Существование скандия было предсказано Д. И. Менделеевым 11 декабря 1870 года, довольно точно описавшим металл, его свойства и давшим ему название «эка-бор» (по «старшему» аналогу в группе). Спустя девять лет предсказанный элемент был открыт в шведским химиком Ларсом Нильсоном, и назван в честь Скандинавии (лат.Scandia).
Экабор в отдельности должен представлять металл… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в чётных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах…[1]
...в природных соединениях мы нередко наблюдаем, что литиевые минералы, например, содержат изоморфные примеси магния, магниевые минералы ― примеси скандия...[2]
Этот серебристый металл почти так же лёгок как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в сорок раз дороже золота. До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов Периодической системы.[4]
Говорят даже, что он <скандий> входил в состав наконечников советских межконтинентальных баллистических ракет, спрятанных глубоко в Арктике. Оснащённые таким образом боеголовки легко пробивали бы толстые слои льда.[6]
Весьма показательно, что двухвалентный марганец в главной своей массе входит в состав минералов в виде изоморфной примеси к двухвалентным железу и кальцию, но зато четырехвалентный марганец всегда образует явно индивидуализированные соединения. Этим же объясняется, что такие элементы, как рубидий, скандий, галлий, гафний, индий, рений и др., обладающие низкими атомными кларками, в природе совершенно не образуют самостоятельных минералов, а находятся в рассеянном состоянии, присутствуя в виде изоморфной примеси к другим элементам.[2]
Как мы знаем, ионные радиусы в вертикальных группах периодической системы элементов возрастают с увеличением порядкового номера и уменьшаются в горизонтальном направлении с увеличением номера группы (т. е. с увеличением валентности). На этом основании А. Е. Ферсманом выведен закон диагональных рядов изоморфных ионов в периодической системе элементов, справедливый для левой ее части. <...> Действительно, в природных соединениях мы нередко наблюдаем, что литиевые минералы, например, содержат изоморфные примеси магния, магниевые минералы ― примеси скандия, натриевые ― примеси кальция, кальциевые ― примеси иттрия и т. д.[2]
Скандий, имеющий электронную конфигурацию [Ar]3d4s2, является аналогом алюминия, но проявляет значительно более осно́вные свойства. Во многих отношениях он напоминает иттрий и лантаниды, хотя за счёт меньшего радиуса ион скандия(III) (~0,7 A по сравнению с интервалом 0,85 — 1,06 для иттрия и лантанидов) заметно отличается от них.[8]:515
Этот серебристый металл почти так же лёгок как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в сорок раз дороже золота. До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов Периодической системы.[4]
Сравнительно чистый металлический скандий (94-98%) был получен лишь в 1937 году. <...> Почти полвека потратили ученые на выделение элемента №21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 0,0006%. Это значит, что его почти в три раза меньше, чем свинца, но в сто двадцать раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым. Наиболее богатый скандием минерал ― тортвейтит ― один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за сорок лет, с 1911 по 1952 год, на норвежских рудниках было добыто всего 23 килограмма тортвейтита.[4]
...в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья.[4]
Получение металлического скандия из окисла ― не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее фтористым водородом или бифторидом аммония. Чтобы переход Sc2O3 в ScF3 был полным, реакцию проводят дважды. Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при температуре 850° и идет в атмосфере инертного газа ― аргона. Затем температура повышается до 1600°. Полученный металлический скандий и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нём ― от 3 до 5 процентов тантала. Последняя стадия очистки ― вакуумная дистилляция.[4]
Чем же ценен скандий? Прежде всего, он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с лёгкостью. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла ― 1539 градусов Цельсия. Удельный вес стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5-7,9 г/см3, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°, на 9° ниже, чем скандий). Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента №21. Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам, скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США и была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия многократно увеличивали её стоимость.[4]
