Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov<< Kal'cii | Oglavlenie | Titan >>
Skandii
Izdatel'stvo "Nauka", 1977
Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002
Etot serebristyi metall pochti tak zhe legok, kak alyuminii, a plavitsya pri temperature, nemnogim men'shei, chem stal'.
Etogo metalla na zemle v 60 raz bol'she, chem serebra, no stoit on namnogo dorozhe zolota.
Do poslednih let tehnika ne znala etogo metalla, on byl odnim iz nemnogih "bezrabotnyh" elementov periodicheskoi sistemy. Nyne s ego pomosh'yu reshena odna iz vazhnyh problem vychislitel'noi tehniki.
Ekabor Mendeleeva
1 marta 1869 g. Dmitrii Ivanovich Mendeleev razoslal v nauchnye uchrezhdeniya Rossii i drugih stran pervoe izobrazhenie "Opyta sistemy elementov, osnovannoi na ih atomnom vese i himicheskom shodstve". Eto byl otdel'nyi listok, malo pohozhii na izvestnuyu teper' vsemu miru mendeleevskuyu tablicu.
Tablica poyavilas' dvumya gidami pozzhe.
V 1871 g. ee kletki, prednaznachennye dlya 21, 31 i 32-go elementov, zanimali voprositel'nye znaki. No ryadom s nimi, kak i v drugih kletkah, stoyali cifry atomnyh vesov.
Element N 21 Mendeleev predlozhil predvaritel'no nazvat' ekaborom, "proizvodya eto nazvanie ot togo, chto on sleduet za borom, a slog eka proizvoditsya ot sanskritskogo slova, oznachayushego odin". Dva drugih poluchili nazvaniya ekasiliciya i ekaalyuminiya. V tom zhe 1871 g. v stat'e, opublikovannoi v zhurnale Russkogo himicheskogo obshestva, Mendeleev podrobno opisal svoistva vseh treh "ekov".
"Ekabor, - pisal on, - v otdel'nosti dolzhen predstavlyat' metall... Etot metall budet ne letuch, potomu, chto i vse metally v chetnyh ryadah vo vseh gruppah (krome I) ne letuchi; sledovatel'no, on edva li mozhet byt' otkryt obychnym putem spektral'nogo analiza. Vodu vo vsyakom sluchae on ne budet razlagat' pri obyknovennoi temperature, a pri nekotorom vozvyshenii temperatury razlozhit, podobno tomu, kak eto proizvodyat i mnogie, v etom krayu pomeshennye metally, obrazuya osnovnoi okisel. On budet, konechno, rastvoryat'sya v kislotah..."
Otkrytie ekabora proizoshlo eshe pri zhizni D.I.Mendeleeva, v 1879 g. Shvedskii himik Lare Frederik Nil'son, rabotaya nad izvlecheniem redkozemel'nogo elementa itterbiya, obnaruzhil novuyu "redkuyu zemlyu". Ee svoistva porazitel'no sovpadali so svoistvami "otkrytogo na konchike pera" ekabora.
V chest' Skandinavii Nil'son nazval etot element skandiem.
Odnako veshestvo, poluchennoe shvedskim uchenym, eshe ne bylo dostatochno chistym. I Nil'son, i ego sovremenniki, i mnogie himiki posleduyushih let ne smogli otdelit' etot redkii i rasseyannyi element ot beschislennyh primesei.
Sravnitel'no chistyi metallicheskii skandii (94...98%) byl poluchen lish' v 1937 g.
Ne tak redok, kak rasseyan...
Pochti polveka potratili uchen'yu na vydelenie elementa N 21. Pochemu eto proizoshlo? Soderzhanie skandiya v zemnoi kore sostavlyaet 2,2ž10-3%. Eto znachit, chto v zemle ego nemnogo men'she, chem svinca, no pochti v 500 raz bol'she, chem rtuti. Odnako i rtut', i svinec imeyut sobstvennye rudy; v sostav nekotoryh mineralov oni vhodyat v kolichestve do neskol'kih procentov, a skandii raspredelen po zemnoi poverhnosti tak, budto priroda reshila sdelat' ego vezdesushim, no neulovimym.
