De skandium det är en övergångsmetall vars kemiska symbol är Sc. Det är den första av övergångsmetallerna i det periodiska systemet, men det är också ett av de mindre vanliga elementen i de sällsynta jordarterna; även om dess egenskaper kan likna de hos lantanider, är det inte alla författare som godkänner att klassificera det på ett sådant sätt.
På den populära nivån är det ett kemiskt element som går obemärkt förbi. Dess namn, född från sällsynta jordartsmetaller från Skandinavien, kan strömma bredvid koppar, järn eller guld. Det är dock fortfarande imponerande, och legeringarnas fysiska egenskaper kan konkurrera med titan..
På samma sätt görs fler och fler steg i teknikvärlden, särskilt när det gäller belysning och lasrar. Den som har observerat en fyr som strålar ut ett ljus som liknar solens, kommer att ha indirekt bevittnat förekomsten av skandium. Annars är det ett lovande objekt för flygplanstillverkning.
Skandiummarknadens största problem är att den är spridd i stor utsträckning och att det inte finns några mineraler eller rika källor till den; så dess utvinning är dyrt, även om det inte är en metall med låg överflöd i jordskorpan. I naturen finns den som dess oxid, ett fast ämne som inte lätt kan reduceras.
I de flesta av dess föreningar, oorganiska eller organiska, deltar den i bindningen med ett oxidationsnummer på +3; antar närvaron av Sc-katjonen3+. Skandium är en relativt stark syra och kan bilda mycket stabila koordinationsbindningar med syreatomerna i organiska molekyler..
Artikelindex
Scandium erkändes som ett kemiskt grundämne 1879 av den schweiziska kemisten Lars F. Nilson. Han arbetade med mineralerna euxenit och gadolinit i avsikt att erhålla yttrium som finns i dem. Han upptäckte att det fanns ett okänt element i hans spår tack vare studien av spektroskopisk analys (atomemissionsspektrum).
Från mineralerna lyckades han och hans team få fram respektive skandiumoxid, ett namn som fått för att ha säkert samlat proverna från Skandinavien; mineraler som då kallades sällsynta jordarter.
Men åtta år tidigare, 1871, hade Dmitri Mendeleev förutsagt förekomsten av skandium; men med namnet ekaboro, vilket innebar att dess kemiska egenskaper liknade de hos bor.
Och det var faktiskt den schweiziska kemisten Per Teodor Cleve som tillskrev ekaboro skandium och var därmed samma kemiska element. Specifikt den som börjar blocket av övergångsmetaller i det periodiska systemet.
Många år gick när Werner Fischer och hans medarbetare 1937 lyckades isolera metallskandium (men orent) med hjälp av elektrolys av en blandning av kalium, litium och skandiumklorider. Det var först 1960 som det äntligen var möjligt att få det med en renhet på cirka 99%..
Elementärt skandium (nativt och rent) kan kristallisera till två strukturer (allotroper): kompakt sexkantig (hcp) och kroppscentrerad kubik (bcc). Den första kallas vanligtvis α-fasen och den andra β-fasen..
Den tätare, sexkantiga a-fasen är stabil vid omgivningstemperaturer; medan den mindre täta kubiska β-fasen är stabil över 1337 ºC. Således inträffar vid denna sista temperatur en övergång mellan båda faserna eller allotroperna (när det gäller metaller).
Observera att även om skandium normalt kristalliserar till ett hcp-fast ämne, betyder det inte att det är en mycket tät metall; åtminstone, ja mer än aluminium. Från sin elektroniska konfiguration kan det vara känt vilka elektroner som normalt deltar i dess metallbindning:
[Ar] 3d1 4stvå
Därför ingriper de tre elektronerna på 3d- och 4s-orbitalerna på det sätt på vilket Sc-atomerna är placerade i kristallen..
För att komprimera till en sexkantig kristall måste kärnornas attraktion vara sådan att dessa tre elektroner, svagt skyddade av elektronerna från de inre skalen, inte sträcker sig för långt från Sc-atomerna och följaktligen avståndet mellan dem minskas..
A- och p-faserna är associerade med temperaturförändringar; Det finns emellertid en tetragonal fas, liknande den för metallniob, Nb, som uppstår när metallskandiet genomgår ett tryck större än 20 GPa.
Scandium kan förlora upp till maximalt av sina tre valenselektroner (3d14stvå). I teorin är de första som "går" de i 4-talets omlopp..
Således antar vi att katjonen Sc+ i föreningen är dess oxidationsnummer +1; vilket är detsamma som att säga att han förlorade en elektron från 4s-banan (3d14s1).
