Historie Scandio, egenskaper, reaksjoner, risikoer og bruk

Han Scandium Det er et overgangsmetall hvis kjemiske symbol er SC. Det er den første av overgangsmetallene i den periodiske tabellen, men det er også et av de minst vanlige elementene i sjeldne jordarter; Selv om egenskapene kan ligne på lantanidene, godkjenner ikke alle forfattere å klassifisere det på en slik måte.

På et populært nivå er det et kjemisk element som går upåaktet hen. Hans navn, født av sjeldne jordmineraler fra Skandinavia, kan være aktuell ved siden av kobber, jern eller gull. Imidlertid er det fortsatt imponerende, og de fysiske egenskapene til legeringene deres kan konkurrere med titanens titan.

Ultrapure Elemental Scark -prøve. Kilde: Hi-res Images ofchemical Elements [CC av 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/av/3.0)]

På samme måte åpnes mer og mer trinn i teknologiens verden, spesielt når det gjelder belysning og lasere. Som har observert et fyrtårn som utstråler et lys som ligner på solen, vil indirekte ha vært vitne til eksistensen av Scandio. For resten er det et lovende element for fremstilling av fly.

Hovedproblemet i Scandio -markedet står overfor er at det er veldig spredt, og det er ingen mineraler eller rike kilder til det; Så ekstraksjonen er dyrt, selv om det ikke er et metall med lav overflod i jordskorpen. I naturen er det som oksydet, et fast stoff som ikke lett kan reduseres.

I mye av forbindelsene, uorganiske eller organiske, deltar i koblingen med et oksidasjonsnummer på +3; det vil si, forutsatt at tilstedeværelsen av c -kationen³⁺. Scandio er en relativt sterk syre, og kan danne veldig stabile koordinasjonsforbindelser med oksygenatomer av organiske molekyler.

[TOC]

Historie

Scandio ble anerkjent som et kjemisk element i 1879, av den sveitsiske kjemikeren Lars f. Nilson. Jeg jobbet med Euxenita og Gadolinita Minerals med den hensikt å få. Han oppdaget at det var et ukjent element i sporene hans takket være studiet av spektroskopisk analyse (atomutslippsspekter).

Av mineralene klarte teamet hans og han å skaffe seg det respektive Scandio -oksidet, et navn mottatt for å ha samlet inn Skandinavia -prøvene; mineraler som ble kalt sjeldne jordarter for dem.

Åtte år før, i 1871, hadde imidlertid Dmitri Mendeleev spådd eksistensen av Scandio; Men med navnet Ekaboro, som betydde at dens kjemiske egenskaper var lik Boro. 

Og det var faktisk den sveitsiske kjemikeren per Teodor Cleve som tilskrev Scandio med Ekaboro, og var derfor det samme kjemiske elementet. Spesielt den som begynner overgangsmetallblokken i den periodiske tabellen.

Mange år gikk da Werner Fischer og hans samarbeidspartnere i 1937 klarte å isolere metall (men uren) Scandio, gjennom elektrolyse av en blanding av kalium, litium og skandy klorider. Det var først i 1960 da han endelig kunne skaffe ham med en renhet rundt 99%.

Elektronisk struktur og konfigurasjon

Den elementære (innfødte og rene) Scandio kan krystallisere i to strukturer (alotroper): kompakt sekskantet (HCP) og kubikk sentrert i kroppen (BCC). Den første kaller det vanligvis som fase α, og den andre β -fasen.

Fase α, sekskantet og tettere, er stabil i miljøstemperaturer; Mens β, kubikk og mindre fase, er stabil over 1337 ºC. Ved denne siste temperaturen oppstår en overgang mellom både faser eller alotropes (i tilfelle av metaller).