Naibolee bogatyi skandiem mineral - tortveitit - odin iz redchaishih mineralov. Samye znachitel'nye mestorozhdeniya tortveitita raspolozheny na yuge Norvegii i na Madagaskare. Naskol'ko "bogaty" eti mestorozhdeniya, mozhno sudit' po takim cifram: za 40 s lishnim let, s 1911 po 1952 g., na norvezhskih rudnikah bylo dobyto vsego 23kg tortveitita. Pravda, v posleduyushee desyatiletie v svyazi s povyshennym interesom k skandiyu mnogih otraslei nauki i promyshlennosti dobycha tortveitita byla predel'no uvelichena i v summe dostigla... 50 kg. Nemnogim chashe vstrechayutsya i drugie bogatye skandiem mineraly - sterrettit, kol'bekit, bol'cit.
Zato v sotyh i tysyachnyh dolyah procenta etot element vstrechaetsya i v zheleznyh, i v uranovyh, i v olovyannyh, i v vol'framovyh rudah, i v nizkosortnyh uglyah, i dazhe v morskoi vode i vodoroslyah. Nesmotrya na takuyu rasseyannost', byli razrabotany tehnologicheskie processy polucheniya skandiya i ego soedinenii iz razlichnyh vidov syr'ya. Vot kak vyglyadit, naprimer, odin iz sposobov polucheniya okisi skandiya, razrabotannyi chehoslovackimi uchenymi.
Pervaya stadiya - obzhig othodov obrabotki vol'framovyh rud. Pri etom vyzhigayutsya letuchie komponenty. Tverdyi ostatok razlagayut koncentrirovannoi sernoi kislotoi, dobavlyayut vodu i ammiakom osazhdayut iz rastvora gidrookis' skandiya. Zatem ee vysushivayut i prokalivayut v gazovoi pechi pri 600...700oC. V rezul'tate poluchayut svetlo-rozovyi poroshok okisi skandiya s dovol'no znachitel'nymi primesyami tverdoi kremnevoi kisloty i razlichnyh okislov, v pervuyu ochered' okisi zheleza. Eti primesi mozhno udalit', rastvoryaya poroshok v chistoi solyanoi kislote s posleduyushim vydeleniem raznyh frakcii. Kremnevuyu kislotu udalyayut s pomosh'yu rastvora zhelatiny, a obrazovavsheesya hlornoe zhelezo - metodom efirnoi ekstrakcii.
Zatem sleduet eshe seriya operacii, v kotoryh uchastvuyut razlichnye kisloty, rodanistyi ammonii, voda, efir. Snova vyparka, promyvka, sushka.
Ochishennuyu okis' skandiya eshe raz rastvoryayut v solyanoi kislote i shavelevoi kislotoi osazhdayut oksalat skandiya. Ego prokalivayut pri 1100oC i prevrashayut v okis'.
Poluchenie metallicheskogo skandiya iz okisla - ne menee trudoemkii process. Po dannym Eimskoi laboratorii SShA, naibolee celesoobrazno prevratit' okis' skandiya vo ftorid. Etogo dostigayut, obrabatyvaya ee ftoristym vodorodom ili biftoridom ammoniya NH4FžHF. Chtoby perehod Sc2O3 v ScF3 byl polnym, reakciyu provodyat dvazhdy.
Vosstanavlivayut ftoristyi skandii v tantalovyh tiglyah s pomosh'yu metallicheskogo kal'ciya. Process nachinaetsya pri 850oC i idet v atmosfere argona. Zatem temperatura povyshaetsya do 1600oC. Poluchennyi metallicheskii skandii i shlak razdelyayut pri pereplavke v vakuume. No i posle etogo slitok skandiya ne budet dostatochno chistym. Glavnaya primes' v nem - ot 3 do 5% tantala.
Poslednyaya stadiya ochistki - vakuumnaya distillyaciya. Temperatura 1650...1750oC, davlenie 10-5mm rtutnogo stolba. Posle okonchaniya operacii v slitke budet okolo 95% skandiya. Dal'neishaya ochistka, dovedenie skandiya do chistoty hotya by 99% - eshe bolee slozhnyi mnogostupenchatyi process.
Nesmotrya na eto, uchenye idut vse dal'she, stremyatsya dostignut' maksimal'noi chistoty redkogo metalla, izuchayut svoistva ego soedinenii, razrabatyvayut novye metody ih polucheniya. V poslednee vremya vazhnoe znachenie priobrelo poputnoe izvlechenie skandiya iz uranovyh rud.
O tom, kak stremitel'no rastet interes k skandiyu, mozhno sudit' po kolichestvu knig, broshyur i statei o nem i ego soedineniyah. Esli v 40-h godah vsyu mirovuyu literaturu po skandiyu mozhno bylo bukval'no soschitat' po pal'cam, to seichas izvestny uzhe tysyachi publikacii.
