Historia Scandio, egenskaper, reaktioner, risker och användningar

han skandium Det är en övergångsmetall vars kemiska symbol är SC. Det är den första av övergångsmetallerna i det periodiska tabellen, men det är också ett av de minst vanliga elementen på sällsynta jordar; Även om dess egenskaper kan likna Lantanides, godkänner inte alla författare att klassificera det på ett sådant sätt.

På en populär nivå är det ett kemiskt element som går obemärkt. Hans namn, född av sällsynta jordarmineraler från Skandinavien, kan vara aktuell bredvid koppar, järn eller guld. Det är emellertid fortfarande imponerande, och de fysiska egenskaperna hos deras legeringar kan konkurrera med titan.

Ultrapure elemental scark prov. Källa: Hi-reser Bilder av kemiska element [CC av 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/av/3.0)]

På samma sätt öppnas mer och mer steg i tekniken, särskilt när det gäller belysning och lasrar. Som har observerat en fyr som utstrålar ett ljus som liknar solen, kommer indirekt att ha bevittnat förekomsten av Skandio. För resten är det ett lovande element för tillverkning av flygplan.

Det huvudsakliga problemet som Scandio -marknaden står inför är att den är mycket spridd, och det finns inga mineraler eller rika källor till det; Så dess extraktion är dyrt, även om det inte är en metall med lågt överflöd i jordskorpan. I naturen är det som sin oxid, ett fast ämne som inte lätt kan reduceras.

I mycket av dess föreningar, oorganiska eller organiska, deltar i kopplingen med ett oxidationsnummer +3; det vill säga antagande av närvaron av cation³⁺. Skandio är en relativt stark syra och kan bilda mycket stabila samordningsförbindelser med syreatomerna i organiska molekyler.

[TOC]

Historia

Scandio erkändes som ett kemiskt element 1879 av den schweiziska kemisten Lars F. Nilson. Jag arbetade med Euxenita och Gadolinita mineraler med avsikt att få. Han upptäckte att det fanns ett okänt element i hans spår tack vare studien av spektroskopisk analys (atomemissionspektrum).

Av mineralerna lyckades hans team och han få respektive Scandio -oxid, ett namn som mottogs för att ha säkert samlat Scandinavia -proverna; mineraler som kallades sällsynta jordar för dem.

Åtta år innan, 1871, hade Dmitri Mendeleev emellertid förutspått förekomsten av Scandio; Men med namnet Ekaboro, vilket innebar att dess kemiska egenskaper liknade Boro. 

Och det var i själva verket den schweiziska kemisten per Teodor Cleve som tillskrev Scandio med Ekaboro, var därför samma kemiska element. Specifikt den som börjar övergångsmetallblocket i det periodiska tabellen.

Många år gick när 1937, Werner Fischer och hans kollaboratörer, lyckades isolera metall (men orena) Skandio, genom elektrolysen av en blandning av kalium, litium och skandyklorider. Det var först 1960 då han äntligen kunde få honom med en renhet runt 99%.

Elektronisk struktur och konfiguration

Den grundläggande (infödda och rena) Skandio kan kristallisera i två strukturer (alotroper): kompakt hexagonal (Hcp) och kubikcentrerad i kroppen (BCC). Den första kallar det vanligtvis som fas a, och den andra p -fasen.

Fas a, hexagonal och tätare, är stabil vid miljöer temperaturer; Medan p, kubik- och mindre fasen är stabil över 1337 ºC. Vid denna sista temperatur inträffar en övergång mellan både faser eller alotroper (i fallet med metaller).

Observera att medan Scandio normalt kristalliserar i ett HCP -fast ämne, betyder det inte att det är en mycket tät metall; Åtminstone mer än aluminium. Från sin elektroniska konfiguration kan det vara känt vilka elektroner som är vanliga i sin metallbindning:

[AR] 3D¹ 4S²

Därför är de tre elektronerna i 3D- och 4S -orbitalerna involverade i hur SC -atomerna i glaset finns.

För att kompakt i ett hexagonalt glas måste attraktionen hos dess kärnor vara sådan att dessa tre elektroner, svagt skyddade av elektronerna i de inre skikten, inte rör sig för långt från SC -atomerna och följaktligen är avståndet mellan dem minskade.

Högtrycksfas

A- och p -faserna är associerade med temperaturförändringar; Det finns emellertid en tetragonal fas, liknande den för Niobio Metal, OBS, som resulterar när metallskandioen lider av ett tryck större än 20 GPa.

Oxidationsnummer

Scandio kan förlora sina tre valenselektroner upp till maximalt (3D¹4S²). I teorin är den första som "lämnar" de från 4s orbital.

Så att man antar att det finns cation⁺ I föreningen är dess oxidationsnummer +1; vilket är detsamma som att säga att han förlorade en elektron från 4s orbital (3D¹4S¹).

Om det är SC²⁺, Ditt oxidationsnummer kommer att vara +2, och du har tappat två elektroner (3D¹4S⁰); Och om det är SC³⁺, Den mest stabila av dessa katjoner kommer att ha +3 oxidationsnummer och är isolektronisk för argon.

Kan tjäna dig: karamellisering

Kort sagt, dess oxidationsnummer är: +1, +2 och +3. Till exempel i SC₂ANTINGEN₃ Skandios oxidationsnummer är +3 eftersom förekomsten av SC antas³⁺ (SC₂³⁺ANTINGEN₃^2-).

Egenskaper

Fysiskt utseende

Det är en silver vit metall i sin rena och elementära form, mjuk och slät konsistens. Förvärvar gulaktiga-stav tonaliteter när det börjar täckas med ett oxidskikt (SC₂ANTINGEN₃).

Molmassa

44,955 g/mol.

Smältpunkt

1541 ºC.

Kokpunkt

2836 ºC.

Molvärmekapacitet

25,52 J/(mol · k).

Fusionsvärme

14,1 kJ/mol.

Förångningsvärme

332,7 kJ/mol.

Värmeledningsförmåga

66 μΩ · cm vid 20 ºC.

Densitet

2 985 g/ml, fast och 2,80 g/ml, vätska. Observera att dess fasta tillståndstäthet närmar sig den för aluminium (2,70 g/ml), vilket innebär att båda metallerna är mycket lätta; Men Scandio smälter vid en högre temperatur (aluminiumfusionspunkten är 660,3 ºC).

Elektronnegativitet

1.36 på Pauling -skalan.

Joniseringsenergier

Först: 633,1 kJ/mol (SC⁺ gasformig).

Andra: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ gasformig).

Tredje: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ gasformig).

Atomradio

162.

Magnetisk ordning

Paramagnetisk.

Isotoper

Av alla isotoper från Scandio, ^{Fyra fem}SC upptar nästan 100% av det totala överflödet (detta återspeglas i dess atomvikt mycket nära 45 U).

De andra består av radioisotoper med olika halvlivstider; Som den ⁴⁶Sc (t_1/2 = 83,8 dagar), ⁴⁷Sc (t_1/2 = 3,35 dagar), ⁴⁴Sc (t_1/2 = 4 timmar) och ⁴⁸Sc (t_1/2 = 43,7 timmar). Andra radioisotoper har t_1/2 Mindre än 4 timmar.

Aciditet

Katjonen SC³⁺ Det är en relativt stark syra. I vatten kan du till exempel bilda det vattenhaltiga komplexet [SC (h₂ANTINGEN)₆]³⁺, som också kan förvandla pH till ett värde under 7, eftersom det genererar hjoner₃ANTINGEN⁺ Som en produkt från dess hydrolys:

[SC (H₂ANTINGEN)₆]³⁺(Ac)+h₂Eller (l) [sc (h₂ANTINGEN)₅Åh]²⁺(Ac)+h₃ANTINGEN⁺(Ac)

Skandioens surhet kan också tolkas enligt Lewis definition: den har en hög tendens att acceptera elektroner och därför att bilda koordinationskomplex.

Samordningsnummer

En viktig egenskap hos Skandio är att dess koordinationsnummer, både i de flesta av dess oorganiska föreningar, strukturer eller organiska kristaller, är 6; Det betyder att SC är omgiven av sex grannar (eller bildar sex länkar). Ovan, den komplexa acuo [sc (h₂ANTINGEN)₆]³⁺ Det är det enklaste exemplet av alla.

I kristallerna är SC -centren octaedraler; antingen interagera med andra joner (i joniska fasta ämnen) eller med neutrala atomer kopplade kovalent (i kovalenta fasta ämnen).

Exempel på det senare har vi [SC (OAC)₃], som bildar kedjestruktur med acotiloxi- eller acetoxi) grupper som fungerar som broar mellan SC -atomer.

Nomenklatur

Eftersom nästan som standard oxidationsnumret för Scandio i mycket av dess föreningar är +3, anses detta vara unikt och nomenklaturen är därför avsevärt förenklad; Mycket lika som med alkaliska metaller eller aluminium själv.

Tänk till exempel på din oxid, SC₂ANTINGEN₃. Samma kemiska formel indikerar i förväg oxidationsstatusen +3 för Scandio. För att kalla denna Scandio -förening, och som andra används således systematiska, lager och traditionella nomenklaturer.

SC₂ANTINGEN₃ Det är då Scandio -oxid, enligt aktie nomenklaturen, utelämnande (III) (även om det inte är dess enda möjliga oxidationstillstånd); Oxid skandik, med suffixet -ico i slutet av namnet enligt den traditionella nomenklaturen; och diescondio trioxid, följer reglerna för de grekiska numeriska prefixerna för den systematiska nomenklaturen.

Biologiskt papper

Skandio, för tillfället, saknar definierat biologiskt papper. Det vill säga, det är okänt hur kroppen kan ackumulera eller assimilera SC -jonerna³⁺; Vilka specifika enzymer kan använda den som en kofaktor, om den utövar ett inflytande, även om det är liknande, till Ca -joner²⁺ eller tro³⁺.

Det är dock känt att SC -joner³⁺ De utövar antibakteriella effekter eventuellt när de stör metabolismen av trosjoner³⁺.

Vissa statistiska studier inom medicinen kopplar eventuellt till magstörningar, fetma, diabetes, cerebral leptomingit och andra sjukdomar; Men utan resultat.

Växter ackumulerar vanligtvis inte märkbara mängder Skandio i sina blad eller stjälkar utan i deras rötter och knölar. Därför kan man hävda att dess koncentration i biomassa är dålig, vilket indikerar lite deltagande i dess fysiologiska funktioner och följaktligen slutar samla mer i jordar.

Var är och produktion

Mineraler och stjärnor

Skandioen kanske inte är så rik som andra kemiska element, men dess närvaro i jordskorpan överträffar kvicksilver och några ädelmetaller. Faktum är att hans överflöd närmar sig koboltens och beryllium; För varje ton stenar kan 22 gram Skandio extraheras.

Kan tjäna dig: kristallina fasta ämnen: struktur, egenskaper, typer, exempel

Problemet är att deras atomer inte är belägna utan spridda; Det vill säga att det inte finns några mineraler som är exakta rika på Scandio i sin masskomposition. Därför sägs det att det inte har någon preferens för någon av de typiska mineralformatorerna (som karbonat, CO₃^2-, eller sulfid, s^2-).

Det är inte i sitt renaste tillstånd. Inte heller din mest stabila oxid, SC₂ANTINGEN₃, som kombineras med andra metaller eller silikater för att definiera mineraler; som Thortveitita, Euxenita och Gadolinita.

Dessa tre mineraler (sällsynta i sig själva) representerar de viktigaste naturliga källorna till Scandio och finns i regioner i Norge, Island, Skandinavian och Madagaskar.

För resten, SC -joner³⁺ De kan integreras som föroreningar i vissa ädelstenar, såsom akvamarin eller i urangruvor. Och på himlen, inom stjärnorna, upptar detta element numret 23 i överflöd; ganska högt om du tänker på hela kosmos.

Industriavfall och avfall

Det sa bara att Scandio också kan hittas som föroreningar. Till exempel finns det i tiopigment₂; i uranbearbetningsavfall, såväl som i dess radioaktiva mineraler; och i slöseriet med bauxiten i produktionen av metall aluminium.

Likaså är det i sent nickel och kobolt, den senare är en lovande källa till Scandio i framtiden.

Metallurgisk reduktion

De enorma svårigheterna kring extraktionen av Scandio, och att de försenade så mycket att de fick i infödda eller metalliska tillstånd berodde på SC₂ANTINGEN₃ Det är svårt att minska; Ännu mer än farbror₂, för att visa SC³⁺ En större affinitet än Ti⁴⁺ mot O^2- (Antagande av en 100% jonisk karaktär i sina respektive oxider).

Det vill säga, det är lättare att ta bort syre från farbror₂ än till SC₂ANTINGEN₃ med ett bra reducerande medel (vanligtvis kol eller alkaliska eller alkalinsmetaller). Det är därför SC₂ANTINGEN₃ Den förvandlas först till en förening vars reduktion är mindre problematisk; Som Scandio Fluoride, SCF₃. Därefter SCF₃ Det reduceras med metalliskt kalcium:

2SCF₃(S) +3CA (S) => 2SC (S) +3CAF₂(S)

SC₂ANTINGEN₃ Eller så kommer det från de ovannämnda mineralerna, eller så är det en biprodukt av extraktionerna av andra element (som uran och järn). Det är den kommersiella formen av Scandio, och dess låga årliga produktion (15 ton) återspeglar de höga bearbetningskostnaderna, utöver dess utvinning från klipporna.

Elektrolys

En annan metod för att producera Scandio är att först få ditt kloridsalt, SCCL₃, och skicka sedan den till elektrolys. Således finns det i en elektrod en metallskandio (som en svamp) och i det andra gasformiga klor.

Reaktioner

Anoterism

Scandio delar inte bara med aluminium egenskaperna för att vara ljusmetaller, utan också anfoteriska; det vill säga de uppför sig som syror och baser.

Till exempel reagerar den, som många andra övergångsmetaller, med starka syror för att producera salter och vätgas:

2sc (s) +6hcl (ac) => 2sccl₃(AC) +3H₂(g)

På så sätt uppträder det som en bas (reagerar med HCL). Men på samma sätt som det reagerar med starka baser, till exempel natriumhydroxid:

2sc (s) +6naOH (AC) +6h₂Eller (l) => 2na₃SC (OH)₆(AC) +3H₂(g)

Och nu uppträder det som en syra (den reagerar med NaOH) för att bilda ett salt av skandal; Natrium, NA₃SC (OH)₆, Med skandalanjonen, SC (OH)₆^3-.

Oxidation

När den utsätts för luften börjar skandioen oxidera sin respektive oxid. Reaktionen påskyndas och självutbildas om en värmekälla används. Denna reaktion representeras med följande kemiska ekvation:

4SC (S) +3O₂(g) => 2sc₂ANTINGEN₃(S)

Halogenuro

Scandio reagerar med alla halogener för att bilda halogenuro för allmän kemi formel scx₃ (X = f, cl, br, etc.).

Reagera till exempel med jod enligt följande ekvation:

2sc (s) +3i₂(g) => 2SCI₃(S)

På samma sätt reagerar det med klor, brom och fluorid.

Hydroxidbildning

Metallic Scandio kan lösa upp i vattnet för att orsaka dess respektive hydroxid och vätgas:

2sc (s) +6h₂Eller (l) => 2sc (OH)₃(s) + h₂(g)

Syrahydrolys

Vattenhaltiga komplex [SC (h₂ANTINGEN)₆]³⁺ De kan hydrolisera på ett sådant sätt att de slutar bilda SC- (OH) -SC, tills de definierar ett kluster med tre skandioatomer.

Risker

Det är okänt, utöver dess biologiska roll, vad exakt de fysiologiska och toxikologiska effekterna av Scandio är.

I sin elementära form tros det att det inte är giftigt, såvida inte det fint uppdelat fast ämne inhaleras och därmed orsakar skador på lungorna. På samma sätt tillskrivs deras föreningar nolltoxicitet, så intaget av deras salter i teorin bör inte representera någon risk; Så länge dosen inte är hög (testad hos råttor).

Kan tjäna dig: ångtryck: koncept, exempel och övningar löst

Uppgifterna relaterade till dessa aspekter är dock mycket begränsade. Därför kan det inte antas att ingen av Scandio -föreningarna verkligen är icke -toxiska; Ännu mindre om metallen kan samlas i jord och vatten, sedan flytta till växter och i mindre utsträckning till djur till djur.

För ögonblicken representerar Scandio ännu inte en påtaglig risk om jämfört med tyngre metaller; som kadmium, kvicksilver och bly.

Ansökningar

Legeringar

Även om priset på Scandio är högt jämfört med andra metaller som titan eller ittrio, slutar dess applikationer med ansträngningar och investeringar. En av dem är att använda det som ett tillsatsmedel för aluminiumlegeringar.

På detta sätt behåller SC-A (och andra metaller) legeringar sin lätthet, men de blir ännu mer korrosionsbeständiga, höga temperaturer (de spricker inte) och är lika starka som titan.

Så mycket är effekten som Scandio har på dessa legeringar, att det räcker för att lägga till den i spårmängder (mindre än 0,5% i massa) så att dess egenskaper förbättras drastiskt utan att observera en märkbar ökning av dess vikt. Det sägs att om den används massivt en dag kan det minska vikten av flygplan med 15-20%.

På samma sätt har Scandio -legeringar använts för ramarna på revolverna, eller för tillverkning av sportartiklar, såsom basebollbad, specialcyklar, fiskevass, golfpinnar, etc.; Även om titanlegeringar vanligtvis ersätter dem med att vara billigare.

Den mest kända av dessa legeringar är Al_tjugoLi_tjugoMg₁₀Präst_tjugoDu₃₀, Vilket är lika starkt som titan, lika lätt som aluminium och hårt som keramik.

3D -intryck

SC-AL-legeringar har använts för att göra metall 3D-intryck, i syfte att placera eller lägga till lager av dem på ett förvalat fast ämne.

Stadionbelysning

Ljuset i ljuset i stadierna efterliknar solljuset tack vare skandio -jodidens verkan bredvid kvicksilverångarna. Källa: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Det läggs till (tillsammans med natriumjodid) till kvicksilverånga lampor för att skapa konstgjorda ljus som efterliknar solen. Det är därför som på stadionerna eller vissa idrottsdomstolar, även på natten, är belysningen inom dem sådan att de ger känslan av att observera ett spel på hel dag.

Liknande effekter har tilldelats för elektriska enheter som digitala kameror, tv -skärmar eller för datorskärmar. Dessutom strålkastarna med dessa SCI -lampor₃-HG har varit i film- och TV -studior.

Fast oxidbränslebatterier

SOFC, för sin förkortning på engelska (fast oxidbränslecell) använder en oxid eller keramik som ett elektrolytiskt medium; I detta fall ett fast ämne som innehåller skandiojoner. Dess användning i dessa enheter beror på dess stora elektriska konduktivitet och förmåga att stabilisera temperaturökningar; Så de arbetar utan att värma i hög grad.

Exempel på en sådan fasta oxider är den stabiliserade zirkoniten med Scandio (i SC -formad₂ANTINGEN₃, igen).

Keramik

Scandio och Titanium Carbide utgör en exceptionell hårdhetskeramik, endast övervunnen av diamanter. Emellertid är användningen begränsad till material med mycket avancerade applikationer.

Organisk koordinationskristaller

SC -joner³⁺ De kan samordna med flera organiska ligander, särskilt om de är syresatta molekyler.

Detta beror på att SC-O-bindningarna bildas är mycket stabila och därför slutar bygga kristaller med fantastiska strukturer, vars porer kan utlösas kemiska reaktioner och bete sig som heterogena katalysatorer; eller värd neutrala molekyler, uppför sig som en solid lagring.

På samma sätt kan sådana organiska gråtkristallkristaller användas för att designa sensoriska material, molekylsiktar eller jonledare.

Referenser

1. Irina Shtngeeva. (2004). Skandium. Saint Petersburg State University Saint Petersburg. Återhämtat sig från: forskning.netto
2. Wikipedia. (2019). Skandium. Hämtad från: i.Wikipedia.org
3. Redaktörerna för Enyclopaedia Britannica. (2019). Skandium. Encyclopædia Britannica. Återhämtat sig från: Britannica.com
4. Doktor. Doug Stewart. (2019). Fakta om skandiumelement. Kemikkolis. Återhämtat sig från: Chemicool.com
5. Skala. (2018). Skandium. Återhämtat sig från: skala-projekt.Eu
6. Helmestine, Anne Marie, PH.D. (3 juli 2019). En översikt över skandium. Återhämtat sig från: tankco.com
7. Kist, a.TILL., Zhuk, L.Yo., Danilova, E.TILL., & Makhmudov och.TILL. (2012). På frågan om skandiums biologiska roll. Återhämtat sig från: inis.Iaea.org
8. W.TILL.Grosshans och.K.Vohra & w.B.Holzapfel. (1982). Högtrycksfastransformationer i yttrium och skandium: Relation till sällsynta jordar och aktinider kristallstrukturer. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volym 29, Issues 1-3, sidorna 282-286 DOI.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina eller. Barsukova et al. (2018). Skandiumorganiska ramar: Framsteg och framtidsutsikter. Russ. Kem. Varv. 87 1139.
10. Investing News Network. (11 november 2014). Skandiumapplikationer: En översikt. AIME MEDIA INC. Återställt från: InvestingNews.com