Минерал тортвейтит Sc2Si2O7 ― единственный собственный минерал редкого элемента скандия. Но тортвейтит интересен и другим: это единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf4+ и Sc3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония.[9]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о гафнии и его соединениях», 1968
Скандий не имеет своих собственных минеральных источников, пригодных для промышленной разработки. Перспективный легирующий элемент для алюминиевых сплавов, он оказывает модифицирующее влияние на структуру слитков, способствует формированию субзернистой структуры в деформируемых полуфабрикатах. Легирование скандием привело к созданию алюминиевых сплавов с существенно более высокими характеристиками: удельной прочностью, свариваемостью, деформируемостью, что позволило внедрить в серийное производство крупногабаритные, геометрически сложные силовые штампосварные конструкции с минимальным полетным весом для ракетной и авиационной техники.[10]
— Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003
Основные проблемы в применении сплавов со скандием в авиа-, судо-и автомобилестроении ― высокая стоимость алюминиевоскандиевой лигатуры и сплавов, хотя испытания образцов изделий из них, проведенные фирмами Ford и «АвтоВАЗ», показали хорошие результаты. Скандий при использовании его в осветительных приборах, лазерах, сплавах и ряде других случаев не имеет аналогов: только он обеспечивает кардинально новые потребительские качества там, где требуются изделия с высокими удельными прочностными характеристиками. Еще в СССР была разработана программа создания производства скандия и его лигатуры.[10]
— Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003
Красные шламы составляют не менее половины объема поступающего на завод боксита. В то же время эти отходы представляют собой огромный источник многих ценных компонентов. Они содержат в своем составе железо ― до 40%, алюминий ― до 16%, кальций, кремний, титан, цирконий, ниобий, галлий и даже золото. Особый интерес представляют редкоземельные элементы ― скандий и иттрий. Содержание первого в К<расных>Ш<ламах> составляет 80-120 г/т., второго ― до 300-400 г/т.[11]
— Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003
Оценивая состояние скандиевой продукции в России в целом, отметим, что как в России, так и в других странах СНГ в настоящее время нет реального переработчика бедного скандиевого сырья. Среди российских источников наиболее перспективны и экономически выгодны для извлечения скандия именно отходы глинозёмного производства. Шламы в результате применения методов физического обогащения позволяют получать концентрат с содержанием оксида скандия до 360 г/т, а дополнительное использование классификации и химической активации дает большее извлечение в концентрат, увеличивая содержание до 400 г/т. Для сравнения: эти показатели на порядок превышают содержание скандия в концентрате Западной Австралии по проекту, осуществляемому американской компанией Ashurst Technology с планируемым объемом выпуска оксида скандия 40 т/год.[10]
— Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003
Скандий в публицистике и документальной литературе
Незадолго до этой дискуссии (в 1879 г.) был открыт ещё один из предсказанных Менделеевым элементов ― экабор, получивший название скандий (Л. Нильсон в Швеции). Вскоре (в 1886 г.) был обнаружен и третий, предсказанный Менделеевым элемент ― экасилиций, названный германием (К. Винклер в Саксонии). Все эти открытия явились блестящим торжеством периодического закона, который, наконец, завоевал общее признание, как основной закон химии.[12]
— Сергей Погодин, «Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и его борьба за первенство русской науки», 1949
Большинство иностранных исследователей отнеслось вначале к закону Менделеева довольно скептически. Но ближайшее будущее показало, что гениальные предвидения Менделеева оправдались, что найденный им периодический закон действительно знаменует «открытие взаимной связи всех атомов в мироздании» (Н. Д. Зелинский). В 1875-1886 годах были открыты все три предсказанных Менделеевым элемента, названные галлием, скандием и германием. Их свойства точно совпали с теми характеристиками, которые им дал великий русский ученый. В дальнейшем подтвердились и все исправления атомных весов элементов, сделанные Менделеевым на основании периодического закона. [13]