Blesk i nisheta elementa N 21
Chem zhe cenen skandii?
Prezhde vsego on obladaet redkim sochetaniem vysokoi teplostoikosti s legkost'yu. Plotnost' alyuminiya 2,7g/sm3, a temperatura plavleniya 660oC. Kubicheskii santimetr skandiya vesit 3,0 g, a temperatura plavleniya etogo metalla 1539oC. Plotnost' stali kolebletsya (v zavisimosti ot marki) v predelah 7,5...7,9g/sm3, temperatury plavleniya razlichayutsya v dovol'no shirokih predelah (chistoe zhelezo plavitsya pri temperature 1530oC, na 9œ nizhe, chem skandii).
Sravnenie etih vazhneishih harakteristik skandiya i dvuh samyh vazhnyh metallov sovremennoi tehniki yavno v pol'zu elementa N 21.
Krome togo, on obladaet prekrasnymi prochnostnymi harakteristikami, znachitel'noi himicheskoi i korrozionnoi stoikost'yu.
Blagodarya etim svoistvam skandii mog by stat' vazhnym konstrukcionnym materialom v aviacii i raketostroenii. V SShA byla predprinyata popytka proizvodstva metallicheskogo skandiya dlya etih celei, no stalo yasno, chto skandievaya raketa okazalas' by slishkom dorogoi. Dazhe otdel'nye detali iz skandiya ochen' sil'no uvelichivali ee stoimost'.
Pytalis' naiti primenenie skandiyu i v metallurgii. Rasschityvali ispol'zovat' ego v kachestve legiruyushei dobavki k chugunu, stali, titano-alyuminievym splavam. V ryade sluchaev byli polucheny obnadezhivayushie rezul'taty. Naprimer, dobavka 1% skandiya v alyuminii uvelichivala prochnost' splava v poltora raza. No i nemnogie procenty metallicheskogo skandiya slishkom udorozhali splav...
Iskali primeneniya skandiyu i v yadernoi tehnike, i v himicheskoi promyshlennosti, no v kazhdom sluchae mnogoznachnye cifry ceny svodili na net dostoinstva elementa N 21. Otsyuda, konechno, ne sleduet, chto eti raboty byli bespoleznymi. Naprotiv, oni imeli isklyuchitel'no vazhnoe znachenie, tak kak pomogali vyyasnit', pri kakih usloviyah v nastoyashem i budushem primenenie skandiya bylo by; celesoobraznym.
V poslednie gody stoimost' skandiya, ego soedinenii i splavov postepenno umen'shaetsya. Esli v 1959 g. kilogramm okisi skandiya stoil v SShA ot 15 do 30tys. dollarov, to cherez god - uzhe men'she devyati tysyach. Metallicheskii skandii v eto zhe vremya stoil sootvetstvenno 70 i 45tys. dollarov. Odnako i poslednie cifry trudno nazvat' inache, kak astronomicheskimi.
Poskol'ku okis' skandiya v neskol'ko raz deshevle chistogo metalla, ee primenenie v nekotoryh sluchayah moglo by okazat'sya ekonomicheski opravdannym. U etogo nevzrachnogo, ochen' obyknovennogo na vid poroshka ne bylo dostoinstv, stol' ochevidnyh, kak u samogo metalla, no...
Skandii i matematika
Sovershim kratkii ekskurs v odin iz razdelov vychislitel'noi tehniki.
Vazhneishii uzel lyuboi elektronnoi vychislitel'noi mashiny - eto zapominayushee ustroistvo. Ego rol' svoditsya k tomu, chtoby nakaplivat' v mashine postupayushuyu informaciyu.
Vid zapominayushego ustroistva vo mnogom opredelyaet tip vsei mashiny. U raznyh mashin operativnaya pamyat' raznaya. V odnih ee funkcii vypolnyayut elektronno-luchevye trubki, v drugih osnovoi zapominayushego ustroistva sluzhat ferritovye yacheiki. Etot tip operativnoi pamyati naibolee rasprostranen i vot pochemu: ferritovaya pamyat' bolee nadezhna; krome togo, ona hranit poluchennuyu informaciyu neogranichenno dolgo, ne trebuya na eto zatrat energii.
Kak i bol'shinstvo ustroistv elektronno-vychislitel'noi mashiny, magnitnaya pamyat' rabotaet po principu "da - net": libo signal imeetsya, libo otsutstvuet. Esli cherez obmotku ferritovogo serdechnika podat' polozhitel'nyi signal, to serdechnik namagnititsya v odnom napravlenii, esli otricatel'nyi - v protivopolozhnom napravlenii.
