Storia Scandio, proprietà, reazioni, rischi e usi

Lui Scandium È un metallo di transizione il cui simbolo chimico è il SC. È il primo dei metalli di transizione nella tavola periodica, ma è anche uno degli elementi meno comuni delle terre rare; Sebbene le sue proprietà possano assomigliare a quelle dei Lantanide, non tutti gli autori approvano a classificarlo in questo modo.

A un livello popolare è un elemento chimico che passa inosservato. Il suo nome, nato da minerali delle terre rare dalla Scandinavia, può essere attuale accanto a rame, ferro o oro. Tuttavia, è ancora impressionante e le proprietà fisiche delle loro leghe possono competere con quelle del titanio.

Campione di scark elementali ultrapure. Fonte: immagini ad alta risoluzione degli elementi chimici [CC di 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]

Allo stesso modo, sempre più gradini sono aperti nel mondo della tecnologia, specialmente in termini di illuminazione e laser. Che ha osservato un faro che irradia una luce simile a quella del sole, avrà assistito indirettamente all'esistenza dello scandio. Per il resto, è un elemento promettente per la produzione di aeromobili.

Il problema principale per il mercato di Scandio è che è molto disperso e non ci sono minerali o fonti ricche; Quindi la sua estrazione è costosa, anche se non è un metallo con bassa abbondanza nella crosta terrestre. In natura è come il suo ossido, un solido che non può essere facilmente ridotto.

In gran parte dei suoi composti, inorganici o organici, partecipa al legame con un numero di ossidazione di +3; cioè, supponendo la presenza del cationico³⁺. Lo scandio è un acido relativamente forte e può formare legami di coordinazione molto stabili con gli atomi di ossigeno delle molecole organiche.

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Storia

Lo scandio fu riconosciuto come elemento chimico nel 1879, dal chimico svizzero Lars f. Nilson. Ho lavorato con i minerali Euxenita e Gadolinita con l'intenzione di ottenere. Ha scoperto che c'era un elemento sconosciuto nelle sue tracce grazie allo studio dell'analisi spettroscopica (Spettro di emissione atomica).

Dei minerali, la sua squadra e riuscì a ottenere il rispettivo ossido di scandio, un nome ricevuto per aver sicuramente raccolto i campioni di Scandinavia; minerali chiamati terre rare per loro.

Tuttavia, otto anni prima, nel 1871, Dmitri Mendeleev aveva previsto l'esistenza dello scandio; Ma con il nome di Ekaboro, il che significava che le sue proprietà chimiche erano simili a quelle di Boro. 

Ed era in effetti il ​​chimico svizzero per teodor cleve a attribuire lo scandio con l'ekaboro, essendo quindi lo stesso elemento chimico. In particolare quello che inizia il blocco dei metalli di transizione nella tabella periodica.

Passarono molti anni quando nel 1937, Werner Fischer e i suoi collaboratori, riuscirono a isolare lo scandio di metallo (ma impuro), attraverso l'elettrolisi di una miscela di potassio, litio e cloruri scandy. Non è stato fino al 1960 quando finalmente poteva ottenerlo con una purezza circa il 99%.

Struttura elettronica e configurazione

Lo scandio elementare (nativo e puro) può cristallizzare in due strutture (alotropi): esagonale compatta (HCP) e il cubico centrato nel corpo (BCC). Il primo di solito lo chiama come fase α e il secondo la fase β.

La fase α, esagonale e più densa, è stabile alle temperature degli ambienti; Mentre il β, cubico e meno fase, è stabile sopra 1337 ºC. Pertanto, a quest'ultima temperatura si verifica una transizione tra le due fasi o gli alotropi (nel caso dei metalli).

Si noti che mentre lo scandio normalmente cristallizza in un solido HCP, non significa che sia un metallo molto denso; Almeno, più che in alluminio. Dalla sua configurazione elettronica, si può sapere quali elettroni ordinari nel loro legame metallico:

[AR] 3D¹ 4s²

Pertanto, i tre elettroni degli orbitali 3D e 4S sono coinvolti nel modo in cui si trovano gli atomi di SC nel vetro.

Compatto in un vetro esagonale, l'attrazione dei suoi nuclei deve essere tale che questi tre elettroni, debolmente schermati dagli elettroni degli strati interni, non si muovono troppo lontano dagli atomi di SC e, di conseguenza, le distanze tra loro sono restringete.

