Скандий

скандийЭтот серебристый металл почти так же легок как алюминий, а плавится при темпе­ратуре, немногим меньшей, чем сталь.

Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в со­рок раз дороже золота.

До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «без­работных» элементов Периодической систе­мы. Ныне с его помощью решена одна из важных проблем вычислительной техники.

Экабор Менделеева

17 февраля 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев разослал в научные учреждения России и других стран первое изображение «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это был отдельный листок, мало похожий на известную теперь всему миру Менделе­евскую таблицу.

Таблица появилась двумя годами позже.

В 1871 г. ее клетки, предназначенные для двадцать первого, тридцать первого и три­дцать второго элементов, занимали вопросительные знаки. Но, как и в других клетках, рядом с ними стояли цифры атомных весов еще не открытых элементов.

Элемент № 21 Менделеев предложил предварительно назвать экабором, «произ­водя это название от того, что он следует за бором, а слог ЭКА производится от сан­скритского слова, означающего один». Два других получили названия экасилиция и экаалюминия. В том же 1871 году в статье, опубликованной в журнале Русского хими­ческого общества, Менделеев подробно описал свойства всех трех «эков».

«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…»

Открытие экабора произошло еще при жизни Д. И. Менделеева, в 1879 году. Швед­ский химик Ларе 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 — своей родины — 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 отде­лись этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей.

Сравнительно чистый металлический скандий (94—98%) был получен лишь в 1937 году.

Не так редок, как рассеян…

Почти полвека потратили ученые на вы­деление элемента № 21. Почему это про­изошло? Содержание скандия в земной коре составляет 0,0006%. Это значит, что его почти в три раза меньше, чем свинца, но в сто двадцать раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собствен­ные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких про­центов, а скандий 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 сорок лет, с 1911 по 1952 год, на норвежских рудниках было добыто всего 23 килограмма тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышен­ным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности, добыча тсртвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла… 50 килограммов. Немногим ча­ще встречаются и другие богатые скандием минералы — стереттит, 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 чешскими учеными Ф. Петру, Б. Гаеком и В. Прохазкой.

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 температуре 600—700° С. В результате получают светло-розовый по­рошок окиси скандия с довольно значитель­ными примесями твердой кремневой кис­лоты и различных окислов, в первую очередь, — мокиси 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 температуре 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. Чтобы переход Sс2O3 в SсF3 был полным, реакцию проводят дважды.

Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металличе­ского кальция. Процесс начинается при тем­пературе 850° и идет в атмосфере инерт­ного газа — аргона. Затем температура повышается до 1600°. 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 процентов 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 последние годы 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 сороковых годах всю миро­вую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций. В 1961 г. вышла книга Л. Ф. Борисенко «Скандий. Основные черты геохимии, минералогии, генетические типы месторождений», а в 1963 г. советские ученые Б. И. Коган и В. А. Названова, впервые обобщив данные мировой науки об этом элементе, выпустили обширную монографию «Скандий (эконо­мический анализ)». Разговор об экономике скандия стал возможным и даже необходи­мым благодаря многочисленным экспери­ментам, открывшим замечательные свой­ства скандия и его соединений.

Блеск и нищета єлемента № 21

Чем же ценен скандий?

Прежде всего, он обладает редким со­четанием высокой теплостойкости с лег­костью. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а темпера­тура плавления этого металла —1539 граду­сов Цельсия. Удельный вес 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°, на 90 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 и была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказа­лась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия многократно увеличива­ли ее стоимость.

Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чу­гуну, стали, титано-аллюминиевым 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…

Искали применения скандию и в ядер- ной технике, и в химической промышлен­ности, но в каждом случае многозначные цифры, цены сводили на нет достоинства элемента № 21. Отсюда, конечно, не сле­дует, что эти работы были бесполезными. Напротив, они имели исключительно важ­ное значение, так как помогали выяснить, при каких условиях в настоящем и будущем применение скандия было бы целесообраз­ным.