Pri snyatii signala ferritovyi serdechnik ostaetsya namagnichennym, prichem napravlenie namagnichennosti sohranyaetsya. Sostoyanie serdechnika budet harakterizovat' zapisannyi signal. Kak prochest' ego?
Cherez obmotku ferritovoi yacheiki podaetsya signal opredelennoi polyarnosti, naprimer polozhitel'noi. Esli napravlenie magnitnogo potoka, sozdavaemogo signalom, protivopolozhno napravleniyu magnitnogo potoka v serdechnike, proizoidet ego peremagnichivanie, i v vyhodnoi obmotke vozniknet elektrodvizhushaya sila. Esli zhe magnitnye potoki signala i serdechnika sovpadayut po napravleniyu, to na vyhodnoi obmotke signal ne vozniknet. Takim obrazom otlichayut, kakoi signal byl zapisan v dannoi yacheike. Estestvenno, chto chem bol'she peremagnichivanii mogut vyderzhat' v edinicu vremeni ferritovye yacheiki, tem vyshe bystrodeistvie mashiny. Obychno ferrity, primenyaemye v sistemah magnitnoi pamyati, izgotovlyayut iz okislov zheleza, magniya i marganca, i oni obladayut ostatochnoi indukciei primerno 2000...3000Gauss. Oni sposobny peremagnichivat'sya primerno 300tys. raz v sekundu, t.e. ezhesekundno peredavat' 300tys. edinic informacii. Pri bol'shei chastote peremagnichivaniya oni bystro razogrevayutsya i teryayut svoi zamechatel'nye magnitnye svoistva.
V svyazi s kolossal'noi slozhnost'yu zadach, kotorye prihoditsya reshat' elektronno-schetnym mashinam, eta skorost' stala nedostatochnoi. Poyavilas' potrebnost' v novyh ferrimagnitnyh materialah, kotorye pozvolili by uvelichit' bystrodeistvie elektronnyh mashin. Sovetskie fiziki D.E.Bondarev i Yu.V.Basihin v nachale 60-h godov razrabatyvali ferrity s ponizhennoi ostatochnoi indukciei, kotorye mozhno bylo by izgotovlyat' ne izmenyaya sushestvuyushei tehnologii. Ispytyvalis' razlichnye kompozicii, no tehnologiya prigotovleniya ferritov novyh marok pochti ne otlichalas' ot tradicionnoi. Vskore byli polucheny ferrity s okis'yu skandiya, indukciya kotoryh ne prevyshala 800...1000Gauss. Eto v 3 raza men'she, chem u obychnyh! Poetomu zhe namnogo umen'shilsya razogrev serdechnikov pri vysokochastotnom peremagnichivanii, chto pozvolilo sozdat' sistemu magnitnoi pamyati, v dva-tri raza bolee bystrodeistvuyushuyu, chem obychnye. Takaya pamyat' men'she reagiruet na pomehi i rabotaet vo mnogo raz nadezhnee.
Tak nachalsya put' skandiya v tehniku budushego.
Sravnite...
Utverditel' periodicheskogo zakona
"Utverditelyami", "ukrepitelyami" periodicheskoi sistemy elementov nazyval Mendeleev uchenyh, kotorye svoimi otkrytiyami podtverdili prognozy, sdelannye im na osnove periodicheskogo zakona. V pervuyu ochered' eti "tituly" zasluzhili troe uchenyh, obnaruzhivshih v mineralah predskazannye Mendeleevym elementy: ekaalyuminii. ekabor, ekasilicii.
Pervym iz "utverditelei" byl, kak izvestno, francuzskii himik Lekok de Buabodran - v 1875 g. on nashel v cinkovoi obmanke ekaalyuminii - gallii.
Nil'son byl vtorym. Chetyre goda spustya posle otkrytiya Buabodrana emu poschastlivilos' obnaruzhit' v minerale auksenite predskazannyi Mendeleevym ekabor. A eshe cherez sem' let nemeckii uchenyi Klemens Vinkler vpervye poluchil ekasilicii - germanii.
Shved Lare Frederik Nil'son, urozhenec surovogo ostrova Gotland, byl raznostoronne obrazovannym uchenym - v Upsal'skom universitete on izuchal himiyu, geologiyu, biologiyu. Krome pervoklassnogo obrazovanii i prirodnoi odarennosti, ego uspeham v nauke sposobstvovali eshe dva kraine vazhnyh obstoyatel'stva - rabota v molodosti pod rukovodstvom zamechatel'nogo shvedskogo himika 'ensa Yakoba Berceliusa i otkrytie Mendeleevym periodicheskogo zakona, vooruzhivshee uchenyh vsego mira kartoi himicheskogo kontinenta.
