元素

21 钪 带来光明的元素

本文投稿作者 漂泊

钪元素是一种类似稀土金属的过渡金属元素,它的主要用途都集中在光学领域,利用钪元素可以制作钪钠灯,可以在太阳能电池中进行应用,还可以作为γ射线源。由于其巨大的作用,钪元素也被称为光明之子。除此之外,钪元素也是一种工业维生素,在合金材料和陶瓷材料的改性过程中发挥着巨大的作用。

钪的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 44.955912
电子配置 3d14s2
密度 2985kg / m 
熔点 1541°C
沸点 2830°C
形状 银白色金属
丰度 5 x 10-6
发现者 L.F.Nilson,P.T.Cleve
主要的同位素 45 Sc(唯一稳定存在同位素)46 Sc(人工放射性同位素)
用途例 钪钠灯、γ射线源、合金、陶瓷
前后的元素 钙-钪-钛

钪的发现

在十九世纪晚期,对稀土元素进行研究形成了一股热潮,在钪元素被发现一年之前,瑞士的马利纳克(de Marignac)从玫瑰红色的铒土中,通过局部分解硝酸盐的方式,得到了一种不同于铒土的白色氧化物,他将这种氧化物命名为镱土,这是第六种被发现地稀土元素。瑞典乌普萨拉大学的尼尔森(L.F.Nilson,1840~1899)在按照马利纳克的方法对铒土进行提纯时,精确的测量了铒和镱的原子量(因为他这个时候正在专注于精确测量稀土元素的物理与化学常数以期对元素周期律作出验证)。当他经过13次局部分解之后,得到了3.5g纯净的镱土。但是这时候奇怪的事情发生了,马利纳克给出的镱的原子量是172.5,而尼尔森得到的则只有167.46。尼尔森敏锐地意识到这里面有可能是什么轻质的元素。于是他将得到的镱土又用相同的流程继续处理,最后当只剩下十分之一样品的时候,测得的原子量更是掉到了134.75;同时光谱中还发现了一些新的吸收线。尼尔森认为他发现了一种新的元素,于是他用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给钪命名为Scandium。1879年,他正式公布了自己的研究结果,在他的论文中,还提到了钪盐和钪土的很多化学性质。不过在这篇论文中,他没有能给出钪的精确原子量,也还不确定钪在元素周期中的位置。

其实,钪元素是一种早已被预言的元素,1869年,门捷列夫在第一版元素周期表中,在钙元素的后面,就留出了一个原子量为45的空位,他将该元素命名为类硼(Eka-Boron),并预言了它的一些物理化学性质。尼尔森的好友,也是同在乌普萨拉大学任教的克利夫(P.T.Cleve,1840~1905)从铒土出发,将铒土作为大量组分排除掉,再分出镱土和钪土之后,又从剩余物中找到了钬和铥这两个新的稀土元素。做为副产物,他提纯了钪土,并进一步了解了钪的物理和化学性质。这样一来,门捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之后,终于被克利夫捞了起来。钪就是门捷列夫当初所预言的”类硼”元素。他们的发现再次证明了元素周期律的正确性和门捷列夫的远见卓识。

而钪金属在1937年才由电解熔化的氯化钪生产出来。

钪在光学方面的应用

金属卤化物灯是一种新型节能光源,具有高光效、高亮度、高显色、多色调、长寿命的特点,是高强度放电灯中最有竞争力的产品,被称为第三代光源,具有广阔的应用前景。钪钠灯是开发的最早的一种,在20世纪80年代初开始大批量的投入生产。钪钠灯的灯泡中含有碘化钠和碘化钪,同时也有钪和钠箔。在高压放电时,钪离子和钠离子分别发出他们的特征发射波长的光,钠的谱线为589.0和589.6nm两条著名的黄色光线,而钪的谱线为361.3~424.7nm的一系列近紫外和蓝色光发射,因为互为补色,产生的总体光色就是白色光。正是由于钪钠灯具有发光效率高、光色好、节电、使用寿命长和破雾能力强等特点,使其可广泛用于电视摄像和广场、体育馆、马路照明等场合。

立方晶型的氧化钪具有高折射率、高带宽、高导热率等优异性能,因而作为激光材料受到人们广泛关注。当前钪激光基质晶体主要有Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)和Y3Sc2Ga3O12(YSGG)两种,并衍生出掺杂其他稀土元素(例如钕、钇、铒等)多个系列的激光基质晶体。GSGG的优势为效率高,(Nd, Cr) : GSGG是同等条件下Nd : YAG的激光效率的2-4倍。另外,它还具有强的抗辐射能力,易于长成大尺寸单晶。钪系列晶体在医学治疗、军事、金属加工、环境研究等领域有非常广阔的应用前景。由于钪的价格、供给稳定性等问题,钪系列晶体的发展稍晚,进入21世纪后,德国、美国和日本才实现了钪晶体的批量化生产并逐步推广应用。

