Скандий элементі

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 18 бет
Таңдаулыға:

Кіріспе

1
Әдеби шолу

1.1
Скандий туралы жалпы мәліметтер, атомдық, химиялық және физикалық асиеттері

1.2
Скандийдің химиялық қасиеттері

1.3
Скандийдің табиғатта таралуы және қосылыс түрлері

1.4
Скандийдің геохимиясы

1.5
Скандий сорбциялық тәсілінің теориялық негіздері

Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .

Қосымша (лар)

Интерполимерлік жүйеден скандий иондарын десорбциялау ерекшеліктері.

Кіріспе

Қазақстан Республикасында сирек кездесетін металдардың бірегей қорлары бар. Уран, титан, цирконий, көмір, фосфор, алюминий кен орындарында скандий, иттрий және СЖМ өнеркәсіптік маңызы бар [1]. Сирек жер металдары табиғи шикізатта өте төмен құрамымен сипатталады, бұл оларды алудың арнайы әдістерін анықтайды.
Табиғи немесе техногендік шикізаттың қышқылдық немесе сілтілі ашылуынан кейін технологиялық тізбек барысында СЖМ-ның біртіндеп шоғырлануы жүреді, ол үшін әртүрлі әдістер қолданылады - экстракция, ион алмасу, тұндыру. Бұл процесс барысында барлық СЖМ-дан тұратын 60-70% концентрат алынады. Әрі қарай концентратты жеке фракцияларға немесе жеке заттарға бөлгеннен кейін олар мұқият тазартылады. Тауарлық өнімдер-сирек жер металдарының оксидтері немесе карбонаттары, скандий, иттрий болып табылады [2].
СЖМ өндіру технологиясындағы маңызды рөл бөлу және шоғырландыру әдістеріне беріледі және олардың алуан түрлілігіне қарамастан экстракция мен тұндыру негізгілері болып табылады. Айта кету керек, бұл әдістер көп сатылы нұсқада қолданылады, егер әдістер біріктірілсе, қанағаттанарлық нәтижелерге қол жеткізуге болады. Катион алмасу және бейтарап реагенттер СЖМ-дың өнеркәсіптік экстрагенттері ретінде қолданылады. Бейтарап экстрагенттерден трибутилфосфат (ТБФ) кеңінен қолданылады, ол СЖМ-ды бейтарап және жоғары қышқылды нитрат ерітінділерінен алады.
Тақырыптың өзектілігі:
Соңғы жылдары ғылымды қажетсінетін инновациялық технологиялардың дамуы сирек жер элементтерін өндіру және пайдаланумен байланысты. Осы элементтердің ішінде стратегиялық материал болып табылатын скандий ең кіші атомдық массасымен ерекшеленеді, бұл оны авиация және кеме жасау өнеркәсібі үшін жеңіл алюминий қорытпаларында, сондай-ақ беріктігі жоғары спорт өнімдерін өндіруде қолдануға әкеледі.
Зерттеудің мақсаты: Интерполимерлік жүйеден скандий иондарын десорбциялау ерекшеліктерін зерттеу.
Зерттеу міндеттері:

1 Әдеби шолу
1.1 Скандий туралы жалпы мәліметтер, атомдық және физикалық асиеттері

