Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий - Коллектив авторов

«Экабор, — писал он, — в отдельности должен представлять металл… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных 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…»

Ларс Фредерик Нильсон (1840–1899) — шведский химик, один из «укрепителей» периодического закона, первооткрыватель скандия. Предсказанный Менделеевым скандий был открыт Нильсоном в 1879 г. Нильсон установил также правильное значение атомного веса бериллия, что позволило найти место этому элементу во II группе периодической системы 

Открытие экабора произошло еще при жизпи Д. И. Менделеева, в 1879 г. Шведский химик Лapc 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 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 отделить этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей.

Сравнительно чистый металлический скандий (94–98%) был получен лишь в 1937 г.

Не так редок, как рассеян…

Почти полвека потратили ученые на выделение элемента № 21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 2,2∙10–3%. Это значит, что в земле его немного меньше, чем свинца, но почти в 500 раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандии 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 40 с лишним лет, с 1911 по 1952 г., на норвежских рудниках было добыто всего 23 кг тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности добыча тортвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла… 50 кг. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы — стерреттит, кольбекит, больцит.

Зато 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. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чехословацкими учеными.

Первая стадия — обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твердый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем ее высушивают и прокаливают в газовой печи при 600–700°С. В результате получают светло-розовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твердой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь окиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо — методом эфирной экстракции.

Затем следует еще серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.

Очищенную окись скандия еще раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при 1100°С и превращают в окись.

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 NH4F∙HF. Чтобы переход Sc2O3 в ScF3 был полным, реакцию проводят дважды.

Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при 850°С и идет в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600°С. Полученный металлический скандий и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем — от 3 до 5% тантала.

Последняя стадия очистки — вакуумная дистилляция. Температура 1650–1750°С, давление 10-5 мм ртутного столба. После окончания операции в слитке будет около 95% скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99% — еще более сложный многоступенчатый процесс.

Несмотря на это, ученые идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последнее время 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 40-х годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций.

Блеск и нищета элемента № 21

Чем же ценен скандий?

Прежде всего он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°С. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539°С. Плотность 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°С, 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 была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость.

Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титано-алюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в алюминий увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав…

Так выглядят скандийсодержащие ферриты. Чтобы дать представление об их размерах, ферриты сфотографировали рядом с монетой. Металлический рубль, а не копейка, выбран не случайно: он как бы напоминает, что скандий до сих пор остается одним из самых дорогих металлов 

Искали применения скандию и в ядерной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры цены сводили на нет достоинства элемента № 21.

Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным. У этого невзрачного, очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но…

С середины 60-х гг. окись скандия используют в составе ферритов для элементов памяти быстродействующих вычислительных машин некоторых типов. Получают окись скандия при комплексной переработке бокситов, оловянных, урановых, вольфрамовых и титановых руд.

Сам же скандий (и сплавы на его основе) по-прежнему остается металлом будущего: хорош, конечно, но слишком дорог. Впрочем, специалисты не исключают, что этому металлу в будущем удастся пройти тот же путь, который во второй половине XX в. прошел его сосед по менделеевской таблице — титан.

СРАВНИТЕ:

Менделеев предсказал в 1870–1871 гг.

Экабор

Атомный вес 44.

Молекула окиси состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода.

Удельный вес оклей 3,5.

Окись нерастворима в щелочах.