SCANDIUM: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, REAKCIE, RIZIKÁ A POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Skandium je prechodný kov, ktorého chemická značka je Sc je prvý z prechodných kovov v periodickej tabuľke, ale je tiež jedným z najmenej spoločných prvkov vzácnych zemín.; Aj keď jeho vlastnosti sa môžu podobať vlastnostiam lantanoidov, nie všetci autori ich klasifikujú takýmto spôsobom.

Na populárnej úrovni je to nepovšimnutý chemický prvok. Jeho názov, ktorý sa rodí z minerálov vzácnych zemín zo Škandinávie, sa môže vyskytovať hneď vedľa medi, železa alebo zlata. Je však stále pôsobivá a fyzikálne vlastnosti zliatin môžu konkurovať vlastnostiam titánu.

Vzorka ultračistého elementárneho škandia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Vo svete technológie sa tiež vykonáva čoraz viac krokov, najmä pokiaľ ide o osvetlenie a lasery. Každý, kto pozoroval maják vyžarujúci svetlo podobné tomu slnku, bude nepriamo svedkom existencie škandia. Inak je to sľubná položka pre výrobu lietadiel.

Hlavným problémom, ktorému čelí trh so škandiom, je to, že je značne rozptýlené a neexistujú na ňom žiadne nerasty ani bohaté zdroje; takže jeho ťažba je drahá, aj keď nejde o kov s nízkou hojnosťou v zemskej kôre. V prírode sa nachádza ako oxid, tuhá látka, ktorú nie je možné ľahko redukovať.

Vo veľkej časti svojich anorganických alebo organických zlúčenín sa podieľa na väzbe s oxidačným číslom +3; to znamená za predpokladu, že je prítomný katión Sc ³⁺ . Scandium je relatívne silná kyselina a môže tvoriť veľmi stabilné koordinačné väzby s atómami kyslíka organických molekúl.

histórie

Škandium bolo uznané ako chemický prvok v roku 1879 švajčiarskym chemikom Larsom F. Nilsonom. Pracoval s minerálmi, euxenitom a gadolinitom, s cieľom získať v nich obsiahnuté ytrium. Objavil, že v štúdiách spektroskopickej analýzy (atómové emisné spektrum) sa v ich stopách nachádzal neznámy prvok.

Z nerastov sa mu a jeho tímu podarilo získať príslušný oxid skandia, meno, ktoré sa získalo za to, že vzorky zo Škandinávie boli odobraté; minerály, ktoré sa dovtedy nazývali vzácnymi zeminami.

O osem rokov skôr, v roku 1871, Dmitrij Mendeleev však predpovedal existenciu škandia; ale s názvom ekaboro, čo znamená, že jeho chemické vlastnosti boli podobné vlastnostiam bóru.

A vlastne škandium pripisoval ekaboro švajčiarsky chemik Per Teodor Cleve, ktorý bol tým istým chemickým prvkom. Konkrétne ten, ktorý začína blok prechodných kovov v periodickej tabuľke.

Uplynulo mnoho rokov, keď sa v roku 1937 Wernerovi Fischerovi a jeho spolupracovníkom podarilo pomocou elektrolýzy zmesi chloridov draslíka, lítia a skandia izolovať kovový skandium (ale nečisté). Až v roku 1960 bolo možné ho získať s čistotou okolo 99%.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Elementárne škandium (natívne a čisté) môže kryštalizovať do dvoch štruktúr (allotropy): kompaktný hexagonálny (hcp) a kubický kubický stred (bcc). Prvá je obvykle označovaná ako a fáza a druhá je p fáza.

Hustšia hexagonálna a fáza je stabilná pri teplote okolia; zatiaľ čo menej hustá kubická β fáza je stabilná nad 1337 ° C. Pri tejto poslednej teplote teda dochádza k prechodu medzi oboma fázami alebo alotrópmi (v prípade kovov).

Všimnite si, že hoci skandium normálne kryštalizuje na pevnú látku hcp, nerobí z neho veľmi hustý kov; prinajmenšom áno viac ako hliník. Z jeho elektronickej konfigurácie je známe, ktoré elektróny sa bežne podieľajú na svojej kovovej väzbe:

3d ¹ 4s ²

Preto tri elektróny z orbitálov 3d a 4s zasahujú do spôsobu, akým sú atómy Sc umiestnené v kryštáli.

Na zhutnenie do šesťuholníkového kryštálu musí byť príťažlivosť jeho jadier taká, aby tieto tri elektróny, slabo tienené elektrónmi vnútorných puzdier, sa nebránili príliš ďaleko od atómov Sc, a preto sa ich vzdialenosti medzi nimi zúžili.

