S칸디움원소 기호 Sc, 원자 번호 21인 스칸듐은 물에 쉽게 녹고 뜨거운 물과 반응하며 공기 중에서 쉽게 어두워집니다. 주요 원자가는 +3입니다. 가돌리늄, 에르븀 및 기타 원소와 혼합되는 경우가 많으며, 수율이 낮고 지각 내 함량은 약 0.0005%입니다. 스칸듐은 특수 유리와 경량 고온 합금을 만드는 데 자주 사용됩니다.
현재 전 세계 스칸듐 매장량은 200만 톤에 불과하며, 그중 90~95%는 보크사이트, 인광석, 철-티타늄 광석에, 나머지는 우라늄, 토륨, 텅스텐, 희토류 광석에 함유되어 있습니다. 주로 러시아, 중국, 타지키스탄, 마다가스카르, 노르웨이 등에 분포되어 있습니다. 중국은 스칸듐 자원이 매우 풍부하며, 스칸듐 관련 광물 매장량도 막대합니다. 일부 통계에 따르면, 중국의 스칸듐 매장량은 약 60만 톤으로, 보크사이트 및 인광석 광상, 중국 남부의 반암 및 석영맥 텅스텐 광상, 중국 남부의 희토류 광상, 내몽골 바얀오보 희토류 철광석 광상, 쓰촨성 판즈화 바나듐-티타늄 자철광 광상에 함유되어 있습니다.
스칸듐의 희소성으로 인해 스칸듐 가격 또한 매우 높습니다. 최고치에는 금 가격의 10배까지 치솟았습니다. 스칸듐 가격은 하락했지만, 여전히 금 가격의 4배입니다!
역사의 발견
1869년 멘델레예프는 칼슘(40)과 티타늄(48) 사이의 원자량 차이를 발견하고, 여기에 아직 발견되지 않은 중간 원자량 원소가 있을 것이라고 예측했습니다. 그는 그 산화물이 X₂OÅ일 것이라고 예측했습니다. 스칸듐은 1879년 스웨덴 웁살라 대학교의 라르스 프레데리크 닐손에 의해 발견되었습니다. 그는 8종의 금속 산화물을 포함하는 복잡한 광석인 흑색 희귀 금광에서 스칸듐을 추출했습니다. 그는에르븀(III) 산화물검은색 희귀 금광석에서 얻은이테르븀(III) 산화물이 산화물에서 더 가벼운 원소의 또 다른 산화물이 발견되는데, 이 산화물의 스펙트럼은 미지의 금속임을 보여줍니다. 이는 멘델레예프가 예측한 금속이며, 이 산화물은Sc₂O₃. 스칸듐 금속 자체는 다음에서 생산되었습니다.염화스칸듐1937년에 전기분해 용해로 제조되었습니다.
멘델레예프
전자 배열
전자 배치: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
스칸듐은 녹는점이 1541℃, 끓는점이 2831℃인 부드럽고 은백색의 전이금속입니다.
스칸듐은 발견 후 상당 기간 동안 생산의 어려움으로 인해 실용화되지 못했습니다. 희토류 원소 분리 방법의 발전으로 스칸듐 화합물 정제 공정이 성숙되었습니다. 스칸듐은 이트륨과 란타넘족 원소보다 알칼리성이 약하기 때문에 수산화물이 가장 약합니다. 따라서 스칸듐을 함유한 희토류 원소 혼합 광물은 스칸듐(III) 수산화물을 용액으로 옮긴 후 암모니아로 처리하여 "단계 침전" 방법을 통해 희토류 원소로부터 분리합니다. 다른 방법은 질산 스칸듐을 극성 분해하여 분리하는 것입니다. 질산 스칸듐은 분해가 가장 쉽기 때문에 스칸듐을 분리할 수 있습니다. 또한, 우라늄, 토륨, 텅스텐, 주석 및 기타 광상에서 수반되는 스칸듐을 종합적으로 회수하는 것 또한 스칸듐의 중요한 공급원입니다.
순수한 스칸듐 화합물을 얻은 후, ScCl2Å로 전환하여 KCl과 LiCl과 함께 용융합니다. 용융된 아연을 전기분해의 음극으로 사용하여 아연 전극에 스칸듐이 침전되도록 합니다. 그런 다음 아연을 증발시켜 금속 스칸듐을 얻습니다. 이 금속 스칸듐은 매우 활성적인 화학적 특성을 가진 가볍고 은백색의 금속으로, 뜨거운 물과 반응하여 수소 가스를 생성합니다. 따라서 사진에서 보이는 금속 스칸듐은 병에 밀봉하여 아르곤 가스로 보호합니다. 그렇지 않으면 스칸듐이 빠르게 어두운 노란색 또는 회색 산화물 층을 형성하여 반짝이는 금속 광택을 잃게 됩니다.
