SCANDIUM: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, REACȚII, RISCURI ȘI UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Scandiu este un metal de tranziție al cărui simbol chimic este Sc este primul dintre metalele de tranziție din tabelul periodic, dar este , de asemenea , una dintre cele mai puțin elemente comune de pământuri rare .; Deși proprietățile sale pot fi asemănătoare cu cele ale lantanidelor, nu toți autorii aprobă clasificarea în așa fel.

La nivel popular, este un element chimic care trece neobservat. Numele său, născut din mineralele de pământuri rare din Scandinavia, poate fi actual lângă cupru, fier sau aur. Cu toate acestea, este încă impresionant, iar proprietățile fizice ale aliajelor sale pot concura cu cele ale titanului.

Ultrapura probă elementară de scandiu. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

De asemenea, tot mai mulți pași se fac în lumea tehnologiei, în special în ceea ce privește iluminarea și laserele. Oricine a observat un far care radiază o lumină similară cu cea a soarelui, va fi martor indirect la existența scandiumului. În caz contrar, este un articol promițător pentru producția de aeronave.

Principala problemă cu care se confruntă piața de scandiu este aceea că este dispersată pe scară largă și nu există minerale sau surse bogate din aceasta; deci extracția sa este scumpă, chiar și atunci când nu este un metal cu abundență redusă în scoarța terestră. În natură se găsește sub formă de oxid, un solid care nu poate fi ușor redus.

Într-o mare parte a compușilor săi, anorganici sau organici, participă la legătura cu un număr de oxidare de +3; adică presupunând prezența cationului Sc ³⁺ . Scandiul este un acid relativ puternic și poate forma legături de coordonare foarte stabile cu atomii de oxigen ai moleculelor organice.

Istorie

Scandiumul a fost recunoscut ca un element chimic în 1879, de chimistul elvețian Lars F. Nilson. A lucrat cu minereurile euxenite și gadolinite cu intenția de a obține itriul conținut în ele. El a descoperit că există un element necunoscut în urmele lor, datorită studiului analizei spectroscopice (spectrul de emisii atomice).

Din minerale, el și echipa sa au reușit să obțină respectivul oxid de scandiu, un nume primit pentru că a colectat probele din Scandinavia; minerale care pe atunci se numeau pământuri rare.

Cu toate acestea, opt ani mai devreme, în 1871, Dmitri Mendeleev prezisese existența scandiului; dar cu numele de ekaboro, ceea ce însemna că proprietățile sale chimice erau similare cu cele ale borului.

Și, de fapt, chimistul elvețian Per Teodor Cleve a fost cel care a atribuit scandium lui ekaboro, fiind astfel același element chimic. Mai exact, cel care începe blocul metalelor de tranziție din tabelul periodic.

Au trecut mulți ani când, în 1937, Werner Fischer și colaboratorii săi au reușit să izoleze scandiul metalic (dar impur), prin electroliza unui amestec de potasiu, litiu și clorură de scandiu. Abia în 1960, s-a putut obține în sfârșit o puritate de aproximativ 99%.

Structura și configurația electronică

Scandiumul elementar (nativ și pur) se poate cristaliza în două structuri (alotrope): hexagonalul compact (CP) și cubul centrat pe corp (bcc). Prima este de obicei denumită faza α, iar a doua faza β.

Faza α hexagonală mai densă este stabilă la temperaturi ambiante; în timp ce faza β cubică mai puțin densă este stabilă peste 1337 ºC. Astfel, la această ultimă temperatură are loc o tranziție între ambele faze sau alotrope (în cazul metalelor).

Rețineți că, deși în mod normal scandiul se cristalizează într-un solid de hcp, nu îl face un metal foarte dens; cel puțin, da mai mult decât aluminiu. Din configurația sa electronică se poate ști ce electroni participă în mod normal la legătura sa metalică:

3d ¹ 4s ²

Prin urmare, cei trei electroni ai orbitalelor 3d și 4s intervin în modul în care atomii Sc sunt situați în cristal.

Pentru a se compacta într-un cristal hexagonal, atracția nucleelor ​​sale trebuie să fie astfel încât acești trei electroni, slab protejați de electronii învelișurilor interioare, să nu se îndepărteze prea departe de atomii Sc și, în consecință, distanțele dintre aceștia să fie înguste.