Vysokotlaková fáza

A a p fázy sú spojené so zmenami teploty; avšak existuje tetragonálna fáza, podobná fáze kovového nióbu, Nb, ktorá vzniká, keď kovový skandium pod tlakom vyšším ako 20 GPa.

Oxidačné čísla

Scandium môže stratiť maximálne tri svoje valenčné elektróny (3d ¹ 4s ² ). Teoreticky sú prví, ktorí „idú“, tí, ktorí sú v obežnej dráhe 4 s.

Takže za predpokladu existencie Sc ⁺ katiónu v zlúčenine je jej oxidačné číslo +1; čo je rovnaké ako tvrdenie, že prišiel o elektrón zo 4-obežnej dráhy (3d ¹ 4s ¹ ).

Ak je to Sc ²⁺ , jeho oxidačné číslo bude +2 a stratí dva elektróny (3d ¹ 4s ⁰ ); a ak je to Sc ³⁺ , najstabilnejší z týchto katiónov, bude mať oxidačné číslo +3 a izoelektronické pre argón.

Stručne povedané, ich oxidačné čísla sú: +1, +2 a +3. Napríklad v Sc ₂ O ₃ oxidačné číslo skandia je 3 preto, že existencia Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ² ) sa predpokladá .

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Je to strieborný biely kov v čistej a elementárnej podobe s jemnou a hladkou textúrou. Získava žlto-ružové tóny keď sa začne byť pokrytá vrstvou oxidu (Sc ₂ O ₃ ).

Molárna hmota

44,955 g / mol.

Bod topenia

1541 ° C

Bod varu

2836 ° C

Molárna tepelná kapacita

25,52 J / (mol.K).

Teplo fúzie

14,1 kJ / mol.

Odparovacie teplo

332,7 kJ / mol.

Tepelná vodivosť

66 µΩ · cm pri 20 ° C

Hustota

2,985 g / ml, tuhá látka a 2,80 g / ml, kvapalina. Všimnite si, že jeho hustota v tuhom skupenstve je blízka hustote hliníka (2,70 g / ml), čo znamená, že oba kovy sú veľmi ľahké; ale skandium sa topí pri vyššej teplote (teplota topenia hliníka je 660,3 ° C).

electronegativity

1,36 v Paulingovej stupnici.

Ionizačné energie

Najprv: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ plynný).

Po druhé: 1235,0 kJ / mol (Sc ²⁺ plynný).

Po tretie: 2388,6 kJ / mol ( plyn Sc ³⁺ ).

Atómové rádio

162 hodín.

Magnetické usporiadanie

Paramagnetický.

izotopy

Zo všetkých izotopov skandia ⁴⁵ Sc zaberá takmer 100% celkového množstva (čo sa odráža v jeho atómovej hmotnosti veľmi blízko 45 u).

Ostatné pozostávajú z rádioizotopov s rôznymi polčasmi; ako je ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 dní), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 dní), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 hodiny) a ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 hodín). Ostatné rádioizotopy majú t _1/2 menej ako 4 hodiny.

kyslosť

Katión Sc3 ⁺ je relatívne silná kyselina. Napríklad, vo vode sa môžu tvoriť vodné komplexné ³⁺ , čo môže zase pH na hodnotu nižšiu ako 7, vzhľadom k tomu, že sa generuje H ₃ O ⁺ ióny ako produkt jej hydrolýzy:

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

Kyslosť skandia sa môže tiež interpretovať podľa Lewisovej definície: má vysokú tendenciu prijímať elektróny, a preto tvorí koordinačné komplexy.

Koordinačné číslo

Dôležitou vlastnosťou škandia je to, že jeho koordinačné číslo je vo väčšine jeho anorganických zlúčenín, štruktúr alebo organických kryštálov 6; to znamená, že Sc je obklopený šiestimi susedmi (alebo tvorí šesť väzieb). Hore uvedený komplexný vodný roztok ³⁺ je najjednoduchším príkladom zo všetkých.

V kryštáloch sú stredy Sc oktaedrické; buď interagujú s inými iónmi (v iónových pevných látkach), alebo s kovalentne viazanými neutrálnymi atómami (v kovalentných pevných látkach).