응용 프로그램
조명 산업
스칸듐의 용도는 매우 밝은 방향으로 집중되어 있으며, 그것을 빛의 아들이라고 부르는 것은 과장이 아닙니다.스칸듐의 첫 번째 마법 무기는 스칸듐 나트륨 램프라고 불리며, 수천 가구에 빛을 가져오는 데 사용할 수 있습니다.이것은 금속 할로겐화물 전기 조명입니다.전구는 요오드화 나트륨과 스칸듐 삼요오드로 채워지고 스칸듐과 나트륨 호일이 동시에 추가됩니다.고전압 방전 동안 스칸듐 이온과 나트륨 이온은 각각 특징적인 방출 파장의 빛을 방출합니다.나트륨의 스펙트럼 선은 두 가지 유명한 노란색 빛인 589.0과 589.6nm인 반면 스칸듐의 스펙트럼 선은 근자외선과 청색광 방출의 시리즈인 361.3~424.7nm입니다.서로 보완되기 때문에 생성되는 전체 조명 색상은 흰색 빛입니다. 스칸듐 나트륨 램프는 높은 발광 효율, 우수한 광색, 절전, 긴 수명, 그리고 강력한 안개 제거 능력을 갖추고 있어 텔레비전 카메라, 광장, 스포츠 경기장, 도로 조명 등에 널리 사용될 수 있으며, 3세대 광원으로 알려져 있습니다. 중국에서는 이 램프가 점차 신기술로 홍보되고 있으며, 일부 선진국에서는 이미 1980년대 초부터 널리 사용되었습니다.
스칸듐의 두 번째 마법 무기는 태양광 전지입니다. 태양광 전지는 지상에서 산란되는 빛을 모아 전기로 변환하여 인간 사회를 움직이는 원동력으로 사용할 수 있습니다. 스칸듐은 금속 절연체, 반도체 실리콘 태양 전지 및 태양 전지에서 최고의 차단 금속입니다.
세 번째 마법 무기는 γ A 선원이라고 합니다. 이 마법 무기는 스스로 밝게 빛나지만, 육안으로는 감지할 수 없는 고에너지 광자 흐름입니다. 우리는 보통 광물에서 45Sc를 추출하는데, 이는 스칸듐의 유일한 자연 동위 원소입니다. 각 45Sc 핵은 양성자 21개와 중성자 24개를 포함합니다. 인공 방사성 동위 원소인 46Sc는 γ 방사선원 또는 추적 원자로 사용될 수 있으며, 악성 종양의 방사선 치료에도 사용될 수 있습니다. 이트륨, 갈륨, 스칸듐, 가넷 레이저와 같은 응용 분야도 있습니다.불화 스칸듐유리 적외선 광섬유, 그리고 텔레비전에 쓰이는 스칸듐 코팅 음극선관. 스칸듐은 밝기를 가지고 태어난 것 같습니다.
합금 산업
스칸듐은 원소 형태로 알루미늄 합금의 도핑에 널리 사용되어 왔습니다. 알루미늄에 스칸듐을 수천 분의 몇 정도만 첨가해도 새로운 Al3Sc 상이 형성되어 알루미늄 합금에서 변성 작용을 일으켜 합금의 구조와 특성을 크게 변화시킵니다. 0.2%~0.4%의 스칸듐(Sc는 집에서 볶은 채소에 소금을 넣는 비율과 거의 비슷하며, 소량만 첨가하면 됩니다)을 첨가하면 합금의 재결정 온도를 150~200℃까지 높일 수 있으며, 고온 강도, 구조 안정성, 용접 성능 및 내식성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 고온에서 장시간 작업 시 발생하기 쉬운 취성 현상을 방지할 수 있습니다. 고강도, 고인성 알루미늄 합금, 신형 고강도 내식성 용접형 알루미늄 합금, 신형 고온 알루미늄 합금, 고강도 중성자 조사 저항성 알루미늄 합금 등은 항공우주, 항공기, 선박, 원자로, 경자동차, 고속열차 등에서 매우 매력적인 발전 전망을 가지고 있습니다.
