2. 9. Получение металлического скандия

Впервые металлический скандий получен Фишером в 1937 г. при электролизе безводного ScCl₃в эвтектическом расплавеKCl–LiClпри 700–800˚С на жидкомZn-катоде (химически чистом). Скандий был получен в виде сплава с цинком (2 %Sc). Из сплаваZnотгоняли в вакууме. В результате получен губчатый скандий чистотой 94-98 %, содержащий в виде основных примесейFeиSi.

В настоящее время металлический скандий получают электролизом расплава хлорида или металлотермией, используя в качестве исходных веществ безводные ScCl₃иScF₃. Восстановление проводят в инертной атмосфере, используя кальций (реже магний):

2ScCl₃+ 3Ca= 3CaCl₂+ 2Sc.

Процесс обычно проводят в тиглях из тугоплавкого металла (WилиTa), иногда в графитовых тиглях, выложенных внутри молибденом. В связи с тем, что скандий и шлак разделяются при 1500-1600˚С (по некоторым данным при 1650˚С), фторид скандия восстанавливают в начале при 850˚С, повышая температуру в конце процесса до 1600˚С. После отделения от шлака металл переплавляют в вакууме (10^-5 мм рт. ст.) для удаления остатков летучих примесей. Сохраняя тот же вакуум, возгоняют скандий при 1650-1700˚С. Общий выход чистого металла достигает 95 %. В некоторых случаях в слитках скандия содержится от 3 до 12 %Ca. Очищать от него скандий рекомендуется вакуумной дистилляцией при 1650-1700˚С и 10^-5мм рт. ст. Выход металла достигает 95 % при чистоте более 99 %. Для снижения загрязнения танталом рекомендуется добавлять металлы, образующие со скандием сплавы и дающие тем самым возможность вести восстановление при более низких температурах. При магнийтермическом восстановлении берут избыток магния для образования сплаваMg-Sc. При восстановлении кальцием в связи с тем, что сплава со скандием не образуется, вводят цинк, дающий сплав с содержанием 60 %Sc. Для понижения температуры плавления шлака вводятLiF. Схема восстановления

2ScF₃ + 3Ca + 8Zn + 12LiF = 2(Sc·4Zn) + 3(CaF₂·4LiF).

Процесс ведут в аргоне при 1100˚С. Из сплава цинк и примесь кальция отгоняют в вакууме. Полученную Sc-губку переплавляют в другой печи с водоохлаждаемым медным поддоном.

Восстанавливая хлорид скандия кальцием в атмосфере аргона при 900˚С, можно получить металл загрязненный Ca,CaCl₂,CaO,Si,ScCl₃. Указанные примеси, за исключением кремния, отмываются водой. Кремний отделяют обработкой 10 %-ным растворомNaOH. Высушенный на воздухе, а затем в вакууме (10^-4мм рт. ст.) металл после плавления в вакууме (10^-5–10^-6мм рт. ст.) при 500–600˚С имеет чистоту 97–97,5 %. Более высокая степень чистоты (> 99 %) достигается дистилляцией при 1500-1600˚С в вакууме (10^-5–10^-6мм рт. ст.).

Предложено получать чистый скандий электролизом расплава фторскандиата натрия, в котором растворено 2 % Sc₂O₃, при 800˚С в атмосфере аргона. Выделяющийся металл непрерывно механически отделяют, добавляя в электролит необходимое количество фторскан-диата натрия и оксида скандия.

2. 10. Области применения скандия

В настоящее время оксид скандия используется в качестве добавки к ферритам на основе оксидов магния марганца и железа (в вычислительной технике), радиоактивный изотоп скандия ⁴⁶Scв виде «меченого атома» применяют в химических, металлургических, океанографических и других процессах, металлический скандий – компонент легких, прочных и коррозионно устойчивых сплавов (Sc-Mg,Sc-Al,Sc-Ti) и нейтронный фильтр в ядерной технике. Добавка скандия в чугуны и стали существенно повышает их жаропрочность и твердость. Карбид скандия значительно повышает твердость карбидов титана. Рассматривается возможность использования соединений скандия в квантовых генераторах, полупроводниковой технике, электронике, светотехнике, стекольной промышленности (оптические стекла) и в качестве огнеупорных материалов.

Скандий остается одним из наиболее дорогих металлов. Стоимость скандия существенно зависит от его чистоты.