Legg merke til at selv om Scandio normalt krystalliserer seg i et HCP -faststoff, betyr det ikke at det er et veldig tett metall; I det minste mer enn aluminium. Fra sin elektroniske konfigurasjon kan det være kjent hvilke elektroner som er vanlige i metallbindingen sin:

[AR] 3D¹ 4s²

Derfor er de tre elektronene i 3D- og 4S -orbitalene involvert i veien i hvordan SC -atomer i glasset er lokalisert.

For å kompakte i et sekskantet glass, må tiltrekningen av dets kjerner være slik at disse tre elektronene, svakt skjermet av elektronene til de indre lagene, ikke beveger seg for langt fra SC -atomer, og følgelig er avstandene mellom dem innsnevret.

Høyt trykkfase

Α- og β -fasene er assosiert med temperaturendringer; Imidlertid er det en tetragonal fase, lik den for Niobio Metal, NB, som resulterer når metallet Scandio lider av et trykk større enn 20 GPa.

Oksidasjonstall

Scandio kan miste sine tre valenselektroner opp til maksimum (3D¹4s²). I teorien er den første som "forlater" de i 4S -orbitalen.

Således, forutsatt at eksistensen av c -kationen⁺ I forbindelsen er oksidasjonsnummeret +1; Noe som er det samme som å si at han mistet et elektron fra 4S -orbitalen (3D¹4s¹).

Hvis det er SC²⁺, Oksidasjonsnummeret ditt vil være +2, og du vil ha mistet to elektroner (3D¹4s⁰); Og hvis det er SC³⁺, Den mest stabile av disse kationene vil ha +3 oksidasjonsnummer, og er isolektronisk å argon.

Kan tjene deg: karamellisering

Kort sagt, oksidasjonstallene er: +1, +2 og +3. For eksempel i SC₂ENTEN₃ Oksidasjonsnummeret til Scandio er +3 fordi eksistensen av SC antas³⁺ (SC₂³⁺ENTEN₃^2-).

Egenskaper

Fysisk utseende

Det er et sølvhvit metall i sin rene og elementære form, myke og glatte tekstur. Skaffer seg gulaktig-stang-tonaliteter når det begynner å bli dekket med et oksydlag (SC₂ENTEN₃).

Molmasse

44.955 g/mol.

Smeltepunkt

1541 ºC.

Kokepunkt

2836 ºC.

Molar varmekapasitet

25,52 J/(mol · K).

Fusjonsvarme

14.1 kJ/mol.

Fordampningsvarme

332,7 kJ/mol.

Termisk ledningsevne

66 μω · cm ved 20 ºC.

Tetthet

2.985 g/ml, fast og 2,80 g/ml, væske. Legg merke til at dens faststofftetthet nærmer seg aluminium (2,70 g/ml), noe som betyr at begge metaller er veldig lette; Men Scandio smelter ved en høyere temperatur (aluminiumfusjonspunktet er 660,3 ºC).

Elektronegativitet

1.36 på Pauling -skalaen.

Ioniseringsenergier

Først: 633.1 kJ/mol (SC⁺ gassform).

For det andre: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ gassform).

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

Atomisk radio

162.

Magnetisk ordre

Paramagnetisk.

Isotoper

Av alle isotoper av Scandio, ^{Fire fem}SC opptar nesten 100% av total overflod (dette gjenspeiles i atomvekten veldig nær 45 u).

De andre består av radioisotoper med forskjellige halvlivstider; Som ⁴⁶SC (t_1/2 = 83,8 dager), ⁴⁷SC (t_1/2 = 3,35 dager), ⁴⁴SC (t_1/2 = 4 timer), og ⁴⁸SC (t_1/2 = 43,7 timer). Andre radioisotoper har t_1/2 Mindre enn 4 timer.

Surhet

Kation SC³⁺ Det er en relativt sterk syre. For eksempel i vann kan du danne det vandige komplekset [SC (h₂ENTEN)₆]³⁺, som også kan gjøre pH til en verdi under 7, fordi den genererer H -ioner₃ENTEN⁺ som et produkt av dens hydrolyse:

[SC (h₂ENTEN)₆]³⁺(AC)+H₂Eller (l) [SC (h₂ENTEN)₅Åh]²⁺(AC)+H₃ENTEN⁺(AC)

Surheten i Scandio kan også tolkes i henhold til Lewis definisjon: den har en høy tendens til å akseptere elektroner og derfor å danne koordinasjonskomplekser.

Koordinasjonsnummer

En viktig egenskap ved Scandio er at dens koordinasjonsnummer, både i de fleste av dets uorganiske forbindelser, strukturer eller organiske krystaller, er 6; Det betyr at SC er omgitt av seks naboer (eller danner seks lenker). Over, den komplekse acuo [SC (h₂ENTEN)₆]³⁺ Det er det enkleste eksemplet på alle.

I krystallene er SC -sentrene oktaedraler; Enten samhandler med andre ioner (i ioniske faste stoffer), eller med nøytrale atomer koblet kovalent (i kovalente faste stoffer).

Eksempel på sistnevnte har vi [SC (OAC)₃], som danner kjedestruktur med acotiloxi eller acetoxi) -grupper som fungerer som broer mellom SC -atomer.

Nomenklatur

Fordi nesten som standard oksidasjonsnummeret til Scandio i mye av forbindelsene er +3, anses dette som unikt og nomenklaturen er derfor betydelig forenklet; veldig lik som med alkalisk metaller eller aluminium i seg selv.

Tenk for eksempel oksidet ditt, SC₂ENTEN₃. Den samme kjemiske formelen indikerer på forhånd oksidasjonsstatusen til +3 for Scandio. For å kalle denne Scandio -forbindelsen, og som andre, brukes systematiske, lager og tradisjonelle nomenklinger.

SC₂ENTEN₃ Det er da Scandio -oksyd, ifølge aksje -nomenklaturen, og utelater (III) (selv om det ikke er dens eneste mulige oksidasjonstilstand); Oxide Scandic, med suffikset -ico på slutten av navnet i henhold til den tradisjonelle nomenklaturen; og diescondio -trioeksid, og adlyder reglene for de greske numeriske prefikser av den systematiske nomenklaturen.

Biologisk papir

Scandio, for øyeblikket, mangler definert biologisk papir. Det vil si at det er ukjent hvordan kroppen kan akkumulere eller assimilere SC -ionene³⁺; Hvilke spesifikke enzymer kan bruke den som en kofaktor, hvis den utøver en innflytelse, selv om de er lik, til CA -ioner²⁺ eller tro³⁺.

Det er imidlertid kjent at SC -ioner³⁺ De utøver antibakterielle effekter muligens når de forstyrrer metabolismen av trosioner³⁺.

Noen statistiske studier innen medisin knytter det muligens til magesykdommer, overvekt, diabetes, cerebral leptomeningitt og andre sykdommer; Men uten resultater.

Planter akkumulerer heller ikke betydelige mengder Scandio i bladene eller stilkene, men i røttene og knutene. Derfor kan det hevdes at konsentrasjonen i biomasse er dårlig, noe som indikerer liten deltakelse i dens fysiologiske funksjoner og følgelig ender opp med å samle seg mer i jordsmonn.

Hvor er og produksjon

Mineraler og stjerner

Scandio er kanskje ikke så rik som andre kjemiske elementer, men dens tilstedeværelse i jordens skorpe overgår kvikksølv og noen edle metaller. Faktisk nærmer hans overflod av kobolt og beryllium; For hvert tonn bergarter kan 22 gram Scandio trekkes ut.

Kan tjene deg: krystallinske faste stoffer: struktur, egenskaper, typer, eksempler

Problemet er at atomene deres ikke er lokalisert, men spredt; Det vil si at det ikke er noen mineraler nøyaktig rik på Scandio i massesammensetningen. Derfor sies det at det ikke har noen preferanse for noen av de typiske mineralformatorene (for eksempel karbonat, CO₃^2-, eller sulfid, s^2-).