Faza de înaltă presiune

Fazele α și β sunt asociate cu modificările de temperatură; cu toate acestea, există o fază tetragonală, similară cu cea a niobiului metalic, Nb, care rezultă când scandiul metalic suferă o presiune mai mare de 20 GPa.

Numere de oxidare

Scandiumul poate pierde până la maximum cei trei electroni de valență (3d ¹ 4s ² ). În teorie, primii care „merg” sunt cei din orbitalul 4s.

Astfel, presupunând existența cationului Sc ⁺ în compus, numărul său de oxidare este +1; ceea ce înseamnă că a pierdut un electron din orbitalul 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Dacă este Sc ²⁺ , numărul său de oxidare va fi +2 și va fi pierdut doi electroni (3d ¹ 4s ⁰ ); și dacă este Sc ³⁺ , cel mai stabil dintre acești cationi, va avea un număr de oxidare de +3 și este izoelectronic la argon.

Pe scurt, numerele lor de oxidare sunt: ​​+1, +2 și +3. De exemplu, în Sc ₂ O ₃ numărul de oxidare al scandiu este +3 deoarece existența Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ² ) se presupune .

Proprietăți

Aspectul fizic

Este un metal alb argintiu în forma sa pură și elementară, cu o textură moale și netedă. Acesta capătă tonuri de galben-roz atunci când începe să fie acoperit cu un strat de oxid (Sc ₂ O ₃ ).

Masă molară

44,955 g / mol.

Punct de topire

1541 ° C.

Punct de fierbere

2836 ° C.

Capacitate termică molară

25,52 J / (mol · K).

Căldură de fuziune

14,1 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

332,7 kJ / mol.

Conductivitate termică

66 µΩ · cm la 20 ° C.

Densitate

2,985 g / ml, solid și 2,80 g / ml, lichid. Rețineți că densitatea sa în stare solidă este apropiată de cea a aluminiului (2,70 g / ml), ceea ce înseamnă că ambele metale sunt foarte ușoare; dar scandiul se topește la o temperatură mai ridicată (punctul de topire al aluminiului este de 660,3 ºC).

electronegativitate

1.36 pe scara Pauling.

Energii de ionizare

Prima: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ gazos).

Al doilea: 1235,0 kJ / mol (Sc ²⁺ gazos).

Al treilea: 2388,6 kJ / mol (Sc ³⁺ gaz).

Radio atomic

Ora 162 pm.

Ordine magnetică

Paramagnetic.

izotopi

Dintre toate izotopii de scandiu, ⁴⁵ Sc ocupă aproape 100% din abundența totală (acest lucru este reflectat în greutatea sa atomică foarte aproape de 45 u).

Celelalte constau în radioizotopi cu diferite perioade de înjumătățire; cum ar fi ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 zile), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 zile), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 ore) și ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 ore). Alți radioizotopi au t _1/2 mai puțin de 4 ore.

Aciditate

Cationul Sc ³⁺ este un acid relativ puternic. De exemplu, în apă poate forma complexul apos ³⁺ , care la rândul său poate transforma pH-ul la o valoare sub 7, deoarece generează ioni H ₃ O ⁺ ca produs al hidrolizei sale:

³⁺ (aq) + H ₂ O (l) <=> ²⁺ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

Aciditatea scandiului poate fi interpretată și în conformitate cu definiția Lewis: are o tendință ridicată de a accepta electroni și, prin urmare, de a forma complexe de coordonare.

Număr de coordonare

O proprietate importantă a scandiului este că numărul său de coordonare, în majoritatea compușilor anorganici, structurilor sau cristalelor organice este 6; înseamnă că Sc este înconjurat de șase vecini (sau formează șase legături). Mai sus, complexul apos ³⁺ este cel mai simplu exemplu dintre toate.

În cristale, centrele Sc sunt octaedrice; fie interacționând cu alți ioni (în solidele ionice), fie cu atomii neutri legați covalent (în solidele covalente).

Un exemplu din urmă îl avem al, care formează o structură de lanț cu grupele AcO (acetiloxi sau acetoxi) care acționează ca punți între atomii Sc.

Nomenclatură

Deoarece, în mod implicit, numărul de oxidare al scandiului în majoritatea compușilor săi este +3, este considerat unic și nomenclatura este, prin urmare, simplificată semnificativ; foarte asemănător cu ce se întâmplă cu metalele alcaline sau cu aluminiul în sine.