Príkladom toho druhého je al, ktorý vytvára reťazovú štruktúru s AcO skupinami (acetyloxy alebo acetoxy), ktoré pôsobia ako mosty medzi atómami Sc.

názvoslovie

Vzhľadom na skutočnosť, že takmer štandardne je oxidačné číslo skandia vo väčšine jeho zlúčenín +3, považuje sa za jedinečné a nomenklatúra sa preto výrazne zjednodušuje; veľmi podobné, ako sa to stáva pri alkalických kovoch alebo samotnom hliníku.

Uvažujme napríklad jeho oxid, Sc ₂ O ₃ . Rovnaký chemický vzorec znamená vopred oxidačný stav +3 pre škandium. Teda, aby sa nazývalo toto zložené škandium a podobne ako iné, používajú sa systematické, skladové a tradičné nomenklatúry.

Sc ₂ O ₃ je potom oxid skandium, podľa stavové nomenklatúry, testovanú (III), (aj keď to nie je jeho jediným možným oxidačný stav); skandický oxid s príponou –ico na konci názvu podľa tradičnej nomenklatúry; a oxid dieskandnatý, dodržiavajúci pravidlá gréckych číselných predpon systematickej nomenklatúry.

Biologická úloha

Škandium zatiaľ nemá definovanú biologickú úlohu. To znamená, že nie je známe, ako môže telo akumulovať alebo asimilovať ióny Sc ³⁺ ; ktoré špecifické enzýmy ho môžu použiť ako kofaktor, ak má vplyv na bunky, aj keď podobné iónom Ca ²⁺ alebo Fe ³⁺ .

Je však známe, že ióny Sc ³⁺ majú antibakteriálne účinky, pravdepodobne tým, že interferujú s metabolizmom iónov Fe ³⁺ .

Niektoré štatistické štúdie v medicíne ju možno spájajú s poruchami žalúdka, obezitou, cukrovkou, mozgovou leptomeningitídou a inými chorobami; ale bez dostatočne poučných výsledkov.

Podobne, rastliny obvykle neakumulujú značné množstvo škandia v listoch alebo stonkách, ale v koreňoch a uzlíkoch. Preto je možné tvrdiť, že jej koncentrácia v biomase je zlá, čo svedčí o malej účasti na jej fyziologických funkciách, a preto sa nakoniec viac akumuluje v pôde.

Kde hľadať a produkovať

Minerály a hviezdy

Škandium nemusí byť také hojné ako iné chemické prvky, ale jeho prítomnosť v zemskej kôre presahuje prítomnosť ortuti a niektorých drahých kovov. V skutočnosti je jej množstvo približne rovnaké ako množstvo kobaltu a berýlia; Na každú tonu hornín sa dá extrahovať 22 gramov skandia.

Problém je v tom, že ich atómy nie sú lokalizované, ale rozptýlené; to znamená, že neexistujú žiadne minerály, ktoré sú vo svojom hmotnostnom zložení presne bohaté na škandium. Preto sa hovorí, že žiadnu preferenciu pre niektorý z typických minerálnych tvoriace anióny (ako je napríklad uhličitan, CO ₃ ^2- , alebo sulfid, S ² ).

Nie je v čistom stave. Rovnako tak nie je jeho najviac oxid stabilný, Sc ₂ O ₃ , ktorý spoločne s inými kovmi alebo kremičitany definovať minerály; ako je tortveitit, euxenit a gadolinit.

Tieto tri minerály (samy osebe) predstavujú hlavné prírodné zdroje škandia a nachádzajú sa v regiónoch Nórska, Islandu, Škandinávie a Madagaskaru.

Inak môžu byť ióny Sc ³⁺ včlenené ako nečistoty do niektorých drahokamov, ako je akvamarín alebo do uránových baní. A na oblohe, v hviezdach, je tento prvok v hojnosti; celkom vysoká, ak sa berie do úvahy celý Cosmos.

Priemyselný odpad a odpad

Práve sa hovorilo, že škandium možno nájsť aj ako nečistotu. Napríklad, bolo zistené, v TiO ₂ pigmentov ; v odpade zo spracovania uránu, ako aj v jeho rádioaktívnych mineráloch; a v bauxitových zvyškoch pri výrobe kovového hliníka.

Nachádza sa tiež v niklových a kobaltových lateritoch, z ktorých druhý je v budúcnosti sľubným zdrojom škandia.

Metalurgická redukcia

Obrovské problémy obklopujúce extrakciu skandia, čo trvalo tak dlho, aby sa získal v natívnom alebo kovovom stave, boli vzhľadom k tomu, že Sc ₂ O ₃ je ťažké znížiť; ešte viac ako TiO ₂ , pretože Sc ^{3+ ukazuje} väčšiu afinitou, než Ti ⁴⁺ na O ^2- (za predpokladu 100% iónový charakter v ich príslušných oxidov).