Om det är Sctvå+, 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 ett oxidationsnummer på +3 och är isoelektroniskt mot argon.
Kort sagt är deras oxidationsnummer: +1, +2 och +3. Till exempel i SctvåELLER3 oxidationsantalet av skandium är +3 eftersom Sc antas3+ (Sctvå3+ELLER3två-).
Det är en silvervit metall i sin rena och elementära form, med en mjuk och slät konsistens. Den får gulrosa toner när den börjar täckas med ett lager av oxid (SctvåELLER3).
44,955 g / mol.
1541 ºC.
2836 ºC.
25,52 J / (mol K).
14,1 kJ / mol.
332,7 kJ / mol.
66 μΩ cm vid 20 ºC.
2,985 g / ml, fast och 2,80 g / ml, flytande. Observera att dess solid state densitet är nära den för aluminium (2,70 g / ml), vilket innebär att båda metallerna är mycket lätta; men skandium smälter vid högre temperatur (aluminiumens smältpunkt är 660,3 ºC).
1,36 på Pauling-skalan.
Först: 633,1 kJ / mol (Sc+ gasformig).
Andra: 1235,0 kJ / mol (Sctvå+ gasformig).
Tredje: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gasformig).
162.
Paramagnetisk.
Av alla isotoper av skandium, Fyra femSc upptar nästan 100% av det totala överflödet (detta återspeglas i dess atomvikt mycket nära 45 u).
De andra består av radioisotoper med olika halveringstider; Som den 46Sc (t1/2 = 83,8 dagar), 47Sc (t1/2 = 3,35 dagar), 44Sc (t1/2 = 4 timmar) och 48Sc (t1/2 = 43,7 timmar). Andra radioisotoper har t1/2 mindre än 4 timmar.
Katjonen Sc3+ det är en relativt stark syra. I vatten kan det till exempel bilda det vattenhaltiga komplexet [Sc (HtvåELLER)6]3+, vilket i sin tur kan vända pH till ett värde under 7, eftersom det genererar H-joner3ELLER+ som en produkt av dess hydrolys:
[Sc (HtvåELLER)6]3+(ac) + HtvåO (l) <=> [Sc (HtvåELLER)5ÅH]två+(ac) + H3ELLER+(ac)
Scandiumets surhet kan också tolkas enligt Lewis-definitionen: den har en hög tendens att acceptera elektroner och därför bilda koordinationskomplex.
En viktig egenskap hos skandium är att dess koordinationsnummer, både i de flesta av dess oorganiska föreningar, strukturer eller organiska kristaller, är 6; det vill säga Sc är omgiven av sex grannar (eller bildar sex obligationer). Ovan är den komplexa vattenhaltiga [Sc (HtvåELLER)6]3+ är det enklaste exemplet av alla.
I kristaller är centrum för Sc oktaedriska; antingen interagerar med andra joner (i joniska fasta ämnen) eller med neutrala atomer kovalent bundna (i kovalenta fasta ämnen).
Exempel på det senare har vi [Sc (OAc)3], som bildar en kedjestruktur med AcO-grupperna (acetyloxi eller acetoxi) som fungerar som broar mellan Sc-atomerna.
Eftersom oxidationsantalet av skandium nästan som standard i de flesta av dess föreningar är +3 anses det vara unikt och nomenklaturen förenklas därför avsevärt. mycket lika som det händer med alkalimetaller eller aluminium själv.
Tänk till exempel på din rost, SctvåELLER3. Samma kemiska formel anger i förväg oxidationstillståndet för +3 för skandium. Således, för att kalla denna förening skandium, och som andra, används de systematiska, stam- och traditionella nomenklaturerna..
SctvåELLER3 Det är då skandiumoxid, enligt stamnomenklaturen, som utelämnar (III) (även om det inte är det enda möjliga oxidationstillståndet); skandisk oxid, med suffixet -ico i slutet av namnet enligt traditionell nomenklatur; och dieskandiumtrioxid, som följer reglerna i de grekiska numeriska prefixen i den systematiska nomenklaturen.
Scandium saknar för tillfället en definierad biologisk roll. Det är, det är okänt hur kroppen kan ackumuleras eller assimilera Sc-joner3+; vilka specifika enzymer som kan använda den som en kofaktor, om den påverkar celler, om än liknande, till Ca-jonertvå+ o Tro3+.
Det är emellertid känt att Sc-joner3+ utöva antibakteriella effekter möjligen genom att störa Fe-jonmetabolismen3+.
Vissa statistiska studier inom medicin kopplar det möjligen till magbesvär, fetma, diabetes, cerebral leptomeningit och andra sjukdomar; men utan tillräckligt upplysande resultat.
På samma sätt ackumulerar växter vanligtvis inte märkbara mängder skandium i sina löv eller stjälkar, utan snarare i sina rötter och knölar. Därför kan det hävdas att dess koncentration i biomassa är dålig, vilket tyder på lite deltagande i dess fysiologiska funktioner och följaktligen hamnar det mer i jord..
Skandium kanske inte är så rikligt som andra kemiska element, men dess närvaro i jordskorpan överstiger kvicksilverens och vissa ädelmetallers. I själva verket är dess överflöd ungefär det med kobolt och beryllium; för varje ton stenar kan 22 gram skandium extraheras.
Problemet är att dess atomer inte är belägna utan spridda; det vill säga det finns inga mineraler som är exakt rika på skandium i sin masskomposition. Därför sägs det att det inte har någon preferens för någon av de typiska mineralbildande anjonerna (såsom karbonat, CO3två-, eller svavel, Stvå-).
Det är inte i sitt rena tillstånd. Inte heller är dess mest stabila oxid, SctvåELLER3, som kombineras med andra metaller eller silikater för att definiera mineraler; såsom torveitit, euxenit och gadolinit.
Dessa tre mineraler (sällsynta i sig) representerar de viktigaste naturliga källorna till Scandium och finns i regioner i Norge, Island, Skandinavien och Madagaskar..
Annars jonerna Sc3+ de kan införlivas som föroreningar i vissa ädelstenar, såsom akvamarin, eller i urangruvor. Och på himlen, inom stjärnorna, rankas detta element nummer 23 i överflöd; ganska högt om hela kosmos beaktas.
Det har just sagts att skandium också kan hittas som en orenhet. Det finns till exempel i TiO-pigmenttvå; i avfallet från uranbearbetning, liksom dess radioaktiva mineraler; och i bauxitrester vid produktion av metalliskt aluminium.
Det finns också i nickel och kobolt lateriter, den senare är en lovande källa till skandium i framtiden..
De enorma svårigheterna kring extraktion av skandium, och som tog så lång tid att uppnå i det ursprungliga eller metalliska tillståndet, berodde på det faktum att SctvåELLER3 det är svårt att minska; ännu mer än TiOtvå, för att visa Sc3+ en affinitet större än Ti4+ mot Otvå- (antar 100% jonisk karaktär i deras respektive oxider).
Det är, det är lättare att avlägsna syre från TiOtvå än till SctvåELLER3 med ett bra reduktionsmedel (typiskt kol eller alkali eller jordalkalimetaller). Det är därför SctvåELLER3 den omvandlas först till en förening vars reduktion är mindre problematisk; såsom skandiumfluorid, ScF3. Nästa, ScF3 reduceras med metalliskt kalcium:
2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFtvå(s)
SctvåELLER3 Antingen kommer det från de mineraler som redan nämnts, eller så är det en biprodukt från extraktioner av andra element (såsom uran och järn). Det är den kommersiella formen av skandium, och dess låga årsproduktion (15 ton) återspeglar de höga kostnaderna för bearbetning, förutom dess utvinning från stenar..
En annan metod för att producera skandium är att först erhålla sitt kloridsalt, ScCl3, och utsätt den sedan för elektrolys. Således produceras metalliskt skandium i en elektrod (som en svamp) och klorgas produceras i den andra.
Scandium delar inte bara med aluminium egenskaperna som lättmetaller utan de är också amfotära; det vill säga de beter sig som syror och baser.
Till exempel reagerar det, som många andra övergångsmetaller, med starka syror för att producera salter och vätgas:
2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Htvå(g)
På så sätt beter sig det som en bas (reagerar med HCl). Men det reagerar på samma sätt med starka baser, såsom natriumhydroxid:
2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6HtvåO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Htvå(g)
Och nu beter den sig som en syra (reagerar med NaOH) för att bilda ett skandatsalt; den av natrium, Na3Sc (OH)6, med skandatanjonen, Sc (OH)63-.
När den utsätts för luft börjar skandium oxidera till sin respektive oxid. Reaktionen accelereras och autokatalyseras om en värmekälla används. Denna reaktion representeras av följande kemiska ekvation:
4Sc (s) + 3Otvå(g) => 2SctvåELLER3(s)
Scandium reagerar med alla halogener för att bilda halider med den allmänna kemiska formeln ScX3 (X = F, Cl, Br, etc.).
Till exempel reagerar den med jod enligt följande ekvation:
2Sc (s) + 3Itvå(g) => 2ScI3(s)
På samma sätt reagerar det med klor, brom och fluor.
Metalliskt skandium kan lösas upp i vatten för att ge upphov till dess respektive hydroxid och vätgas:
2Sc (s) + 6HtvåO (l) => 2Sc (OH)3(s) + Htvå(g)
De vattenhaltiga komplexen [Sc (HtvåELLER)6]3+ kan hydrolyseras på ett sådant sätt att de slutar bilda Sc- (OH) -Sc-broar tills de definierar ett kluster med tre skandiumatomer.
Förutom dess biologiska roll är det okänt vad exakt de fysiologiska och toxikologiska effekterna av skandium är.
I sin elementära form antas den vara giftfri, såvida inte dess finfördelade fasta ämne inhaleras och därigenom orsakar skador på lungorna. Likaså tilldelas dess föreningar ingen toxicitet, så intag av deras salter i teorin bör inte utgöra någon risk; så länge dosen inte är hög (testad på råtta).
Uppgifterna om dessa aspekter är dock mycket begränsade. Det kan därför inte antas att någon av skandiumföreningarna verkligen är giftfria; ännu mindre om metallen kan ackumuleras i jord och vatten och sedan passera till växter och i mindre grad djur.
För närvarande representerar skandium fortfarande inte en påtaglig risk jämfört med tyngre metaller. såsom kadmium, kvicksilver och bly.
Även om priset på skandium är högt jämfört med andra metaller som titan eller yttrium i sig, blir dess applikationer värda ansträngningarna och investeringarna. En av dem är att använda den som tillsats för aluminiumlegeringar..
På detta sätt behåller Sc-Al-legeringar (och andra metaller) sin ljushet, men blir ännu mer motståndskraftiga mot korrosion, vid höga temperaturer (de spricker inte) och är lika starka som titan.
Så mycket är effekten som skandium har på dessa legeringar, att det räcker att lägga till det i spårmängder (mindre än 0,5 viktprocent) för att dess egenskaper ska förbättras drastiskt utan att observera en märkbar ökning av dess vikt. Det sägs att om det används massivt en dag kan det minska flygplanets vikt med 15-20%.
På samma sätt har skandiumlegeringar använts för revolverramar eller för tillverkning av sportartiklar, såsom basebollträn, specialcyklar, fiskespön, golfklubbar etc. även om titanlegeringar tenderar att ersätta dem eftersom de är billigare.
Den mest kända av dessa legeringar är AltjugoLitjugoMg10SctjugoDu30, som är lika stark som titan, lika lätt som aluminium och så hård som keramik.
Sc-Al-legeringar har använts för att göra metalliska 3D-utskrifter i syfte att placera eller lägga till lager av dem på ett förvalt fastämne.
Skandiumjodid, ScI3, det tillsätts (tillsammans med natriumjodid) till kvicksilverånglampor för att skapa konstgjorda ljus som efterliknar solen. Det är därför på arenor eller vissa idrottsplatser, även på natten, belysningen inuti dem är så att de ger en känsla av att titta på ett spel i dagsljus..
Liknande effekter har varit avsedda för elektriska apparater såsom digitala kameror, TV-skärmar eller datorskärmar. Dessutom strålkastare med sådana lampor från ScI3-Hg har lokaliserats i film- och tv-studior.
SOFC, för sin akronym på engelska (fast oxidbränslecell) använder en oxid eller keramik som det elektrolytiska mediet; i detta fall ett fast ämne innehållande skandiumjoner. Dess användning i dessa enheter beror på dess stora elektriska ledningsförmåga och förmåga att stabilisera temperaturökningar; så de arbetar utan att bli för heta.
Ett exempel på en sådan fast oxid är skandiumstabiliserad zirkonit (i form av SctvåELLER3, om igen).
Skandiumkarbid och titan utgör en keramik av exceptionell hårdhet, endast överträffad av diamanter. Användningen är dock begränsad till material med mycket avancerade applikationer..
Sc-joner3+ kan samordna med flera organiska ligander, speciellt om de är syresatta molekyler.
Detta beror på att de bildade Sc-O-bindningarna är mycket stabila och därför slutar bygga kristaller med fantastiska strukturer, i vilka porer kemiska reaktioner kan utlösas och uppträder som heterogena katalysatorer; eller vara värd för neutrala molekyler, som beter sig som en fast lagring.
På samma sätt kan sådana organiska skandiumkoordineringskristaller användas för att designa sensoriska material, molekylsiktar eller jonledare..
Ingen har kommenterat den här artikeln än.