De exemplu, considerăm un oxid al acestuia, Sc ₂ O ₃ . Aceeași formulă chimică indică în avans starea de oxidare a +3 pentru scandiu. Astfel, pentru a numi acest compus scandiu și, ca și altele, se folosesc nomenclatoarele sistematice, stoc și tradiționale.

Sc ₂ O ₃ este apoi oxid de scandiu, conform nomenclaturii stoc, omitând (III) (deși nu este singura sa stare posibilă de oxidare); oxid scandic, cu sufixul –ico la sfârșitul numelui conform nomenclaturii tradiționale; și trioxid de diescandiu, respectând regulile prefixelor numerice grecești din nomenclatura sistematică.

Rolul biologic

Scandiumul, deocamdată, nu are un rol biologic definit. Adică nu se cunoaște modul în care corpul poate acumula sau asimila ioni Sc ³⁺ ; care enzime specifice îl pot folosi ca cofactor, dacă exercită o influență asupra celulelor, deși similare, cu ioni de Ca ²⁺ sau Fe ³⁺ .

Se știe, totuși, că ionii Sc ³⁺ exercită efecte antibacteriene, eventual prin interferarea cu metabolismul ionilor Fe ³⁺ .

Unele studii statistice efectuate în medicină o pot lega de tulburări de stomac, obezitate, diabet, leptomeningită cerebrală și alte boli; dar fără rezultate suficient de edificatoare.

De asemenea, plantele nu acumulează de obicei cantități apreciabile de scandiu în frunzele sau tulpinile lor, ci în rădăcinile și nodulii lor. Prin urmare, se poate susține că concentrația sa în biomasă este slabă, ceea ce indică o mică participare la funcțiile sale fiziologice și, prin urmare, sfârșește acumulând mai mult în soluri.

Unde găsiți și produceți

Minerale și stele

Scandiul poate să nu fie la fel de abundent ca și alte elemente chimice, dar prezența sa în scoarța terestră o depășește pe cea a mercurului și a unor metale prețioase. De fapt, abundența sa se apropie de cea a cobaltului și beriliu; Pentru fiecare tonă de roci se pot extrage 22 de grame de scandiu.

Problema este că atomii lor nu sunt localizați, ci împrăștiați; adică nu există minerale care sunt precis bogate în scandiu în compoziția lor în masă. Prin urmare, se spune că nu are preferință pentru niciunul dintre anionii tipici care formează minerale (cum ar fi carbonatul, CO ₃ ^2- sau sulfura, S ^2- ).

Nu este în starea sa pură. De asemenea, nu este oxidul său cel mai stabil, Sc ₂ O ₃ , care se combină cu alte metale sau silicați pentru a defini minerale; cum ar fi thortveitita, euxenitul și gadolinita.

Aceste trei minerale (rare în sine) reprezintă principalele surse naturale ale Scandiumului și se găsesc în regiuni din Norvegia, Islanda, Scandinavia și Madagascar.

În caz contrar, ionii Sc ³⁺ pot fi încorporați ca impurități în unele pietre prețioase, cum ar fi acvamarina sau în minele de uraniu. Și pe cer, în interiorul stelelor, acest element este clasat pe numărul 23 în abundență; destul de ridicat dacă este considerat întregul Cosmos.

Deșeuri industriale și deșeuri

S-a spus doar că scandiul poate fi găsit și ca o impuritate. De exemplu, se găsește în pigmenții TiO ₂ ; în deșeurile provenite din prelucrarea uraniului, precum și mineralele sale radioactive; iar în reziduurile de bauxită în producția de aluminiu metalic.

Se găsește, de asemenea, în nichelele și cobalitele laterite, acestea din urmă fiind o sursă promițătoare de scandiu în viitor.

Reducere metalurgică

Cele enorme dificultăți legate de extragerea de scandiu, care a durat atât de mult pentru a obține în stare nativă sau metalic, s- au datorat faptului că Sc ₂ O ₃ este dificil să se reducă; chiar mai mult decât TiO ₂ , deoarece Sc3 ^{+ arată} o afinitate mai mare decât Ti ⁴⁺ față de O ^2- (presupunând un caracter ionic 100% în oxizii respectivi).