Det er ikke i sin reneste tilstand. Heller ikke ditt mest stabile oksid, SC₂ENTEN₃, som er kombinert med andre metaller eller silikater for å definere mineraler; som Thortveitita, Euxenita og Gadolinita.

Disse tre mineralene (sjeldne i seg selv) representerer de viktigste naturlige kildene til Scandio, og finnes i regioner på Norge, Island, Skandinavian og Madagaskar.

For resten, SC -ioner³⁺ De kan innarbeides som urenheter i noen edelstener, for eksempel akvamarin, eller i urangruver. Og på himmelen, i stjernene, opptar dette elementet tallet 23 i overflod; ganske høyt hvis du vurderer hele kosmos.

Industrielt avfall og avfall

Det sa bare at Scandio også kan bli funnet som urenhet. For eksempel finnes det i tio pigmenter₂; i uranbehandlingsavfall, så vel som i sine radioaktive mineraler; og i avfallet av bauxitten i produksjonen av metallisk aluminium.

På samme måte er det i sent nikkel og kobolt, sistnevnte er en lovende kilde til Scandio i fremtiden.

Metallurgisk reduksjon

De enorme vanskene rundt utvinning av Scandio, og at de forsinket så mye at de oppnådde i den innfødte eller metalliske tilstanden, skyldtes SC₂ENTEN₃ Det er vanskelig å redusere; Enda mer enn onkelen₂, For å vise SC³⁺ En større affinitet enn ti⁴⁺ mot o^2- (Forutsatt en 100% ionisk karakter i sine respektive oksider).

Det vil si at det er lettere å fjerne oksygen fra onkelen₂ enn til SC₂ENTEN₃ med et godt reduksjonsmiddel (typisk kull- eller alkalisk eller alkalinermetaller). Det er grunnen til SC₂ENTEN₃ Den forvandles først til en forbindelse hvis reduksjon er mindre problematisk; Som Scandio Fluorid, SCF₃. Neste, SCF₃ Det reduseres med metallisk kalsium:

2SCF₃(S) +3Ca (S) => 2Sc (S) +3CAF₂(S)

SC₂ENTEN₃ Eller det kommer fra de nevnte mineralene, eller det er et biprodukt av ekstraksjonene av andre elementer (for eksempel uran og jern). Det er den kommersielle formen for Scandio, og dens lave årlige produksjon (15 tonn) gjenspeiler de høye prosesseringskostnadene, i tillegg til de som har utvinning fra bergartene.

Elektrolyse

En annen metode for å produsere Scandio er å først skaffe kloridsaltet ditt, SCCL₃, og send den deretter til elektrolyse. I en elektrode er det således en metallskandio (som en svamp), og i den andre gassformige klor.

Reaksjoner

Anfoterisme

Scandio deler ikke bare med aluminium egenskapene til å være lette metaller, men også anfoterisk; det vil si at de oppfører seg som syrer og baser.

For eksempel reagerer den, som mange andre overgangsmetaller, med sterke syrer for å produsere salter og hydrogengass:

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

Ved å gjøre det oppfører det seg som en base (reagerer med HCL). Men på samme måte reagerer det med sterke baser, for eksempel natriumhydroksyd:

2Sc (S) +6NAOH (AC) +6H₂Eller (l) => 2na₃SC (OH)₆(AC) +3H₂(g)

Og nå oppfører den seg som en syre (den reagerer med NaOH), for å danne et salt av skandale; Natrium, na₃SC (OH)₆, Med skandalanionen, SC (OH)₆^3-.

Oksidasjon

Når den blir utsatt for luften, begynner Scandio å oksidere dets respektive oksid. Reaksjonen er akselerert og selvtrent hvis en varmekilde brukes. Denne reaksjonen er representert med følgende kjemiske ligning:

4Sc (er) +3o₂(g) => 2Sc₂ENTEN₃(S)

Halogenuros

Scandio reagerer med alle halogener for å danne halogenuros av generell kjemiformel SCX₃ (X = f, cl, br, etc.).

