Элемент: скандий (Scandium)
Химический символ: Sc
Порядковый номер: 21
Год открытия: 1879
Стандартная атомная масса: 44.955908(5
Температура плавления: 1814К
Температура кипения: 3109К
Плотность при стандартных условиях: 2.985 г/cм3
Число стабильных изотопов: 1
Кристаллическая решётка: плотноупакованная гексагональная кубическая
(при 1336 градусах Цельсия трансформируется в объемно-центрированную кубическую)
Конечно же, в контексте Года Периодической таблицы, скандий имеет особое значение – ведь он – один из трех элементов, предсказанных Менделеевым и открытых вскоре после предсказания. Сам Дмитрий Иванович назвал его экабором. Очень часто приходится читать о том, что Менделеев предсказал – но почти нигде не приводится сам первоисточник. Давайте же восполним этот пробел и напишем слова самого ученого из текста «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов».
«В ряду наиболее обыкновенных элементов яснее всего поражает недостаток большого числа аналогов бора и алюминия, т. е. элементов, относящихся к III группе, а именно, несомненно, что недостает элемента из этой группы, следующего тотчас за алюминием и долженствующего находиться в четном, а именно, во втором ряду вслед за калием и кальцием. Так как атомный вес этих последних близок к 40 и так как затем в этом ряду следует элемент из IV группы, титан — Ti = 50, то атомный вес этого недостающего элемента должен быть близок к 44.
Так как этот элемент принадлежит к четному ряду, то он должен представлять более основные свойства, чем низшие элементы III группы, т. е. чем бор и алюминий, т. е. его окись R2O3 должна быть основанием более энергическим, чему доказательством служит уже и то, что и окись титана TiO2 обладает свойствами весьма слабой кислоты и даже представляет уже многие признаки ясных оснований.
Но основные свойства окиси этого металла должны быть еще слабы, подобно тому, как слабы основные свойства окиси титана; сравнительно же с глиноземом эта окись должна представлять более резкий основной характер, а поэтому, вероятно, она не будет образовывать прочного, водою не разлагаемого, соединения со щелочами, а с кислотами будет образовывать постоянные соли; во всяком случае, аммиак ее растворять, конечно, не будет, но может быть, гидрат и будет растворим слабо в едком кали, хотя это последнее и представляется еще сомнительным потому именно, что этот элемент относится к четному ряду и к группе элементов, окиси которых содержат небольшое количество кислорода.
Элемент этот предлагаю предварительно назвать экабором, производя это название от того, что он следует за бором, как первый элемент четных групп, слог «эка» производится от санскритского слова, означающего «один», Eb = 44.
Экабор в отдельности должен представлять металл, имеющий объем атома около 15.
<…>
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 повышении температуры разложит, подобно тому как это производят многие в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел.
Он будет, конечно, растворяться в кислотах. Хлористое соединение его EbCl3 (может быть Eb2Cl6) должно представлять вещество летучее, но своеобразное, так как отвечает основному окислу. Вода будет на него действовать подобно тому, как она действует и на хлористые соединения кальция и магния, т. е. хлористый экабор образует тело гигроскопическое и с водою могущее выделять хлороводород, но не обладающее хлорангидридным характером.
<…>
Окись экабора Eb2O3 должна быть веществом нелетучим, вероятно, и неплавким, в воде нерастворимым, потому что даже и окись кальция в воде мало растворима, — а в кислотах, однако, растворяющимся.
<…>
Будучи основанием довольно энергическим, эта окись должна представлять собой малую склонность к образованию квасцов, хотя, вероятно, она и даст квасцеобразное соединение, т.е. двойную соль с сернокалиевою солью. Металлоорганических соединений экабор, конечно, не образует, точно так, как ни один из элементов четных рядов». [1]
Просим прощения у читателей за столь пространную цитату, но удивительно – насколько точным оказалось предсказание Менделеева. Ну разве что с металлоорганическими соединениями он ошибся. Но до открытия ферроцена (а скандий образует именно сэндвичевые соединения с циклопентадиениловыми лигандами) оставалось еще более 80 лет.
Рудник близ Иттербю. Фото: Wikimedia Commons
Сама же история 21 элемента Периодической системы начинается за семь с лишним десятилетий до создания самой таблицы Менделеева на самом севере Европы. В 1787 году на остров Ресарё в Швеции прибыл будущий знакомец Лавуазье, артиллерист и ученый, химик Королевского шведского монетного двора тридцатилетний лейтенант Карл Аксель Аррениус (не путать с соперником Менделеева Сванте Аррениусом). Именно на этом острове, на руднике близ деревушки Иттербю, впоследствии ставшей знаменитой для всех химиков – ее имя запечатлится в четырех элементах таблицы Менделеева – Аррениус нашел неизвестный черный минерал. И назвал его иттербитом. Самому тщательно исследовать находку Аррениусу и его другу Бенгту Гейеру было то ли лень, то ли это было не его, то ли он вообще спешил в Париж поработать с Лавуазье (их знакомство состоялось в том же 1787 году)…
Гадолинит. Фото: WesternDevil/Wikimedia Commons
Тем более, что вообще командировка Аррениуса на Ресарё состоялась не по научной, а по военной части – он изучал окрестности Иттербю на предмет устройства там фортификационных сооружений.