Скандий (лат. Scandіum; Sc) -- элементтердің периодтық жүйесінің ІІІ тобындағы химиялық элемент. Бір тұрақты табиғи изотопы 45Sc бар. Радиоактивті изотоптары жасанды жолмен алынған. Д.И. Менделеев алдын ала болжаған элемент (1870). Сді 1879 ж. швед химигі Л.Ф. Нильсон (1840 -- 99) алғаш рет Скандинавиядан табылған гадолонит пен эвксенит минералдарынан бөліп алған, сондықтан элемент "Cкандий" деп аталды. Табиғатта тау жыныстарының құрамында кездеседі. Жер қыртысындағы нағыз шашыранды элемент.
Скандий - бөліп алу, тазарту және қалпына келтірудің күрделі металлургиялық процестеріне байланысты қымбат металл болып табылады . Ол жоғары беріктігі бар алюминий қорытпаларында, қатты оксидті отын элементтерінде, электроникада және лазерлік технологияда кеңінен қолданылады. Құрамы аз болғандықтан, скандий әдетте қалдықтарды өңдеуде жанама өнім ретінде уран өндірісінің ерітінділері және титан пигментін өндіру қалдықтары, ильменитті хлорлау қалдықтары, вольфрам мен қызыл шламды қайта өңдеу қалдықтары сияқты әртүрлі көздердің қалдықтарынан бөлінеді [5]. Скандий өндірудің перспективалы көздерінің қатарына уран кендерін өңдеудің өнеркәсіптік өнімдері - уранды жерасты шаймалау (ЖШ) ерітінділері жатады.

Кесте 1
Скандийдің атомдық қасиеті

Атауы, символ, нөмірі
Скандий, 21
Топ типі
Ауыр металдар
Топ, период, блок
3, 4, d
Атомдық масса
(молярлық масса)
44.955908(5) м. а. б. (гмоль)
Электрондық конфигурация
[Ar] 3d1 4s2
Қабықшалар бойынша электрондар
2, 8, 9, 2
Атом радиусы
162 пм

Сирек жер металдарының (с.ж.м.) асқын өткізгіштік, ферромагнетизм, жылу нейтрондарын ұстаудың үлкен қимасы және т. б., ерекше қасиеттерінің ашылуына, сондай-ақ сирек жер металдарының көптеген қорытпаларға тиімді легирлеуші әсерін орнатуға байланысты сирек жер металдарына деген қызығушылық артып келеді.
Сирек жер металдары өздерінің аналогтары - иттрий және скандиймен бірге Д.И.Менделеевтің периодтық жүйесінің алтыдан бір бөлігін құрайды. Жақында олар зертханалық сирек кездесетін жағдай болатын. Қазір жағдай түбегейлі өзгеруде. Титан, ниобий, тантал, торий өндірісінің артуына байланысты минералдық шикізатта олармен бірге жүретін сирек жер металдарын ұтымды пайдалану мәселесі туындады. Сирек жер өнеркәсібі қазірдің өзінде құрылды және кең ауқымда жеке сирек кездесетін металдарды, олардың қосындысын (мишметалл), темір (ферроцерий) және басқа металдармен лигатураларды, сондай-ақ сирек кездесетін металдардың оксидтері мен басқа қосылыстарын шығарады.