В последние годы стоимость скандия, его соединений и сплавов постепенно уменьшается. Если в 1959 г. килограмм окиси скандия стоил в США от 15 до 30 ты­сяч долларов, то через год — уже меньше девяти тысяч. Металлический скандий в это же время стоил соответственно 70 и 45 ты­сяч долларов. Однако и нынешние цифры трудно назвать иначе, как астрономиче­скими.

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…

Скандий и математика

Совершим краткий экскурс в один из разделов вычислительной техники.

Важнейший узел любой электронной вы­числительной машины — это «запоминаю­щее» устройство. Его роль сводится к тому, чтобы накапливать в машине поступающую информацию.

Вид «запоминающего» устройства во многом определяет тип всей машины. У разных машин оперативная «память» раз­ная. В одних ее функции выполняют элект­ронно-лучевые трубки, в других основой «запоминающего» устройства служат ферритовые ячейки, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса. Этот тип оперативной «памяти» наиболее распространен и вот по­чему: ферритовая «память» более надеж­на; кроме того, она хранит полученную ин­формацию неограниченно долго, не требуя на это затрат энергии.

Как и большинство устройств электрон­ной вычислительной машины, магнитная «память» работает по принципу «да — нет»: либо сигнал имеется, либо отсутствует. Если через обмотку ферритового сердеч­ника подать положительный сигнал, то сер­дечник намагнитится в одном направлении, если отрицательный — в противоположном направлении. При снятии сигнала ферритовый сердечник остается намагниченным, причем направление намагниченности сох­раняется. Состояние сердечника будет характеризовать записанный сигнал. Как про­честь его?

Через обмотку ферритовой ячейки по­дается сигнал определенной полярности, например, положительной. Если направление магнитного потока, создаваемого сигналом, противоположно направлению магнитного потока в сердечнике, произойдет его перемагничивание, и в выходной обмотке возник­нет электродвижущая сила. Если же маг­нитные потоки сигнала и сердечника совпадают по направлению, то на выходной об­мотке сигнал не возникнет. Таким образом отличают, какой сигнал был записан в данной ячейке. Естественно, что чем больше перемагничиваний могут выдержать в единицу времени ферритовые ячейки, тем выше быстродействие машины. Обычно ферриты, применяемые в системах магнитной памя­ти, изготовляют из окислов железа, магния и марганца, и они обладают остаточной индукцией примерно 2000—3000 гаусс. Они способны перемагничиваться примерно 300 тысяч раз в секунду, т. е. ежесекундно передавать 300 000 единиц информации. При большей частоте перемагничивания они бы­стро разогреваются и теряют свои замеча­тельные магнитные свойства.

В связи с колоссальной сложностью задач, которые приходится решать элект­ронно-счетным машинам, эта скорость стала недостаточной. Появилась потребность в новых ферримагнитных материалах, кото­рые позволили бы увеличить быстродей­ствие электронных машин. Советские физи­ки Д. Е. Бондарев и Ю. В. Басихин задались целью разработать ферриты с пониженной остаточной индукцией, которые можно бы­ло бы изготовлять, не изменяя существую­щей технологии.

Теоретические исследования показали, что величина остаточной магнитной индук­ции феррита зависит от заполненности электронами 3d и 4s подслоев электронных оболочек у ионов окислов, входящих в фер­рит. Это позволило выяснить, окислы каких элементов следует добавлять в феррит, чтобы понизить его остаточную индукцию. Наиболее эффективной добавкой оказалась окись скандия.

Началась серия опытов. В разных коли­чествах окись скандия добавлялась в мате­риал ферритовых сердечников. Испытыва­лись различные композиции, но технология приготовления ферритов новых марок почти не отличалась от традиционной. Через год были получены ферриты, индукция кото­рых не превышала 800—1000 гаусс. Это в 3 раза меньше, чем у обычных! Поэтому же намного уменьшился разогрев сердечников при высокочастотном перемагничивании что позволило создать систему магнитной па­мяти в два-три раза более быстродействую­щую, чем обычные. Такая память меньше реагирует на помехи и работает со много раз надежнее.

Так начался путь скандия в технику будущего.

Инженер В. Станцо

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>