Adică, este mai ușor de a de-oxigen TiO ₂ decât Sc ₂ O ₃ cu un agent de reducere bun ( în mod tipic carbon sau metale alcaline sau alcalino - pământoase). De aceea , Sc ₂ O ₃ este transformat mai întâi într - un compus a cărui reducere este mai puțin problematică; cum ar fi fluorura de scandiu, ScF ₃ . În continuare, ScF ₃ este redus cu calciu metalic:

2ScF ₃ (s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaF ₂ (s)

Sc ₂ O ₃ fie provine din mineralele deja menționate, fie este un produs secundar al extracțiilor altor elemente (cum ar fi uraniul și fierul). Este forma comercială de scandiu, iar producția sa anuală scăzută (15 tone) reflectă costurile ridicate de prelucrare, pe lângă extracția sa din roci.

Electroliză

O altă metodă pentru a produce scandiu este obținerea mai întâi a sai de clorură, ScCl ₃ , și apoi supunerea acesteia la electroliză. Astfel, scandiul metalic este produs într-un electrod (ca un burete), iar gazul clor este produs în celălalt.

reacţii

Amphotericism

Scandiumul nu numai că împărtășește cu aluminiu caracteristicile de a fi metale ușoare, dar sunt, de asemenea, amfoteric; adică se comportă ca acizi și baze.

De exemplu, reacționează, ca multe alte metale de tranziție, cu acizi puternici pentru a produce săruri și gaz hidrogen:

2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (g)

Procedând astfel, se comportă ca o bază (reacționează cu HCl). Dar, în același mod, reacționează cu baze puternice, cum ar fi hidroxidul de sodiu:

2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6H ₂ O (l) => 2Na ₃ Sc (OH) ₆ (aq) + 3H ₂ (g)

Și acum se comportă ca un acid (reacționează cu NaOH), pentru a forma o sare scandată; cea a sodiului, Na ₃ Sc (OH) ₆ , cu anionul scandat, Sc (OH) ₆ ^3- .

Oxidare

Când este expus la aer, scandiul începe să se oxideze la oxidul respectiv. Reacția este accelerată și autocatalizată dacă se utilizează o sursă de căldură. Această reacție este reprezentată de următoarea ecuație chimică:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

halogenuri

Scandiumul reacționează cu toți halogenii pentru a forma halogenuri cu formula chimică generală ScX ₃ (X = F, Cl, Br, etc.).

De exemplu, reacționează cu iodul conform următoarei ecuații:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

În același mod, reacționează cu clorul, bromul și fluorul.

Formarea hidroxidului

Scandiumul metalic se poate dizolva în apă pentru a produce hidroxidul și gazul respectiv:

2Sc (s) + 6H ₂ O (l) => 2Sc (OH) ₃ (s) + H ₂ (g)

Hidroliză acidă

Complexele apoase ³⁺ pot fi hidrolizate astfel încât acestea ajung să formeze punți Sc- (OH) -Sc, până la definirea unui grup cu trei atomi de scandiu.

riscuri

Pe lângă rolul său biologic, efectele fiziologice și toxicologice exacte ale scandiumului nu sunt cunoscute.

În forma sa elementară, se crede că nu este toxic, cu excepția cazului în care solidul său fin divizat este inhalat, provocând astfel deteriorarea plămânilor. De asemenea, compușilor săi li se atribuie toxicitate zero, deci ingerarea sărurilor lor în teorie nu ar trebui să reprezinte niciun risc; atâta timp cât doza nu este mare (testată la șobolani).

Cu toate acestea, datele referitoare la aceste aspecte sunt foarte limitate. Prin urmare, nu se poate presupune că niciunul dintre compușii de scandiu sunt cu adevărat non-toxici; cu atât mai puțin dacă metalul se poate acumula în soluri și ape, trecând apoi la plante și, într-o măsură mai mică, la animale.

În prezent, scandiul nu reprezintă încă un risc palpabil în comparație cu metalele mai grele; cum ar fi cadmiu, mercur și plumb.

Aplicații

aliaje

Deși prețul scandiului este mare în comparație cu alte metale, cum ar fi titanul sau itriumul în sine, aplicațiile sale ajung să merite eforturile și investițiile. Unul dintre ele este să îl folosești ca aditiv pentru aliajele de aluminiu.

În acest fel, aliajele Sc-Al (și alte metale) își păstrează ușurința, dar devin și mai rezistente la coroziune, la temperaturi ridicate (nu se fisurează) și sunt la fel de puternice precum titanul.