Сурет 1. Скандий элементі

Сирек жер металдары зертханалық зерттеулер мен зауыттық жұмыстардың объектісіне айналды. Бұл өз кезегінде олардың физика-химиялық қасиеттерін зерттеу және сирек кездесетін металдар мен олардың қорытпаларын қолданудың жаңа бағыттарын іздеу бойынша ғылыми зерттеулердің кеңеюіне әкеледі.
Скандий-өзіне тән сары реңктері бар күміс металл, олардың арасында төмен тығыздық пен жоғары балқу температурасының үйлесімімен ерекшеленетін жеңіл металдар тобына жатады. Ол екі кристалды модификацияда тұрады.
Кәдімгі температурада ол гексагональды сингонияда кристалданады (а-модификация, валенттік байланыстар s- және d-сипаттарға ие, s-электрондардың байланысқа қатысуы 20%-дан аспайды және әртүрлі авторлардың пікірінше, келесі мәндермен бағаланады: 0-20% , ~2% және 2,4-15%. Гексагональды торда скандий жиіліктерінің саны 6, ең қысқа Sc - Sc қашықтығы 0,33085 нм-ге тең, а-скандий жоғары қысымда да тұрақты 140 кбар. Қысымның 333,3 кбарға дейін көтерілуі тетрагональды модификацияға әкелді 1 337-1 350° С-тан жоғары көлемді орталықтандырылған текше торы бар 3-модификация бар.
(ScN) қоспаларының қатысуымен бүйірлі орталықтанған текше тор табылды. Металлдық скандийге тән қасиеті оның вакуумдағы ұшқыштығы (10-3-10-6 мм.сын.бағ.) айтарлықтай 1400°С-тан жоғары болып табылады. Металлдық скандийдің қасиеттерін көптеген авторлар егжей-тегжейлі зерттеген.
Физикалық, физика-химиялық және механикалық қасиеттерін зерттеу нәтижелерін жалпылау, оларды талдау, шолу жұмыстарында ұсынылған. Қазіргі уақытта электрлік және магниттік қасиеттері (электр кедергісі, асқын өткізгіштік, термоэлектрлік қозғаушы күш, Холл эффектісі, магниттік сезімталдық және т.б.), жылу кеңеюі туралы сенімді ақпарат бар, олар оны өзіндік ерекшеліктері бар типтік металл ретінде сипаттайды. Оның асқын өткізгіштігі жоқ, айтарлықтай эмиссиялық қабілеті бар, оның SC2 молекуласы диамагнитті, ал кристалды күйінде ол әлсіз парамагниттік, төмен температурада антиферромагниттік. Скандий монокристалдары үшін жылу өткізгіштік сипаттамаларында, электрлік және магниттік қасиеттерде айқын көрінетін анизотропия анықталды. Соңғы кездері электронды қасиеттерге және скандийдің электронды құрылымы мен қасиеттері арасындағы байланысты анықтауға, магниттік сипаттамаларды зерттеуге көп көңіл бөлінді.
Белгілі болғандай, элементтердің химиялық және кейбір физикалық қасиеттері ең алдымен сыртқы электрондық деңгейлердің құрылымымен анықталады. Сирек жер металдарының қасиеттерінің жақындығы олардың электрондық құрылымының ерекшеліктерімен түсіндіріледі. Ядро заряды ұлғайған сайын (реттік саны ұлғайған сайын), лантанид атомдарының екі сыртқы электрондық деңгейлерінің (O және P қабықтары) құрылымы дерлік өзгеріссіз қалады, өйткені қосымша электрондар тереңірек 4- деңгейін толтырады.
Әдебиеттерде сирек жер металдарды екі топшаға бөлу қабылданған - церий (церийден гадолинийге дейін) және иттрий (тербийден лютецийге дейін). Кейбір жағдайларда лантан церийдің кіші тобына жатады. Алайда, лантанды сирек жер металдар деп санауға болмайды, өйткені оның құрамында 4- электрон жоқ.
Үшінші топта ең көп элементтер бар, оларға скандий Sc, иттрий Y, лантан La, церий Ce, празеодим Pr, неодим Nd, промидий [Pm], самарий Sm, европий Eu, гадолиний Gd, тербий Tb, диспрозий Dy, гольмий Ho, эрбий Er, тулий Tm, иттербий Yb, лютеций Lu кіреді. Одан әрі деңгейлерді толтыру сыртқы емес, ішкі деңгейлерден болады. Промидий төртбұрышты жақшаға алынған, өйткені оның табиғатта тұрақты изотоптары жоқ және нуклеосинтезден бастап ыдырап кетеді.