Fase ad alta pressione

Le fasi α e β sono associate a variazioni di temperatura; Tuttavia, esiste una fase tetragonale, simile a quella del metallo Niobio, NB, che risulta quando lo scandio metallico subisce una pressione superiore a 20 GPa.

Numeri di ossidazione

Lo scandio può perdere i suoi tre elettroni di valenza fino al massimo (3D¹4s²). In teoria, i primi a "lasciare" sono quelli dell'orbitale 4S.

Pertanto, assumendo l'esistenza del cationico⁺ Nel composto, il suo numero di ossidazione è +1; Il che è lo stesso di dire che ha perso un elettrone dall'orbitale 4S (3D¹4s¹).

Se è il SC²⁺, Il tuo numero di ossidazione sarà +2 e avrai perso due elettroni (3D¹4s⁰); E se è il SC³⁺, La più stabile di questi cationi avrà il numero di ossidazione di +3 ed è isolettronico per l'argon.

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In breve, i suoi numeri di ossidazione sono: +1, +2 e +3. Ad esempio, nel SC₂O₃ Il numero di ossidazione dello scandio è +3 perché si assume l'esistenza di SC³⁺ (SC₂³⁺O₃^2-).

Proprietà

Aspetto fisico

È un metallo bianco argento nella sua forma pura ed elementare, consistenza morbida e liscia. Acquisisce tonalità giallastra quando inizia a essere coperta con uno strato di ossido (SC₂O₃).

Massa molare

44.955 g/mol.

Punto di fusione

1541 ºC.

Punto di ebollizione

2836 ºC.

Capacità termica molare

25,52 J/(mol · K).

Calore di fusione

14.1 kJ/mol.

Calore di vaporizzazione

332,7 kJ/mol.

Conduttività termica

66 μΩ · cm a 20 ºC.

Densità

2.985 g/ml, solido e 2,80 g/mL, liquido. Si noti che la sua densità a stato solido si avvicina a quello dell'alluminio (2,70 g/mL), il che significa che entrambi i metalli sono molto leggeri; Ma lo scandio si scioglie a una temperatura più elevata (il punto di fusione in alluminio è 660,3 ºC).

Elettronegatività

1.36 sulla scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 633.1 KJ/mol (SC⁺ gassoso).

Secondo: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ gassoso).

Terzo: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ gassoso).

Radio atomica

162 pm.

Ordine magnetico

Paramagnetico.

Isotopi

Di tutti gli isotopi dello scandio, il ^{Quattro cinque}SC occupa quasi il 100% dell'abbondanza totale (questo si riflette nel suo peso atomico molto vicino a 45 U).

Gli altri sono costituiti da radioisotopi con diversi tempi di mezza vita; Come il ⁴⁶Sc (t_1/2 = 83,8 giorni), ⁴⁷Sc (t_1/2 = 3,35 giorni), ⁴⁴Sc (t_1/2 = 4 ore), e ⁴⁸Sc (t_1/2 = 43,7 ore). Altri radioisotopi hanno t_1/2 Meno di 4 ore.

Acidità

Il cation sc³⁺ È un acido relativamente forte. Ad esempio, in acqua puoi formare il complesso acquoso [SC (H₂O)₆"³⁺, che può anche trasformare il pH in un valore inferiore a 7, perché genera ioni H₃O⁺ Come prodotto della sua idrolisi:

[SC (H₂O)₆"³⁺(AC)+H₂O (l) [sc (h₂O)₅OH]²⁺(AC)+H₃O⁺(AC)

L'acidità dello scandio può anche essere interpretata in base alla definizione di Lewis: ha un'alta tendenza ad accettare elettroni e, quindi, a formare complessi di coordinamento.

Numero di coordinazione

Una proprietà importante dello scandio è che il suo numero di coordinamento, sia nella maggior parte dei suoi composti inorganici, strutture o cristalli organici, è 6; Significa che la SC è circondata da sei vicini (o forma sei collegamenti). Sopra, il complesso acuo [SC (H₂O)₆"³⁺ È l'esempio più semplice di tutti.

Nei cristalli, i centri SC sono ottaedri; o interagendo con altri ioni (nei solidi ionici) o con atomi neutri collegati in modo covalente (nei solidi covalenti).

Esempio di quest'ultimo abbiamo il [SC (OAC)₃], che forma la struttura a catena con i gruppi Acotiloxi o Acetoxi) che agiscono come ponti tra atomi di SC.