钪钠灯                                                                       钪基激光器

钪合金

钪的性质与其他稀土元素类似,并且性能更为优越,对于钢铁、有色合金中相关稀土元素的部分替代是完全可行的。钪可以改善合金的强度、硬度、耐热性能、耐腐蚀性能等,在合金领域中的应用前景非常广阔。

钪使铸铁中石墨球化的作用比稀土元素更有效,可显著改善铸件性能;钪加到镍、铬和钨基耐热高温合金中,可显著提高其抗氧化性;高铬合金的焊接填料中添加钪,可大幅提高焊缝拉伸强度;钪加到Mg基或Ti基合金中,可使合金有较好的机械、电学、可塑和稳定性能。

钪合金中最重要的一种是钪铝合金,在铝合金中添加微量钪可以大幅提升铝合金的强度、塑韧性、耐高温性能、耐腐蚀性能、焊接性能和抗中子辐照损伤性能。在铝中只要加入千分之几的钪就会生成Al3Sc新相,对铝合金起变质作用,使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2%~0.4%的Sc可使合金的再结晶温度提高150~200℃,且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高,并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。钪铝合金已作为结构材料用于航天、航空、核反应堆等领域,在舰船、高铁列车、轻型汽车等领域也有着广泛的应用前景。

在航天、航空工业中,俄罗斯对铝钪合金的研究的较为系统,且已实现工业化应用。他们已开发出四大系列14个牌号的铝钪合金,四个系列分别为热处理非强化可焊Al-Mg-Sc系合金;热处理强化高强度可焊Al-Zn-Mg-Sc系合金;热处理强化中强和高强可焊Al-Li-Sc系合金;热处理强化高强Al-Zn-Cu-Sc系航空合金。如Al-Li-Sc系合金作为飞机的结构材料,已用于米格-20、米格-29、图-204客机和雅克-36直升机等。国外其他一些国家已在大型民用飞机的承重部件用铝钪合金材料代替其他材料,以提高飞机的综合性能。

在核工业、舰船工业等领域,铝钪合金有较强的抗中子辐照损伤性能,可用于核反应堆的结构件中。因铝钪合金质量轻、刚度高、焊接强度大、低热开裂性、优良的抗疲劳性能在船舶承重件、高速列车结构材料、输油管等方面的应用均具有较大潜力。

此外,一些自行车生产商也会用钪铝合金生产高端车架。

钪铝合金及其主要应用

陶瓷材料

就像钪可以调节合金的性质,钪的氧化物在陶瓷材料的改性上也起到了重要的作用。像可以用作固体氧化物燃料电池电极材料的四方相氧化锆陶瓷材料就有一种很特别的性质,在这种材料的电导会随着温度和环境中氧的浓度增高而增大。但是它本身的晶体结构不够稳定,不具有工业价值。如果要稳定其结构,必须要在其中掺杂一些特殊的物质,这样才能够保持原有的性质。掺入6~10%的氧化钪就好像混凝土结构一样,让氧化锆能够稳定在四方形的晶格上。通过加入含钪氧化物,可以显著提升陶瓷材料的性能。

氧化钪也可以作为工程陶瓷材料氮化硅的增密剂,可以在细小颗粒的边缘生成难熔相Sc2Si2O7,从而减小工程陶瓷的高温变形性,与添加其它氧化物相比能更好改善氮化硅的高温机械性能。

除此之外,在钇铁石榴石材料中加入少量钪还可以改进其磁性。

参考文献

1、百度百科“钪”

2、钪在新材料中的应用及钪资源开发

 

本文版权属于 Chem-Station化学空间 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

The following two tabs change content below.

Related post

  1. 钠 刺激我们味蕾的元素
  2. 16 硫黄 Sulfurー从大蒜,洋葱到硫化剂
  3. 氟元素 牙膏和不粘锅中的元素
  4. 锂 Lithium -从锂电池到医药品
  5. 氦 Helium -比空气轻! 超导磁体的冷却剂
  6. 24 铬 不锈钢的核心元素
  7. 铍 Beryllium -翡翠的成分、宇宙望远镜的反射镜材料
  8. 15 磷 Phosphorusー生命的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP