Файл: Занятие по химии iiiй группы элементов Заключение.doc

В связи с тем, что по свойствам скандий близок к Mg, Al, Ca, Mn²⁺, Fe²⁺, TR (редкоземельным элементам), Hf, Th, U, Zr, главная масса его рассеивается в минералах, содержащих эти элементы. Имеет место изовалентное замещение скандием элементов группы TR, особенно в существенно иттриевых минералах (ксенотим, ассоциация Sc — Y в тортвейтите и замещение Al в берилле). Гетеровалентное замещение скандием Fe²⁺ и магния в пироксенах, амфиболах, оливине, биотите широко развито в основных и ультраосновных породах, а замещение циркония — в поздние стадии магматического процесса и в пегматитах.

Основные минералы-носители скандия: флюорит (до 1 % Sc₂O₃), касситерит (0,005—0,2 %), вольфрамит (0—0,4 %), ильменорутил (0,0015—0,3 %), торианит (0,46 % Sc₂O₃), самарскит (0,45 %), виикит (1,17 %), ксенотим (0,0015—1,5 %), берилл (0,2 %), баццит (скандиевый берилл, 3—14,44 %). В процессе формирования магматических пород и их жильных производных скандий в главной своей массе рассеивается преимущественно в темноцветных минералах магматических пород и в незначительной степени концентрируется в отдельных минералах постмагматических образований. Наиболее высокие (30 г/т Sc₂O₃) концентрации скандия приурочены к ультраосновным и основным породам, в составе которых ведущую роль играют железо-магнезиальные минералы (пироксен, амфибол и биотит). В породах среднего состава среднее содержание Sc₂O₃ 10 г/т, в кислых — 2 г/т. Здесь скандий рассеивается также в темноцветных минералах (роговой обманке, биотите) и устанавливается в мусковите, цирконе, сфене. Концентрация в морской воде — 0,00004 мг/л.

Месторождения. Самые значительные месторождения тортвейтита (минерала, наиболее богатого скандием) расположены на Мадагаскаре и в Норвегии.

История. Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как экабор) в статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года, и открыт в 1879 году шведским химиком Ларсом Нильсоном. Нильсон назвал элемент в честь Скандинавии.

Физические свойства. Скандий — лёгкий металл серебристого цвета с характерным жёлтым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Sc с гексагональной решёткой типа магния (a=3,3085 Å; с=5,2680 Å; z=2; пространственная группа P63/mmc), β-Sc с кубической объёмноцентрированной решёткой, температура перехода α↔β 1336 °C, ΔH перехода 4,01 кДж/моль. Температура плавления 1541 °C, температура кипения 2837 °C. Скандий — мягкий металл, с чистотой 99,5 % и выше (в отсутствие O₂) легко поддается механической обработке.

---

Химические свойства. Химические свойства скандия похожи на таковые у алюминия. В большинстве соединений скандий проявляет степень окисления +3. Компактный металл на воздухе покрывается с поверхности оксидной плёнкой. При нагревании до красного каления реагирует с фтором, кислородом, азотом, углеродом, фосфором. При комнатной температуре реагирует с хлором, бромом и йодом. Реагирует с разбавленными сильными кислотами; концентрированными кислотами-окислителями и HF пассивируется. Реагирует с концентрированными растворами щелочей.

Ион Sc₃+ бесцветный диамагнитный, координационное число в водных растворах — 6. Как и в случае алюминия, гидроксид скандия амфотерен и растворяется как в избытке кислот, так и в избытке щелочей; с разбавленным раствором аммиака не реагирует. Хлорид, бромид, йодид и сульфат скандия хорошо растворимы в воде, раствор имеет кислую реакцию вследствие частичного гидролиза, при этом гидратация безводных солей сопровождается бурным выделением тепла. Фторид и фосфат скандия в воде не растворимы, но фторид растворятся в присутствии избытка фторид-ионов с образованием ScF63-. Карбид, нитрид, фосфид, сульфид и карбонат скандия водой нацело гидролизуются. Органические соединения скандия термически относительно устойчивы, но бурно реагируют с водой и воздухом. Они построены в основном при помощи σ-связей Sc-C и представлены алкильными производными и полимерными циклопентадиенидами.

Известны также соединения с низшими степенями окисления скандия (+2, +1, 0). Одно из простейших — тёмно-синее твёрдое вещество CsScCl₃. В этом веществе представлены связи между атомами скандия. Моногидрид скандия ScH наблюдался спектроскопически в условиях высоких температур в газовой фазе. Также низшие степени окисления скандия обнаружены в металлоорганических соединениях.
Получение. Следует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей и проблему разработки технологии извлечения скандия при переработке углей на искусственное жидкое топливо. Мировые ресурсы скандия. Скандий является рассеянным литофильным элементом (элемент горных пород), поэтому для технологии добычи этого элемента важно полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии руд-носителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Ниже приведены основные руды-носители и масса выделяемого из них попутного скандия:

---

• 
  Бокситы — 71 млн тонн переработки в год, содержат попутный скандий в объёме 710—1420 тонн;
  
• 
  Урановые руды — 50 млн тонн в год, попутный скандий 50—500 тонн в год;
  
• 
  Ильмениты — 2 млн тонн в год, попутный скандий 20—40 тонн в год;
  
• 
  Вольфрамиты — попутный скандий около 30—70 тонн в год;
  
• 
  Касситериты — 200 тысяч тонн в год, попутный скандий 20—25 тонн в год;
  
• 
  Цирконы — 100 тысяч тонн в год, попутный скандий 5—12 тонн в год.
  

Всего известно более сотни скандий-содержащих минералов, собственные его минералы (тортвейтит, джервисит) очень редки.

Скандий присутствует в каменном угле, и для его добычи можно вести переработку доменных чугунолитейных шлаков, которая была начата в последние годы в ряде развитых стран.

Сплавы скандия. Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиево-скандиевых сплавах, применяемых в спортивной экипировке (мотоциклы, велосипеды, бейсбольные биты и т. п.) — везде, где требуются высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость.

Например, легирование алюмо-магниевого сплава АМг6 скандием в отсутствие дополнительного упрочнения повышает предел прочности с 32 до 36 кгс/мм², а предел текучести — с 16 до 24 кгс/мм² (после 30-процентной нагартовки те же показатели составляют соответственно 42 и 33 кгс/мм² у АМг6НПП против 45 и 36 кгс/мм² у сплава 01570Н). Для сравнения, предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 МПа (40 кгс/мм²), у титана, например, 250—350 МПа, а у нелегированного иттрия — 300 МПа. Применение скандиевых сплавов в авиации и гражданском ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надёжность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Очень важно и то обстоятельство, что скандий упрочняет алюминиевые сплавы, легированные гафнием.

1.4 Химический свойства Y, La, Ac

И́ттрий — элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 39. Обозначается символом Y (лат. Yttrium). Простое вещество иттрий — металл светло-серого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния, β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 1482 °C.

---

История. В 1794 году финский химик Юхан (Иоганн) Гадолин (1760—1852) выделил из минерала иттербита оксид элемента, который он назвал иттрием — по названию шведского населённого пункта Иттербю, находящегося на острове Ресарё, входящем в Стокгольмский архипелаг (иттербит был найден здесь в заброшенном карьере). В 1843 году Карл Мосандер доказал, что этот оксид на самом деле является смесью оксидов иттрия, эрбия и тербия и выделил из этой смеси Y₂O₃. Металлический иттрий, содержащий примеси эрбия, тербия и других лантаноидов, был получен впервые в 1828 году Фридрихом Велером.

Нахождение в природе. Иттрий — химический аналог лантана. Кларк 26 г/т, содержание в морской воде 0,0003 мг/л. Иттрий почти всегда содержится вместе с лантаноидами в минеральном сырье. Несмотря на неограниченный изоморфизм, в группе редких земель в определённых геологических условиях возможна раздельная концентрация редких земель иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественное развитие получает цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щёлочностью — иттриевая. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие тантало-ниобаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую. Главнейшие минералы иттрия — ксенотим YPO₄, гадолинит Y₂FeBe₂Si₂O₁₀.

Месторождения. Главные месторождения иттрия расположены в Китае, Австралии, Канаде, США, Индии, Бразилии, Малайзии. Значительны запасы в глубоководном месторождении редкоземельных минералов у тихоокеанского острова Минамитори в исключительной экономической зоне Японии.

Получение. Соединения иттрия получают из смесей с другими редкоземельными металлами экстракцией и ионным обменом. Металлический иттрий получают восстановлением безводных галогенидов иттрия литием или кальцием c последующей отгонкой примесей.

Физические свойства. Иттрий — металл светло-серого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Y с гексагональной решёткой типа магния (a=3,6474 Å; с=5,7306 Å; z=2; пространственная группа P6₃/mmc), β-Y с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe (a=4,08 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 1482 °C, ΔH перехода — 4,98 кДж/моль. Температура плавления — 1528 °C, температура кипения — около 3320 °C. Иттрий легко поддается механической обработке.

---

Изотопы

Основная статья: Изотопы иттрия

Иттрий — моноизотопный элемент, в природе представлен одним стабильным нуклидом ⁸⁹Y.

Иттрий-90 нашел применение в радионуклидной терапии онкологических заболеваний.

Химические свойства. На воздухе иттрий покрывается плотной защитной оксидной плёнкой. При 370—425 °C образуется плотная чёрная плёнка оксида. Интенсивное окисление начинается при 750 °C. Компактный металл окисляется кислородом воздуха в кипящей воде, реагирует с минеральными кислотами, уксусной кислотой, не реагирует с фтороводородом. Иттрий при нагревании взаимодействует с галогенами, водородом, азотом, серой и фосфором. Оксид Y₂O₃ обладает основными свойствами, ему отвечает основание Y(ОН)₃.

Применение. Иттрий является металлом, обладающим рядом уникальных свойств, и эти свойства в значительной степени определяют очень широкое применение его в промышленности сегодня и, вероятно, ещё более широкое применение в будущем. Предел прочности на разрыв для нелегированного чистого иттрия — около 300 МПа (30 кг/мм²), что сравнимо со сталью, при вдвое меньшей плотности. Очень важным качеством как металлического иттрия, так и ряда его сплавов является то обстоятельство, что, будучи активным химически, иттрий при нагревании на воздухе покрывается плёнкой оксида и нитрида, предохраняющих его от дальнейшего окисления до 1000 °C.

Лантан — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 57, атомная масса — 138,9055. Обозначается символом La (лат. Lanthanum). Простое вещество лантан — блестящий металл серебристо-белого цвета, относится к редкоземельным элементам.

История. Лантан как химический элемент не удавалось открыть на протяжении 36 лет. В 1803 г. 24-летний шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус исследовал минерал, известный теперь под названием церит. В этом минерале была обнаружена иттриевая земля и ещё одна редкая земля, очень похожая на иттриевую. Её назвали цериевой. В 1826 г. Карл Мозандер исследовал цериевую землю и заключил, что она неоднородна, что в ней, помимо церия, содержится ещё один новый элемент. Доказать сложность цериевой земли Мозандеру удалось лишь в 1839 г. Он сумел выделить новый элемент, когда в его распоряжении оказалось большее количество церита.

---