Nomenclatura

Perché quasi per impostazione predefinita il numero di ossidazione dello scandio in gran parte dei suoi composti è +3, questo è considerato unico e la nomenclatura è quindi significativamente semplificata; molto simile come con i metalli alcalini o lo stesso alluminio.

Ad esempio, considera l'ossido, SC₂O₃. La stessa formula chimica indica in anticipo lo stato di ossidazione di +3 per lo scandio. Pertanto, per chiamare questo composto scandio e, come altri, vengono utilizzate nomenclature sistematiche, di scorta e tradizionali.

Il SC₂O₃ È quindi l'ossido di scandio, secondo la nomenclatura azionaria, omettendo il (iii) (sebbene non sia il suo unico possibile stato di ossidazione); Ossido scandico, con il suffisso -ico alla fine del nome secondo la tradizionale nomenclatura; e Diescondio Trioxide, obbedendo alle regole dei prefissi numerici greci della nomenclatura sistematica.

Carta biologica

Lo scandio, per il momento, manca di carta biologica definita. Cioè, non è noto come il corpo possa accumulare o assimilare gli ioni SC³⁺; Quali enzimi specifici possono usarlo come cofattore, se esercita un'influenza, sebbene simile, agli ioni Ca²⁺ o fede³⁺.

È noto, tuttavia, che gli ioni SC³⁺ Esercitano effetti antibatterici probabilmente quando si interferiscono con il metabolismo degli ioni di fede³⁺.

Alcuni studi statistici all'interno della medicina probabilmente lo collegano a disturbi dello stomaco, obesità, diabete, leptomeningite cerebrale e altre malattie; Ma senza risultati.

Inoltre, le piante di solito non accumulano quantità apprezzabili di scandio nelle loro foglie o steli, ma nelle loro radici e noduli. Pertanto, si può sostenere che la sua concentrazione nella biomassa è scarsa, indicativa di poca partecipazione alle sue funzioni fisiologiche e, di conseguenza, finisce per accumulare di più nei terreni.

Dov'è e produzione

Minerali e stelle

Lo scandio potrebbe non essere così abbondante come altri elementi chimici, ma la sua presenza nella crosta terrestre supera quella del mercurio e alcuni metalli preziosi. In effetti, la sua abbondanza si avvicina a quella di cobalto e berillio; Per ogni tonnellata di rocce, possono essere estratti 22 grammi di scandio.

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Il problema è che i loro atomi non sono localizzati ma dispersi; Cioè, non ci sono minerali esattamente ricchi di scandio nella sua composizione di massa. Pertanto, si dice che non abbia preferenza per nessuno dei tipici formatori di minerali (come il carbonato, CO₃^2-, o solfuro, s^2-).

Non è nel suo stato più puro. Né il tuo ossido più stabile, SC₂O₃, che è combinato con altri metalli o silicati per definire i minerali; come thortveita, euxenita e gadolinita.

Questi tre minerali (rari in sé) rappresentano le principali fonti naturali di scandio e si trovano nelle regioni di Norvegia, Islanda, Scandinava e Madagascar.

Per il resto, gli ioni SC³⁺ Possono essere incorporati come impurità in alcune pietre preziose, come acquamarina o nelle miniere di uranio. E nel cielo, all'interno delle stelle, questo elemento occupa il numero 23 in abbondanza; Abbastanza alto se consideri l'intero cosmo.

Rifiuti industriali e rifiuti

Ha appena detto che lo scandio può anche essere trovato come impurità. Ad esempio, si trova nei pigmenti TiO₂; nei rifiuti di lavorazione dell'uranio, nonché nei suoi minerali radioattivi; e nello spreco della bauxite nella produzione di alluminio metallico.

Allo stesso modo, è nel tardo nichel e cobalto, quest'ultima è una fonte promettente di scandio in futuro.

Riduzione metallurgica

Le enormi difficoltà intorno all'estrazione dello scandio e che hanno ritardato così tanto che si ottengono nello stato nativo o metallico, erano dovute al SC₂O₃ È arduo da ridurre; Ancora più dello zio₂, per aver mostrato l'SC³⁺ Una maggiore affinità di TI⁴⁺ verso o^2- (Supponendo un carattere ionico al 100% nei rispettivi ossidi).

Cioè, è più facile rimuovere l'ossigeno dallo zio₂ che a sc₂O₃ con un buon agente riducente (tipicamente carbone o alcalino o metalli alcaliner). Ecco perché il SC₂O₃ Si trasforma prima in un composto la cui riduzione è meno problematica; Come SCANDIO Fluoruro, SCF₃. Successivamente, lo SCF₃ È ridotto con calcio metallico:

2scf₃(s) +3ca (s) => 2sc (s) +3Caf₂(S)

Il SC₂O₃ oppure deriva dai minerali di cui sopra, o è un sottoprodotto delle estrazioni di altri elementi (come uranio e ferro). È la forma commerciale dello scandio e la sua bassa produzione annuale (15 tonnellate) riflette gli alti costi di elaborazione, oltre a quelli della sua estrazione dalle rocce.

Elettrolisi

Un altro metodo per produrre scandio è prima ottenere il sale di cloruro, SCCL₃, e poi inviarlo all'elettrolisi. Quindi, in un elettrodo c'è uno scandio metallico (come una spugna) e nell'altro cloro gassoso.

Reazioni

Anfoterismo

Lo scandio non solo condivide con l'alluminio le caratteristiche dell'essere metalli leggeri, ma anche anfotero; Cioè, si comportano come acidi e basi.

Ad esempio, reagisce, come molti altri metalli di transizione, con acidi forti per produrre sali e gas idrogeno:

2SC (S) +6HCl (AC) => 2SCCL₃(AC) +3H₂(G)

In tal modo, si comporta come una base (reagisce con l'HCL). Ma, allo stesso modo reagisce con basi forti, come l'idrossido di sodio:

2SC (S) +6NaOH (AC) +6H₂O (l) => 2na₃Sc (oh)₆(AC) +3H₂(G)

E ora si comporta come un acido (reagisce con il NaOH), per formare un sale di scandalo; Il sodio, na₃Sc (oh)₆, Con lo scandalo anione, sc (oh)₆^3-.

Ossidazione

Se esposto all'aria, lo scandio inizia a ossidare il rispettivo ossido. La reazione è accelerata e auto -addestrata se viene utilizzata una fonte di calore. Questa reazione è rappresentata con la seguente equazione chimica:

4sc (s) +3o₂(g) => 2sc₂O₃(S)

Alogenuro

Lo scandio reagisce con tutti gli alogeni per formare alogenuro della formula di chimica generale SCX₃ (X = f, cl, br, ecc.).

Ad esempio, reagire con lo iodio secondo la seguente equazione:

2sc (s) +3i₂(g) => 2Sci₃(S)

Allo stesso modo reagisce con cloro, bromo e fluoruro.

Formazione di idrossido

Lo scandio metallico può dissolversi nell'acqua per causare il rispettivo idrossido e idrogeno a gas:

2sc (s) +6h₂O (l) => 2sc (OH)₃(s) + H₂(G)

Idrolisi acida

Complessi acquosi [SC (H₂O)₆"³⁺ Possono idrolidizzare in modo tale da finire per formare sc- (OH) -Sc, fino a definire un cluster con tre atomi di scandio.

Rischi

Non è noto, oltre al suo ruolo biologico, quali sono esattamente gli effetti fisiologici e tossicologici dello scandio.

Nella sua forma elementare si ritiene che non sia tossico, a meno che il suo solido finemente diviso non venga inalato e quindi causino danni ai polmoni. Allo stesso modo, i loro composti sono attribuiti tossicità nulla, quindi l'assunzione dei loro sali in teoria non dovrebbe rappresentare alcun rischio; Finché la dose non è alta (testata nei ratti).

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Tuttavia, i dati relativi a questi aspetti sono molto limitati. Pertanto, non si può ipotizzare che nessuno dei composti scandio sia veramente non tossico; Ancora meno se il metallo può accumularsi nei terreni e nelle acque, allora spostandosi verso le piante e, in misura minore, agli animali.

Per i momenti, lo scandio non rappresenta ancora un rischio palpabile se confrontato con metalli più pesanti; come cadmio, mercurio e piombo.

Applicazioni

Leghe

Sebbene il prezzo dello scandio sia elevato rispetto ad altri metalli come il titanio o itrio, le sue applicazioni finiscono per usare sforzi e investimenti. Uno di questi è usarlo come additivo per le leghe di alluminio.

In questo modo, le leghe SC-A (e altri metalli) mantengono la loro leggerezza, ma diventano ancora più resistenti alla corrosione, alte temperature (non si rompono) e sono forti come il titanio.