1.2 Скандийдің химиялық қасиеттері

Скандийдің иондық радиусы 0,75 А. Нәтижесінде ол магнийдің иондық радиусына тең болады. Диагональды қатар: Mg - Sc - Zn - Nb - W. Скандийдің иттриймен де байланысы бар. Итрийдің иондық радиусы үлкенірек (0,9 А). Mg-Sc байланысы скандийдің негізгі тау жыныстарының минералдары арасында таралуын тудырады. Ол пироксендердің құрамына кіреді және осылайша когерентті элемент болып табылады.
Магмалық балқыманың эволюциясы кезінде скандий концентрациясы төмендейді, бірақ скандий - магний қатынасы артады. Яғни, ол магниймен бірге магмалық балқымадан шығарылады, бірақ магний сияқты қатты емес. Магний минералдарына (ал магний екі валентті) ену үшін скандийге зарядтардың орнын толтыру қажет. Бұл басқа элементтердің әртүрлі қосылуы арқылы жасалады. Осылайша, скандий жер қыртысын байытпайды және оның магмалық процестегі минералогиясы магний аз болған кезде ғана басталады. Бұл қышқыл жыныстар: граниттер. Кейбір элементтердің әрекеті мынандай: тортвейтит (скандий силикаты) гранитті пегматиттерде кездеседі.
Сол сияқты касситерит те скандиймен ауыстырылады. Сонымен қатар, скандийді циннвальдитке (грейзен слюда) қосуға болады. Гидротермиялық ерітінділердегі скандийді тасымалдаудың негізгі түрі фторидті кешендер болуы мүмкін. Бірақ скандий үшін фторид кешендері өте аз зерттелген, бірақ оны болжауға болады, өйткені тұздар бар.
Скандий кешендеріндегі тұздар, ең алдымен, фторлы кешендер. Олар фтор сумен араласқан постмагмалық процестерде жоғары температурада жұмыс істейді. Sc - Y байланысы біршама азырақ көрінеді. Sc-Zn-циркон құрамында скандийдің жоғары концентрациясы бар. Үгілу. Үгілу кезінде скандий гидролизат элементінің қасиеттерін көрсетеді және сулы ерітінділерде қозғалмайды. Ол тек жүзгін түрінде тасымалданады. Бұл төменгі шөгінділердің геохимиясында скандийден алынған терригенді шөгінділердің ешбір сумен тасымалданбайтын үлесін есептеу үшін қолданылады. Біз терригендік компоненттің үлесін оңай бағалай аламыз. Яғни, сулардағы скандий жүзгін түрінде болады, бұл жүзгін мұхитқа шығарылады, табиғи суларға тән РН диапазонында сулы ерітінділерде еріген скандий болмайды. Дегенмен, кейбір (экзогендік) процестерде біз скандийдің қозғалғыштығын көреміз.
Бұл фосфат ионына байланысты. Скандий фосфаттары гидроксидтерден де аз ериді. Мұнда бір қызық қасиет бар. Кейбір көмірлер, әсіресе мұнай тақтатастары скандиймен байытылған. Темір рудалары да скандиймен байытылған. Скандийдің органикалық заттармен байланысы: оның фосфат бар шөгінді темір кендерімен органикалық кешендері болуы мүмкін, бұл дегеніміз скандийді шөгінді процесте шоғырландырудың тағы бір әдісін ұсынады. Бұл шоғырландыру толық зерттелмеген.
Біз нақты скандийдің көмір күлін байытатынын және кейбір кен орындарында (Новомосковский көмір бассейні) күлді скандий өндіру үшін шикізат ретінде қарастыратын кейбір эмпирикалық дәлелдерді көреміз. Бірақ бұл іске аспады. Негізінен скандий вольфрамит пен касситерит кендерін өңдеу кезінде өндіріледі. Сондықтан бұл элемент кешенді түрде алынады. Таулы Алтайда үлкен тортвейтит кен орны бар, бірақ ол игерілмей жатыр. Скандий - көптеген гидролизаттар сияқты өмір үшін қол жетімсіз элемент. Оның биохимиялық процестердегі рөлі анық емес.
Скандий кейде сирек жер элементтеріне жатады, бірақ оның қасиеттері басқа элементтерден ерекшеленеді.