Открытие экабора произошло ещё при жизни Д. И. Менделеева, в 1879 году. Шведский химик Ларс Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора. В честь Скандинавии ― своей родины ― Нильсон назвал этот элемент скандием. Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделись этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей. <...> Более всего Нильсон занимался изучением редких элементов. Крупнейшим его достижением, помимо открытия элемента № 21 ― скандия, было установление в 1884 году правильного атомного веса бериллия (совместно с шведским химиком С. О. Петерсоном).[4]
В последние годы важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд. О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в сороковых годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.[4]
Элемент лютеций назван в честь Парижа (латинское название “Лютеция”), а магний ― от греческого города Магнезия. Сами за себя говорят названия таких химических элементов, как скандий или калифорний.[5]
— Георгий Скарлато, «Удивительная планета Земля. География: тайны и открытия», 1997
Три четверти всех элементов являются металлами, но, если не считать алюминия, железа и некоторых других, большинство из них до Второй мировой войны считались лишь бесполезными значками в периодической системе. <...> Но примерно с 1950 года почти все металлы нашли свое место. <...> Скандий в настоящее время используется как вольфрамоподобная присадка в алюминиевых бейсбольных битах и велосипедных рамах. В Советском Союзе в 1980-е годы скандий применялся в производстве лёгких вертолётов. Говорят даже, что он входил в состав наконечников советских межконтинентальных баллистических ракет, спрятанных глубоко в Арктике. Оснащённые таким образом боеголовки легко пробивали бы толстые слои льда.[6]
И все эти элементы вперебивку, не считаясь ни с чем и ни с кем, предъявляли мне свои счета. Я не отметил будущего скандия, этого странного редкого металла, которого так много на некоторых звездах.[15]
Вечером зашел Володя Краснокутский. Выглядит он неплохо, но значительно располнел. Работает в Воркуте. В этом районе богатейшие россыпные м<есторожден>ия титано-магнетита (ильменит, рутил), большие перспективы по скандию, неважные по алмазам, оптическому сырью и меди и не особенно высокие по золоту.[16]
Знакомство с Верой Михайловной <Инбер> давало мне возможность своевременно узнавать о предстоящих выступлениях Троцкого на различных вечерах, собраниях, митингах. А однажды тогдашний супруг ее, видный учёный-химик профессор Фрумкин провёл меня на собрание деятелей химической науки, где выступал Троцкий. С удивившей меня неожиданной эрудицией он ярко и образно говорил о пополнении таблицы Менделеева новыми элементами: скандием, галлием и германием. Запомнилась мне и произнесенная им красивая сентенция: «Практика без науки слепа, наука без практики бесплодна».[17]
Какой там долг? Полмиллиона? Всего-то! Ежели редкозёмом считать ― три кило скандия в пересчёте с «зелени» на «дерево». О чём речь! Берём!.. Право же, три кило редкозема для погашения кредита ― не цена свободе передвижения КамАЗов сквозь границы.[18]
↑Менделеев Д. И. Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов. — СПб.: Журнал Русского химического общества. — 1871 г. — Т. III. — С. 25—56
↑ 123А.Г.Бетехтин, «Курс минералогии». — М.: Государственное издательство геологической литературы, 1951 год
↑Н. Л. Глинка. Общая химия: Учебное пособие для вузов (под. ред. В.А.Рабиновича, издание 16-е, исправленное и дополненное). ― Л.: Химия, 1973 г. ― 720 стр.
↑Н. Я.. Иттрий в земной коре. — М.: «Природа», № 1-6, 1923 г.
↑Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия, часть 2 (пер. с англ.: Иванова Е.К., Прохорова Г.В., Чуранов С.С. Под ред.: Астахов К.В.) — М.: Мир, 1969 г.
↑Борис Горзев. Что вы знаете и чего не знаете о гафнии и его соединениях (редакционная колонка). — М.: «Химия и жизнь», № 8, 1968 год
↑ 123Лазарь Рохлин. Техногенная реальность ― беда или надежда? — М.: «Металлы Евразии», 3 ноября 2003 г.
↑Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок реал не указан текст
↑С. А. Погодин. Открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и его борьба за первенство русской науки. — М.: «Химия и жизнь», № 3, 1949 г.
↑В. И. Гольданский, Основа науки о веществе. ― М.: «Наука и жизнь», № 9, 1951 г.