Bolee vsego Nil'son zanimalsya izucheniem redkih elementov. Krupneishim ego dostizheniem, pomimo otkrytiya elementa N 21 - skandiya, bylo ustanovlenie v 1884 g. pravil'nogo atomnogo vesa berilliya (sovmestno so shvedskim himikom O.Petersonom).
Poslednie 17 let svoei zhizni Nil'son zanimal professorskuyu kdfedru v Stokgol'mskoi sel'skohozyaistvennoi akademii. On sdelal nemalo dlya povysheniya urozhainosti polei v Shvecii i osobenno na svoem rodnom ostrove Gotland.
Skandii i fosfory
Fosforami (ne putat' s fosforom) nazyvayutsya veshestva, sposobnye dovol'no dolgo svetit'sya v temnote. Odno iz takih veshestv - sul'fid cinka ZnS. Esli obluchit' ego infrakrasnymi luchami, on nachinaet svetit'sya i eshe dolgo svetitsya posle prekrasheniya oblucheniya. Ustanovleno, chto dobavka skandiya k sul'fidu cinka, aktivirovannomu med'yu, daet bolee yarkoe svechenie, chem obychno. Skandii uvelichivaet svechenie i drugih fosforov, v chastnosti okisi magniya MgO.
Chtoby vozduh byl chishe
Pri proizvodstve plastmass, insekticidov i rastvoritelei vydelyayutsya dovol'no znachitel'nye kolichestva hloristogo vodoroda. Eto yadovityi gaz, vybros kotorogo v atmosferu nedopustim.
Konechno, mozhno bylo by svyazyvat' ego vodoi i vyrabatyvat' solyanuyu kislotu, no poluchenie kisloty takim metodom, myagko govorya, vletalo by v kopeechku. Bol'shih zatrat trebovalo i razlozhenie HCl elektrolizom, hotya metod kataliticheskogo razlozheniya hloristogo vodoroda byl predlozhen bolee 100 let nazad. Katalizatorom sluzhila hloristaya med'. Odnako effektivnym etot process byl lish' pri 430...475oC. A pri etih usloviyah katalizator uletuchivaetsya... Vyhod byl naiden: k osnovnomu katalizatoru - hloristoi medi - dobavili mikrokolichestva hloridov ittriya, cirkoniya, toriya, urana i skandiya. Na takom katalizatore temperatura razlozheniya hloristogo vodoroda snizilas' do 330...400oC, i uletuchivanie hloristoi medi stalo znachitel'no men'she. Novyi katalizator sluzhit gorazdo dol'she starogo, i vozduh nad himicheskimi zavodami nadezhno ochishaetsya ot vrednogo hloristogo vodoroda.
Skandii v ust'e temzy
Radioaktivnyi izotop skandiya i atomnoi massoi 46 v 1954...1955 gg. ispol'zovali dlya opredeleniya dvizheniya ila v ust'e Temzy. Sol', soderzhavshuyu skandii-46, smeshivali s tolchenym steklom i opuskali na morskoe dno v konteinere. Tam konteiner otkryvalsya, i smes', plotnost' kotoroi sootvetstvovala plotnosti ila, rassypalas' po dnu. Izluchenie otmechali s katera special'nym priborom. Skandii-46 vybrali potomu, chto on obladaet dostatochno intensivnym izlucheniem i ideal'nym dlya takogo roda issledovanii periodom poluraspada - 83,9 sutok. Chto zhe okazalos'? Bol'shaya chast' gryazi, vynosimoi Temzoi v more, v skorom vremeni vozvrashaetsya obratno v ruslo reki. Prishlos' razrabatyvat' novuyu tehniku ochistki ust'ya reki ot nanosov. Izuchenie dvizheniya ila i gal'ki v more s pomosh'yu izotopa skandiya provodilos' takzhe v Pol'she i Francii.
Skandii-46 - odin iz desyati iskusstvennyh radioaktivnyh izotopov elementa N 21. Drugie radioizotopy skandiya prakticheskogo primeneniya poka ne nashli. Prirodnyi skandii sostoit iz edinstvennogo izotopa - skandiya-45.
<< Kal'cii | Oglavlenie | Titan >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