Кесте 1
Скандийдің химиялық қасиеттері

Химиялық қасиеттері
Ковалентті радиус
144 пм
Ван-дер-Ваальс радиусы
211 пм
Ион радиусы
(+3e) 72,3 пм
Электртерістілігі
1,36 (Полинг шкаласы)
Электродты потенциал
0
Тотығу дәрежелері
3
Иондалу энергиясы
1-ші:633.1 кДжмоль (эВ)
2-ші:1235.0 кДжмоль (эВ)
3-ші: 2388.6 кДжмоль (эВ)

Құрамында скандий бар минералдар бес класқа жатады - оксидтер, вольфрамиттер, карбонатиттер, фосфаттар және силикаттар. Скандийдің бес минералының ішінен тек кейде өз шөгінділерін құрайтын торвеититтің ғана өнеркәсіптік маңызы бар. Осы себепті Ресейде және бүкіл әлемде басқа пайдалы қазбалардың (Sn, W, Ti, U, Fe, P және т.б.) құрамында скандий бар рудаларды зерттеу және өнеркәсіптік игеру жүргізілді. Осылайша, скандий әдеттегі шашыраңқы элемент болып табылады, бірақ бірде бір шашыраңқы элементте скандий сияқты өнеркәсіптік және перспективалық минералды шикізат көздері жоқ.
Скандийді Нильсон гадолиниттен бөліп алып, Скандинавияның құрметіне аталған. 1937 жылы бұл металл алғаш рет тұзды ваннаның балқымасындағы скандий хлоридінің электролизі арқылы алынды. Қазіргі уақытта ол бірнеше жолмен алынады.
Бірінші кезеңде - вольфрам, қалайы, титан, уран кендері мен бокситтерді гидро-және пирометаллургиялық өңдеу кезінде фторидтер мен хлоридтердің бөлінуімен 700-800°С температурада хлорланған немесе фторланған оксид алынады. Скандийді қосылыстардан алу үшін электролиттік немесе металлотермиялық әдістер қолданылады. Электролиттік әдістерде скандий, литий және калий хлоридтерінің балқымасы электролит ретінде қолданылады немесе ерітінді балқытылған Na3ScF6 қолданылады. Металлометриялық әдіспен скандийді хлоридтен немесе фторидтен металл кальциймен немесе алюминиймен тікелей тотықсыздану арқылы алады. Скандий және оның қосылыстары экологиялық таза.
Скандийдің меншікті минералдары - Sc2 (Si207) тортвейтиті және scp042h20 стерреттиті сирек кездеседі және өнеркәсіптік маңызы жоқ. Скандий 0,005 - 0,3% Sc 203 мөлшерінде изоморфты қоспа түрінде болатын минералдарда жиі кездеседі. Құрамында скандий бар минералдар бес класқа жатады: оксид, вольфрам, карбонаттар, фосфаттар және силикаттар. Титан кендері.
Титан шикізатында скандий оксидінің мөлшері 0,1% құрайды (ильмениттер). Титан пигменттеріне ильменитті (жылына 3-5 миллион тонна) өңдеу ауқымын ескерсек, ильменитпен химиялық өндіріске түсетін скандий мөлшері жылына шамамен 30-50 тоннаны құрайды. Титанды ерітіндіден гидролитикалық бөлу арқылы титан шикізатын өңдеудің күкірт қышқылы әдісінде скандий негізінен гидролиздік целлюлозада қалады. Титан шикізатын тұзды балқымада хлорлау кезінде скандийдің көп бөлігі титан хлораторларының қалдық балқымаларында жиналады, онда оның мөлшері оксид бойынша 0,01 - 0,03% құрайды.
Титан өндірісінің қалдықтарынан скандий өндіру технологиясына шолу. ӨТМК АҚ тәжірибелік цехында титан хлораторларының қалдық балқымасынан скандий оксидін алу технологиясы тәжірибелік жағдайда сынақтан өтті. Экстракция әдісіне негізделген қабылданған технологиялық схема келесі негізгі кезеңдерден тұрады:
- скандий оксидін экстракциялау үшін шикізатты дайындау (балқымамен шаймалау және целлюлозаны дайындау);
-хлораторлардың қалдық балқымасының пульпасынан скандий жартылай өнімін қайта өңдеу;
- скандий жартылай өнімін скандийдің тауарлық оксидіне қайта өңдеу.