To znamená, že je jednoduchšie k de-kyslík TiO ₂ ako Sc ₂ O ₃ s dobrým redukčným činidlom (typicky uhlíka alebo alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín). To je dôvod, prečo Sc ₂ O ₃ sa najprv premenená na zlúčeninu, ktorej zníženie je menej problematická; ako je napríklad fluorid skandium, SCF ₃ . Ďalej je ScF ₃ redukovaný kovovým vápnikom:

2ScF ₃ (s) + 3Ca (y) => 2SC (y) + 3CaF ₂ (s)

Sc ₂ O ₃ pochádza buď z už spomenutých nerastov, alebo je vedľajším produktom extrakcií iných prvkov (ako je urán a železo). Je to komerčná forma škandia a jej nízka ročná produkcia (15 ton) odráža okrem nákladov na ťažbu aj vysoké náklady na spracovanie.

elektrolýza

Ďalšou metódou na výrobu skandia je najprv získať jej chlorid, SCCL ₃ , a potom ho podrobiť elektrolýze. Kovové skandium sa teda vyrába v jednej elektróde (ako špongia) a plynný chlór sa vytvára v druhej elektróde.

reakcie

Amphotericism

Scandium nielenže s hliníkom spája vlastnosti ľahkých kovov, ale je aj amfotérny; to znamená, že sa správajú ako kyseliny a zásady.

Napríklad, podobne ako mnoho iných prechodných kovov, reaguje so silnými kyselinami za vzniku solí a plynného vodíka:

2SC (y) + 6HCl (aq) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (g)

Pritom sa správa ako báza (reaguje s HCl). Rovnakým spôsobom však reaguje so silnými zásadami, ako je hydroxid sodný:

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

A teraz sa správa ako kyselina (reaguje s NaOH), aby vytvorila škandátovú soľ; že sodíka, Na ₃ Sc (OH) ₆ , s scandate aniónom, Sc (OH) ₆ ³ .

oxidácia

Po vystavení vzduchu sa skandium začne oxidovať na príslušný oxid. Ak sa použije zdroj tepla, reakcia sa urýchli a autokatalyzuje. Túto reakciu predstavuje nasledujúca chemická rovnica:

4SC (y) + 3O ₂ (g) => 2SC ₂ O ₃ (y)

halidy

Škandium reaguje so všetkými halogénmi za vzniku halogenidov všeobecného chemického vzorca ScX ₃ (X = F, Cl, Br, atď.).

Napríklad reaguje s jódom podľa nasledujúcej rovnice:

2SC (y) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (y)

Rovnakým spôsobom reaguje s chlórom, brómom a fluórom.

Tvorba hydroxidu

Kovový skandium sa môže rozpustiť vo vode za vzniku príslušného hydroxidu a vodíka:

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

Kyslá hydrolýza

Vodné komplexy ^{3+ sa} môžu hydrolyzovať takým spôsobom, že nakoniec tvoria mostíky Sc- (OH) -Sc, až kým nedefinujú zhluk s tromi atómami skandia.

riziká

Okrem biologickej úlohy nie sú známe presné fyziologické a toxikologické účinky skandia.

Má sa za to, že je vo svojej elementárnej forme netoxický, pokiaľ vdýchnutie jemne nerozdelenej pevnej látky nespôsobí poškodenie pľúc. Podobne jej zlúčeninám je priradená nulová toxicita, takže požitie ich solí by teoreticky nemalo predstavovať žiadne riziko; pokiaľ dávka nie je vysoká (testované na potkanoch).

Údaje týkajúce sa týchto aspektov sú však veľmi obmedzené. Preto nie je možné predpokladať, že ktorákoľvek zo zlúčenín skandia je skutočne netoxická; ešte menej, ak sa kov môže hromadiť v pôde a vode, potom prechádza na rastliny av menšej miere na zvieratá.

V súčasnosti škandium stále nepredstavuje hmatateľné riziko v porovnaní s ťažšími kovmi; ako je kadmium, ortuť a olovo.

aplikácia

zliatiny

Aj keď cena skandia je v porovnaní s inými kovmi, ako je titán alebo ytrium samotná, vysoká, jej aplikácie nakoniec stoja za úsilie a investície. Jedným z nich je použitie ako prísada do hliníkových zliatin.

Týmto spôsobom si zliatiny Sc-Al (a iné kovy) zachovávajú svoju ľahkosť, ale sú ešte odolnejšie voči korózii pri vysokých teplotách (nepraskajú) a sú rovnako silné ako titán.