È così l'effetto che lo scandio ha su queste leghe, che è sufficiente aggiungerlo in tracce di quantità (meno dello 0,5% in massa) in modo che le sue proprietà migliorino drasticamente senza osservare un aumento apprezzabile del suo peso. Si dice che, se usato in modo massiccio un giorno, potrebbe ridurre il peso degli aeroplani del 15-20%.

Allo stesso modo, le leghe di scandio sono state utilizzate per le cornici dei revolver o per la produzione di articoli sportivi, come mazze da baseball, biciclette speciali, canne da pesca, bastoncini da golf, ecc.; Anche se le leghe di titanio di solito le sostituiscono con l'essere più economici.

Il più noto di queste leghe è l'AL_ventiLi_ventiMg₁₀Sc_ventiVoi₃₀, che è altrettanto forte come il titanio, leggero come l'alluminio e duro come la ceramica.

Impressioni 3D

Le leghe SC-AL sono state utilizzate per fare impressioni 3D in metallo, allo scopo di posizionarne o aggiungerne strati su un solido pre-eletto.

Illuminazioni dello stadio

Le luci di luce nelle fasi imitano la luce solare grazie all'azione dello scandio ioduro accanto ai vapori di mercurio. Fonte: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Viene aggiunto (insieme allo ioduro di sodio) alle lampade a vapore di mercurio per creare luci artificiali che imitano quella del sole. Ecco perché negli stadi o in alcuni campi sportivi, anche di notte, l'illuminazione al suo interno è tale da fornire la sensazione di osservare una partita nel giorno intero.

Effetti simili sono stati assegnati per dispositivi elettrici come telecamere digitali, schermi televisivi o per i monitor dei computer. Inoltre, i fari con queste lampade SCI₃-HG sono stati in studi cinematografici e televisivi.

Batterie a carburante per ossido solido

SOFC, per il suo acronimo in inglese (cella a combustibile a ossido solido) usa un ossido o una ceramica come mezzo elettrolitico; In questo caso, un solido che contiene ioni scandio. Il suo utilizzo in questi dispositivi è dovuto alla sua grande conducibilità elettrica e alla capacità di stabilizzare gli aumenti della temperatura; Quindi lavorano senza riscaldamento ad alto grado.

Esempio di uno di questi ossidi solidi è la zirchite stabilizzata con scandio (in SC -a forma di SC₂O₃, Ancora).

Ceramica

Il carburo di scandio e titanio costituisce una ceramica di durezza eccezionale, superata solo da quella dei diamanti. Tuttavia, il suo uso è limitato ai materiali con applicazioni molto avanzate.

Cristalli di coordinamento organico

Ioni sc³⁺ Possono coordinarsi con più ligandi organici, specialmente se sono molecole ossigenate.

Questo perché i legami SC-O formati sono molto stabili e quindi finiscono per costruire cristalli con strutture sorprendenti, i cui pori possono essere innescati reazioni chimiche, comportandosi come catalizzatori eterogenei; o molecole neutre dell'ospite, comportandosi come una conservazione solida.

Allo stesso modo, tali cristalli di cristalli di pianto organici possono essere utilizzati per progettare materiali sensoriali, setacci molecolari o conduttori ionici.

Riferimenti

1. Irina Shtngeeva. (2004). Scandium. Saint Petersburg State University Saint Petersburg. Recuperato da: ResearchGate.netto
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Recuperato da: in.Wikipedia.org
3. I redattori di Enyclopedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Recuperato da: Britannica.com
4. Dottore. Doug Stewart. (2019). Fatti per elementi scandium. Chemicool. Recuperato da: Chemicool.com
5. Scala. (2018). Scandium. Recuperato da: progetto di scala.Unione Europea
6. Helmestine, Anne Marie, PH.D. (3 luglio 2019). Una panoramica dello scandium. Recuperato da: Thoughtco.com
7. Kist, a.A., Zhuk, l.Yo., Danilova, e.A., & Makhmudov, e.A. (2012). Su questione del ruolo biologico dello scandium. Recuperato da: inis.IAEA.org
8. W.A.Grosshans, e.K.Vohra & w.B.Holzapfel. (1982). Transformioni di fase ad alta pressione in ittrio e scansium: relazione con terre rare e actinidi di cristalli. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, Issues 1-3, pagine 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina o. Barsukova et al. (2018). Framework scandium-organici: progresso e prospettive. Russ. Chimica. Rev. 87 1139.
10. Investire una rete di notizie. (11 novembre 2014). Applicazioni scansium: una panoramica. Aime Medium Inc. Recuperato da: InvestingNews.com