Atât de mult este efectul pe care scandiul îl are asupra acestor aliaje, încât este suficient să îl adăugăm în cantități (mai puțin de 0,5% din masă) pentru ca proprietățile sale să se îmbunătățească drastic, fără a observa o creștere apreciabilă a greutății sale. Se spune că, dacă este utilizată masiv într-o zi, ar putea reduce greutatea aeronavei cu 15-20%.

De asemenea, aliajele de scandiu au fost utilizate pentru ramele revolverilor sau pentru fabricarea de articole sportive, cum ar fi lilieci de baseball, biciclete speciale, tije de pescuit, cluburi de golf, etc .; deși aliajele de titan tind să le înlocuiască, deoarece sunt mai ieftine.

Cel mai cunoscut dintre aceste aliaje este Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , care este la fel de puternic ca titanul, la fel de ușor ca aluminiul și dur ca ceramica.

printare 3d

Aliajele Sc-Al au fost utilizate pentru a realiza imprimeuri 3D metalice, pentru a plasa sau adăuga straturi ale acestora pe un solid preselectat.

Iluminările stadionului

Farurile din stadioane imită lumina soarelui datorită acțiunii iodurii de scandiu împreună cu vaporii de mercur. Sursa: Pexels.

Iodură de scandiu, ScI ₃ , este adăugată (împreună cu iodură de sodiu) la lămpile cu vapori de mercur pentru a crea lumini artificiale care imită soarele. De aceea, pe stadioane sau pe unele terenuri de sport, chiar și noaptea, iluminarea din interiorul lor este astfel încât să ofere senzația de a viziona un joc pe timp de zi larg.

Efecte similare au fost utilizate pentru dispozitive electrice, cum ar fi camere digitale, ecrane de televiziune sau monitoare de calculator. De asemenea, farurile cu astfel de lămpi ScI de _3- Hg au fost amplasate în studiouri de film și televiziune.

Celule combustibile solide cu oxid

SOFC, pentru acronimul său în engleză (celulă solidă cu combustibil cu oxid), folosește un oxid sau o ceramică ca mediu electrolitic; în acest caz, un solid care conține ioni de scandiu. Utilizarea sa în aceste dispozitive se datorează conductivității electrice mari și capacității sale de a stabiliza creșterea temperaturii; deci lucrează fără supraîncălzire.

Un exemplu de un astfel de oxid solid este scandiu zirconite stabilizat (ca Sc ₂ O ₃ , din nou).

Ceramică

Carbură de scandiu și titan constituie o ceramică de duritate excepțională, a doua numai cea a diamantelor. Cu toate acestea, utilizarea sa este limitată la materiale cu aplicații foarte avansate.

Cristale de coordonare organică

Ionii Sc ³⁺ se pot coordona cu mai multi liganzi organici, mai ales daca sunt molecule oxigenate.

Acest lucru se datorează faptului că legăturile Sc-O formate sunt foarte stabile și, prin urmare, sfârșesc construind cristale cu structuri uimitoare, în porii cărora pot fi declanșate reacții chimice, comportându-se ca catalizatori eterogeni; sau să găzduiască molecule neutre, comportându-se ca un depozit solid.

De asemenea, astfel de cristale organice de coordonare a scandiului pot fi utilizate pentru a proiecta materiale senzoriale, site moleculare sau conductori ionici.

Referințe

1. Irina Ștangeeva. (2004). Scandiu. Universitatea de Stat din Sankt Petersburg. Recuperat de la: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Scandiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (2019). Scandiu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Scandium Element Facts. Chemicool. Recuperat de la: chemicool.com
5. Scară. (2018). Scandiu. Recuperat din: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (03 iulie 2019). O imagine de ansamblu a Scandium. Recuperat de la: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA, & Makhmudov, EA (2012). La întrebarea rolului biologic al scandiului. Recuperat de la: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Transformări în faza de înaltă presiune în litiu și scandiu: Relație cu pământuri rare și structuri de cristale de actinide. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, Edițiile 1–3, paginile 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova și colab. (2018). Cadre organice cu scandiu: progres și perspective. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Rețeaua de știri pentru investiții (11 noiembrie 2014). Aplicații Scandium: o imagine de ansamblu. Dig Media Inc. Recuperat de la: investingnews.com