1.3 Скандийдің табиғатта таралуы және қосылыс түрлері

Қазіргі уақытта құрамында скандийі бар белгілі 120-дан астам минералдар бар. Құрамы бойынша олар қосылыстардың жеті класына жатады: силикаттар, оксидтер (қарапайым және күрделі), фосфаттар, карбонаттар, танталат-ниобаттар, вольфраматтар (молибдаттар), галогенидтер.
Олардағы скандий мөлшері 0,0001-6% аралығында ауытқиды, скандий иксиолитінде (танталит, (Fe, Mn)(Ta, Nb)20b, құрамында қалайы бар) бұл интервал 3-18,8 с.% Sc20 3 құрайды. Бір қызығы, атап айтқанда Sc20 3 жоғары болған кезде танталиттің ромбтық құрылымының моноклинге ауысуы байқалады, ал Sc20 3-тің 18,8 мас% сәйкес келетін стехиометриялық құрамы шамамен SC(Nb, ta)04 формуласына сәйкес келеді. Көп жағдайда скандийдің құрамы 0,3% - дан аспайды.
Табиғатта меншікті минералдардың саны шектеулі және соңғы мәліметтер бойынша 7 минерал сипатталады. Олардың саны аз және тек тортвейтит скандий шикізаты ретінде пайдаланылды. Тортвейтит SC2S12O7, теориялық құрамы (мае %): Sc20 3 -- 53,5; Si02 -- 46,5. Моноклинді сингония, пр. гр. d i m , а0 = 6,542, 60 = 8,519, со = 4,669А, 3 = 102°33', Z = 2, пл. 3,58, тв. 6-7. Алғаш рет Оңтүстік Норвегияның пегматиттерінде, содан кейін Мадагаскар аралдарының және Жапонияның пегматиттерінде, сонымен қатар Оралдағы Шилово-Коневский массивінің плиталарында, АҚШ-тың пневматолит-гидротермиялық флюориттік түзілімдерінде табылды. Минерал сирек кездеседі, бірақ скандий минералдары арасында жиі кездеседі. Тортвейтит құрамында 10% дейін Y20 3 және Yb, eg және Dy-дің айтарлықтай мөлшері бар. Оның ерекше қоспалары Al, fe, Be, Zr және Hf болып табылады.
Баццит Sc?Be3Si60]s (бериллдің әртүрлілігі), теориялық құрамы (%): Sc20 3 -- 24,0, ВеО -- 13,1, Si02 -- 62,9. Оның құрамында Na, K, cs, Mg, Mn, Fe, Al бар, SC20 3 құрамы 14,44%-ке дейін төмендейді. Сингония гексагональды, пр. гр. Р вmcc, а0 = 9,521, с0 = 9,165 A, Z = 2, пл. 2,8, тв. 6,5. Граниттерде (Бавено, Италия; Германия), пегматиттерде (Қазақстан) кездеседі, кварц, альбит, гематитпен (Швейцария) байланыстырылады. Джервесит(Na0i43Ca0,34, Fe ^ , Do,I 2) (Sco,66Feo^Mgo,i9)Si 20 6) синтетикалық NaScSi206-ның табиғи аналогы болып табылады.
Моноклинді сингония: пр. гр. С2с, а0 = 9,853, Ъ = 9,042, с0 = 5,312, 3 = 106°37'. Граниттерде (Бавено, Италия) кездеседі. Каскандит CaScShOafOH). Химиялық құрамы (%): Sc20 3 -- 14,14, СаО - 16,83, Na20 - 0,06, MgO - 0,20, MnO - 2,3, А120 3 - 0,11, Ti02 -- 0,08, Si02 -- 51,83, H20 -- 2,59. Үшклинді сингония: пр. гр. Р \, а0 = 7,529, Ъ = 7,051, ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.