Скандий

История

Свойства

Применение

 
    Скандий – легкий, серебристо-белый металл. Его плотность составляет 2.98 г/см³, всего на 10% больше, чем у алюминия. Но температура плавления скандия гораздо выше (1541 °C), что в принципе позволяет использовать скандий в качестве неплохого конструкционного материала. Однако чистый скандий очень дорог – цена за килограмм металлического 99.9% скандия составляет несколько тысяч долларов, и в настоящее время скандий применяется, в основном, как легирующая добавка к алюминиевым сплавам (также, алюминиевая лигатура, содержащая скандий, стоит гораздо дешевле в пересчете на металл, чем чистый скандий).
    Существование скандия было предсказано Д. И. Менделеевым, а впервые выделил этот металл в виде оксида Фредерик Нельсон. Статьи об открытии нового элемента можно скачать тут и тут (статьи на французском, первая ссылка – сообщения Нельсона об открытии скандия, вторая – сообщение Клеве о дальнейшем исследовании этого металла).

    На фото – кусочек чистого скандия в ампуле. По поведению на воздухе металл напоминает алюминий: он довольно быстро покрывается тонкой, но прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления.

 
    Для лабораторных исследований скандий выпускается в виде слитков. Обычно их получают переплавкой скандия в танталовом тигле под слоем флюса. Металл имеет крупнокристаллическую структуру и его можно довольно легко разделить на куски.

 
    Скандий достаточно легко поддается механической обработке, на следующем фото - полоска скандиевой фольги, полученной прокаткой слитка скандия. Этот и следующие два образца были подарены мне в институте «Гиредмет».

 
    Этот образец – маленький кристалл скандия, полученный при дистилляции металла в вакууме. Процесс дистилляции ведут в вакууме 10^-5 мм рт. ст., нагревая металл в вольфрамовом тигле до 1200–1300 градусов (тигель нагревается резистивным графитовым нагревателем). Над тиглем располагается конденсатор (точнее, вариант охлаждающего пальца, поскольку металл не присутствует на нем в жидком виде, а сразу затвердевает). Сначала на конденсаторе собирают первую фракцию, содержащую летучие примеси (например, металлический кальций, который применяется при восстановлении скандия из фторида). Затем конденсатор меняют на новый и собирают основную фракцию чистого металла. В зависимости от скорости перегонки (температуры кипящего металла, остаточного давления, конфигурации печи и т.п.) металл может получаться как в виде волокнистых кристаллов, так и в виде компактного слоя.

 
    Следующий образец это скандиевый порошок, полученный гидридным методом. Поскольку металлический скандий пластичен, приготовить из него порошок с размером зерна в несколько микрон очень сложно. Поэтому поступают следующим образом: металл нагревают в токе водорода и получают гидрид скандия. Он гораздо более хрупок, и в инертной атмосфере его легко растереть в порошок (на воздухе он быстро окисляется и может загореться). Затем гидрид нагревают в вакууме и он разлагается с выделением водорода и образованием металла. Порошок состоит из агрегатов размером в доли миллиметра, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц.

 
    И еще один кусочек возогнанного скандия. На фото хорошо видно волокнистую структуру кристаллического осадка металла и желтоватый цвет, обусловленный тонкой оксидной пленкой.

 
    Из одного из кусков слитка (на втором фото) я сделал скандиевый кубик с ребром в 1 см. Просто так, чтобы можно было взвесить его на руке и оценить плотность металла. Скандий прекрасно обрабатывается на токарном станке, если не устанавливать слишком высокую скорость резания (иначе из-за крупных зерен слиток может начать раскалываться).