스칸듐은 철의 우수한 개질제이기도 하며, 소량의 스칸듐만으로도 주철의 강도와 경도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, 스칸듐은 고온 텅스텐 및 크롬 합금의 첨가제로도 사용할 수 있습니다. 물론, 스칸듐은 결혼식 예복 제작 외에도 높은 녹는점과 알루미늄과 유사한 밀도를 가지고 있어 스칸듐 티타늄 합금, 스칸듐 마그네슘 합금과 같은 고녹는점 경량 합금에도 사용됩니다. 하지만 높은 가격 때문에 일반적으로 우주 왕복선이나 로켓과 같은 고급 제조 산업에만 사용됩니다.
세라믹 소재
스칸듐은 단일 물질로 일반적으로 합금에 사용되며, 그 산화물은 세라믹 재료에서 유사한 방식으로 중요한 역할을 합니다. 고체 산화물 연료 전지의 전극 재료로 사용될 수 있는 정방정계 지르코니아 세라믹 재료는 온도와 주변 환경의 산소 농도가 증가함에 따라 전해질의 전도도가 증가하는 독특한 특성을 가지고 있습니다. 그러나 이 세라믹 재료 자체의 결정 구조는 안정적으로 존재할 수 없으며 산업적 가치가 없습니다. 원래 특성을 유지하려면 이 구조를 고정할 수 있는 물질을 도핑해야 합니다. 6~10%의 스칸듐 산화물을 첨가하면 콘크리트 구조물과 같은 역할을 하므로 지르코니아를 사각 격자 위에 안정화시킬 수 있습니다.
또한, 고강도, 고온 내성 실리콘 질화물과 같은 엔지니어링 세라믹 소재가 밀도 증가제 및 안정제로 사용됩니다.
밀도 증가제로서,산화 스칸듐미세 입자 가장자리에 내화상 Sc2Si2O7을 형성하여 엔지니어링 세라믹의 고온 변형을 감소시킵니다. 다른 산화물과 비교하여 질화규소의 고온 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
촉매화학
화학공학에서 스칸듐은 촉매로 자주 사용되는 반면, Sc2O3는 에탄올이나 이소프로판올의 탈수 및 탈산, 아세트산 분해, 그리고 일산화탄소와 수소로부터 에틸렌을 생산하는 데 사용될 수 있습니다. Sc2O3를 함유하는 Pt-Al 촉매는 석유화학 산업에서 중유의 수소화 정제 및 정제 공정에도 중요한 촉매입니다. 쿠멘과 같은 접촉 분해 반응에서 Sc-Y 제올라이트 촉매의 활성은 규산알루미늄 촉매보다 1000배 높습니다. 일부 기존 촉매와 비교할 때, 스칸듐 촉매의 개발 전망은 매우 밝을 것입니다.
원자력 에너지 산업
고온 원자로 핵연료의 UO2에 소량의 Sc2O3를 첨가하면 UO2에서 U3O8로 전환될 때 발생하는 격자 변형, 부피 증가 및 균열을 피할 수 있습니다.
연료 전지
마찬가지로 니켈 알칼리 전지에 스칸듐을 2.5~25% 첨가하면 수명이 늘어납니다.
농업 육종
농업에서는 옥수수, 사탕무, 완두콩, 밀, 해바라기 등의 종자를 황산스칸듐(일반적으로 10-3~10-8mol/L 농도이며, 식물에 따라 차이가 있음)으로 처리하여 발아 촉진 효과를 얻을 수 있습니다. 8시간 후, 뿌리와 새싹의 건조 중량은 묘목에 비해 각각 37%와 78% 증가했지만, 그 기전은 아직 연구 중입니다.
닐슨이 원자 질량 데이터의 부채에 관심을 기울인 이후 오늘날까지, 스칸듐은 사람들의 눈에 들어온 지 겨우 100년, 아니 20년밖에 되지 않았지만, 거의 100년 동안이나 연구 대상에서 제외되어 있었습니다. 지난 세기 후반 재료 과학이 눈부시게 발전하면서 비로소 그에게 활력을 불어넣었습니다. 오늘날 스칸듐을 비롯한 희토류 원소는 재료 과학의 주요 스타로 자리 잡았으며, 수천 가지 시스템에서 끊임없이 변화하는 역할을 수행하며 우리 삶에 매일 더 많은 편리함을 가져다주고, 측정하기 훨씬 더 어려운 경제적 가치를 창출하고 있습니다.
게시 시간: 2023년 6월 29일