densificateurs et stabilisants.
En tant que densificateur,Oxyde de scandiumpeut former une phase réfractaire Sc2Si2O7 au bord des fines particules, réduisant ainsi la déformation à haute température des céramiques techniques. Comparé à d'autres oxydes, il peut mieux améliorer les propriétés mécaniques à haute température du nitrure de silicium.
Chimie catalytique
En génie chimique, le scandium est souvent utilisé comme catalyseur, tandis que le Sc2O3 peut être utilisé pour la déshydratation et la désoxydation de l'éthanol ou de l'isopropanol, la décomposition de l'acide acétique et la production d'éthylène à partir de CO et H2. Le catalyseur Pt Al contenant du Sc2O3 est également un catalyseur important pour les processus de purification et de raffinage par hydrogénation du pétrole lourd dans l’industrie pétrochimique. Dans les réactions de craquage catalytique telles que le Cumène, l'activité du catalyseur zéolite Sc-Y est 1 000 fois supérieure à celle du catalyseur silicate d'aluminium ; Par rapport à certains catalyseurs traditionnels, les perspectives de développement des catalyseurs au scandium seront très prometteuses.
Industrie de l'énergie nucléaire
L'ajout d'une petite quantité de Sc2O3 à UO2 dans le combustible nucléaire d'un réacteur à haute température peut éviter la transformation du réseau, l'augmentation de volume et la fissuration causée par la conversion de UO2 en U3O8.
Pile à combustible
De même, ajouter 2,5 à 25 % de scandium aux piles nickel-alcali augmentera leur durée de vie.
Élevage agricole
En agriculture, les graines telles que le maïs, la betterave, les pois, le blé et le tournesol peuvent être traitées avec du sulfate de scandium (la concentration est généralement de 10-3 ~ 10-8mol/L, différentes plantes auront des différences), et l'effet réel de favoriser la germination a été atteint. Après 8 heures, le poids sec des racines et des bourgeons a augmenté respectivement de 37 % et 78 % par rapport aux semis, mais le mécanisme est encore à l'étude.
Depuis l'attention de Nielsen sur la dette des données de masse atomique jusqu'à aujourd'hui, le scandium n'est entré dans la vision des gens que depuis cent ou vingt ans, mais il est presque resté sur le banc pendant cent ans. Ce n’est qu’avec le développement vigoureux de la science matérielle à la fin du siècle dernier qu’elle lui a apporté de la vitalité. Aujourd’hui, les éléments des terres rares, dont le scandium, sont devenus des étoiles chaudes dans la science des matériaux, jouant des rôles en constante évolution dans des milliers de systèmes, apportant chaque jour plus de commodité à nos vies et créant une valeur économique encore plus difficile à mesurer.
Heure de publication : 29 juin 2023