В общем, так или иначе, а минерал «иттербит» был отослан финскому химику Юхану Гадолину, который очень тщательно изучил и в 1794 году постановил, что минерал содержит 38%неизвестной «земли». Теперь мы знаем, что так состоялось открытие иттрия. Потом в гадолините – так переименовали минерал со временем – обнаружили еще три элемента, названные в честь шведской деревушки: эрбий, тербий и иттербий.
Финская почтовая марка, посвящённая Юхану Гадолину. Фото: Wikimedia Commons
Но наша статья – не про эти элементы. В 1879 году еще один швед, Ларс Фредрик Нильсен, «внучатый ученик» Берцелиуса (талант Нильсена к химии распознал бывший студент Берцелиуса, профессор Ларс Сванберг) выделил из двух минералов, гадолинита и эвксенита еще одну «землю» – оксид нового, неизвестного на тот момент элемента [2].
Ларс Нильсен. Фото: Wikimedia Commons
Швед Нильсен предложил не мелочиться, и назвать новый элемент в честь всей Скандинавии. Удивительно, но Нильсен, по всей видимости, был вообще не в курсе предсказания Менделеева. На поразительное сходство скандия и экабора обратил внимание швед Пер Теодор Клеве (и сразу после этого сам открыл два элемента – гольмий и тулий).
Пер Теодор Клеве. Фото: Wikimedia Commons
Посудите сами – насколько точным оказалось предсказание Менделеева. И, хотя его провидческий научный дар уже торжествовал победу после открытия галлия, второй успех был не менее впечатляющим.
| Экабор | Скандий |
| Атомный вес 44. | Атомный вес 44,1. |
| Молекула окиси состоит из двух атомов экабора и трех атомов кислорода. | Молекула окиси состоит из двух атомов скандия и трех атомов кислорода. |
| Удельный вес окиси 3,5. | Удельный вес окиси 3,86. |
| Окись нерастворима в щелочах. Соли бесцветны. | Окись нерастворима в щелочах. Соли бесцветны. |
| Углекислый экабор нерастворим в воде. | Углекислый скандий нерастворим в воде. |
| Кристаллы двойной сернокислой соли экабора и калия по форме непохожи на квасцы. | Кристаллы двойной сернокислой соли скандия и калия по форме непохожи на квасцы. |
| Едва ли может быть открыт спектральным анализом. | Не был открыт спектральным анализом. |
Долгое время скандий не находил себе применения. Во-первых, его было выделено слишком мало (на самом деле, скандий скорее рассеянный, чем редкий металл – чуть ли не единственный основной минерал скандия-иттрия – это их силикат торвейтит (Sc,Y)2Si2O7, который добывают в небольших количествах на Мадагаскаре.
Торвейтит. Фото Rob Lavinsky, iRocks.com/Wikimedia Commons
Еще менее известен кольбекит ScPO4·2H2O, фосфат скандия.
Кольбекит. Фото Rob Lavinsky, iRocks.com/Wikimedia Commons
Чаще скандий получают как примесь к другим минералам – флюориту, касситериту, вольфрамиту и так далее, где его обычно менее процента.
В среднем в год в мире добывается всего 15 тонн скандия, в основном – в форме оксида. На 2003 год в мире было всего три месторождения, где скандий разрабатывали промышленно – в Китае, на Украине и на Кольском полуострове, в России (Апатиты). Цена чистого металла кусается – в 2010 году килограмм стоил до 15 000 долларов (оксид – в два раза меньше).
А применений у скандия достаточно много – и все в основном высокотехнологические и даже порой военные.
Например, алюминиево-скандиевый сплав (от 0,1 до 0,5 процента скандия) используется в аэрокосмической отрасли [3]. Знаменитые российские истребители МиГ-29 несут в себе достаточно скандия. Впрочем, дорогие и пафосные бейсбольные биты тоже делают из него. А в 2014 году вышла статья, описывающая новый сплав: Al20Li20Mg10Sc20Ti30[4]. Этот высокоэнтропийный нанокристаллический сплав прочнее титана и легче алюминия. О цене статья умалчивает.
МиГ-29. Фото: Wikimedia Commons
Кроме этого, скандий нашел себе применение и в лампах: металл-галогенидные лампы, если в них добавить йодид скандия, будут иметь спектр излучения очень похожий на дневной свет. Как итог: около 80 килограммов мировой добычи скандия ежегодно уходит на осветительные приборы.
Ну а для квантовых химиков скандий примечателен именно как 21-й элемент. Потому что это – первый d-элемент в таблице Менделеева. Добро пожаловать на новый уровень!
Текст: Алексей Паевский
Литература:
1.Менделеев Д. И. Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов // Журнал Русского химического общества. — 1871. — Т. III. — С. 25—56.
2. Nilson, Lars Fredrik (1879). “Sur l’ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac”. Comptes Rendus (in French). 88: 642–647.
3. Zakharov, V. V. (2003). “Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys”. Metal Science and Heat Treatment. 45 (7/8): 246.
4. Youssef, Khaled M.; Zaddach, Alexander J.; Niu, Changning; Irving, Douglas L.; Koch, Carl C. (2015). “A Novel Low-Density, High-Hardness, High-entropy Alloy with Close-packed Single-phase Nanocrystalline Structures”. Materials Research Letters. 3 (2): 95–99. doi:10.1080/21663831.2014.985855.