Toľko, ako má škandium na tieto zliatiny, je dostatočné na to, aby sa jeho vlastnosti pridali v stopových množstvách (menej ako 0,5% hmotnosti), aby sa jeho vlastnosti drasticky zlepšili bez toho, aby sa pozorovalo značné zvýšenie jeho hmotnosti. Hovorí sa, že ak sa použije masívne jeden deň, mohla by znížiť hmotnosť lietadla o 15-20%.

Podobne sa zliatiny škandia použili na rámy revolverov alebo na výrobu športových potrieb, ako sú baseballové pálky, špeciálne bicykle, rybárske prúty, golfové palice atď. zliatiny titánu majú tendenciu ich nahrádzať, pretože sú lacnejšie.

Najznámejšou z týchto zliatin je Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , ktorý je rovnako silný ako titán, ľahký ako hliník a tvrdý ako keramika.

3D tlač

Zliatiny Sc-Al sa používajú na výrobu kovových kovových výtlačkov s cieľom umiestniť alebo pridať ich vrstvy na vopred zvolenú pevnú látku.

Osvetlenie štadióna

Majáky na štadiónoch napodobňujú slnečné svetlo vďaka pôsobeniu jodidu škandia spolu s výparmi ortuti. Zdroj: Pexels.

Jodid Scandium, ScI ₃ , sa pridáva (spolu s jodidom sodným) do ortuťových výbojok, čím sa vytvára umelé svetlo napodobňujúce slnko. Preto na štadiónoch alebo na niektorých športových ihriskách, dokonca aj v noci, je osvetlenie v nich také, že poskytujú pocit sledovania hry za denného svetla.

Podobné účinky boli použité pre elektrické zariadenia, ako sú digitálne fotoaparáty, televízne obrazovky alebo počítačové monitory. Podobne, svetlomety s takými _3- Hg Sci lampy boli nachádza vo filmových a televíznych štúdiách.

Palivové články na tuhé oxidy

SOFC, pre jeho akronym v angličtine (palivový článok na tuhé oxidy) používa oxid alebo keramiku ako elektrolytické médium; v tomto prípade tuhá látka, ktorá obsahuje škandiové ióny. Jeho použitie v týchto zariadeniach je kvôli jeho veľkej elektrickej vodivosti a schopnosti stabilizovať zvýšenie teploty; takže pracujú bez prehrievania.

Príklad jedného takého tuhého oxidu je skandia stabilizovaný Zirconia (ako Sc ₂ O ₃ , opäť).

keramika

Karbid skandia a titán tvoria keramiku výnimočnej tvrdosti, ktorá je na druhom mieste po diamantoch. Jeho použitie je však obmedzené na materiály s veľmi pokročilými aplikáciami.

Organické koordinačné kryštály

Ióny Sc ^{3+ sa} môžu koordinovať s viacerými organickými ligandami, najmä ak ide o okysličené molekuly.

Je to preto, že vytvorené väzby Sc-O sú veľmi stabilné, a preto končia stavebnými kryštálmi s úžasnými štruktúrami, v ktorých sa môžu spustiť chemické reakcie pórov, ktoré sa správajú ako heterogénne katalyzátory; alebo na uloženie neutrálnych molekúl, ktoré sa správajú ako pevné úložisko.

Podobne sa také organické koordinačné kryštály skandia môžu použiť na navrhovanie senzorických materiálov, molekulárnych sít alebo iónových vodičov.

Referencie

1. Irina Shtangeeva. (2004). Scandium. Štátna univerzita v Petrohrade. Obnovené z: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Editori encyklopédie Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
4. Doug Stewart. (2019). Fakty o prvku Scandium. Chemicool. Získané z: chemicool.com
5. Stupnica. (2018). Scandium. Získané z: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3. júla 2019). Prehľad Scandium. Získané z: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA a Machmudov, EA (2012). O otázke biologickej úlohy škandia. Obnovené z: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra a WBHolzapfel. (1982). Vysokotlakové fázové transformácie v ytriu a skandiu: Vzťah k kryštalickým štruktúram vzácnych zemín a aktinidov. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Zväzok 29, vydanie 1–3, stránky 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova a kol. (2018). Organické rámce Škandia: pokrok a vyhliadky. Russ. Chem., Rev. 87, 1139.
10. Investičné spravodajské siete. (11. november 2014). Aplikácie Scandium: Prehľad. Dig Media Inc. Obnovené z: investingnews.com