Reagerer for eksempel med jod i henhold til følgende ligning:

2Sc (er) +3i₂(g) => 2sci₃(S)

På samme måte reagerer den med klor, brom og fluor.

Hydroksyddannelse

Den metalliske Scandio kan oppløses i vannet for å forårsake sin respektive hydroksyd og hydrogengass:

2Sc (S) +6H₂Eller (l) => 2Sc (OH)₃(S) + H₂(g)

Syrehydrolyse

Vandige komplekser [SC (h₂ENTEN)₆]³⁺ De kan hydrolysisere på en slik måte at de ender opp med å danne SC- (OH) -Sc, til de definerer en klynge med tre Scandio -atomer.

Risiko

Det er ukjent, i tillegg til dens biologiske rolle, hva er de fysiologiske og toksikologiske effektene av Scandio.

I sin elementære form antas det at den ikke er giftig, med mindre det er fint delt fast stoff, er inhalert og dermed forårsaker skade på lungene. På samme måte tilskrives forbindelsene deres nulltoksisitet, så inntaket av saltene i teorien skal ikke representere noen risiko; Så lenge dosen ikke er høy (testet hos rotter).

Kan tjene deg: Steamtrykk: Konsept, eksempler og øvelser løst

Dataene relatert til disse aspektene er imidlertid svært begrensede. Derfor kan det ikke antas at ingen av Scandio -forbindelsene virkelig ikke er -toksiske; Enda mindre hvis metallet kan samle seg i jord og vann, deretter bevege seg til planter og i mindre grad til dyr.

For øyeblikkene representerer Scandio ennå ikke en følbar risiko sammenlignet med tyngre metaller; som kadmium, kvikksølv og bly.

applikasjoner

Legeringer

Selv om prisen på Scandio er høy sammenlignet med andre metaller som Titanium eller Ittrio, ender applikasjonene opp med å bruke innsats og investeringer. En av dem er å bruke det som tilsetningsstoff for aluminiumslegeringer.

På denne måten beholder SC-A (og andre metaller) legeringer sin letthet, men de blir enda mer korrosjonsbestandige, høye temperaturer (de sprekker ikke), og er like sterke som titan.

Så mye er effekten som Scandio har på disse legeringene, at det er nok til å legge den til i spormengder (mindre enn 0,5% i masse) slik at egenskapene forbedres drastisk uten å observere en betydelig økning i vekten. Det sies at hvis det brukes massivt en dag, kan det redusere vekten av fly med 15-20%.

På samme måte har Scandio -legeringer blitt brukt til rammene til revolverne, eller for fremstilling av sportsartikler, for eksempel baseball -flaggermus, spesielle sykler, fiskevrev, golfpinner, etc.; Selv om titanlegeringer vanligvis erstatter dem med å være billigere.

Den mest kjente av disse legeringene er AL_tjueLi_tjueMg₁₀SC_tjueDu₃₀, Noe som er like sterk som titan, så lett som aluminium og hardt som keramikk.

3D -inntrykk

SC-Al-legeringer har blitt brukt til å lage metall 3D-inntrykk, med det formål å plassere eller legge til lag av dem på et forhåndsvalgt fast stoff.

Stadionbelysninger

Lysets lys i stadiene etterligner sollyset takket være handlingen fra Scandio -jodid ved siden av kvikksølvdampene. Kilde: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Det tilsettes (sammen med natriumjodid) til kvikksølvdamplamper for å lage kunstige lys som etterligner solen. Det er grunnen til at på stadionene eller noen sportsdomstoler, selv om natten, er belysningen i dem slik at de gir følelsen av å observere et spill på hel dag.

Lignende effekter er tildelt for elektriske enheter som digitale kameraer, TV -skjermer eller for dataskjermer. Også frontlyktene med disse sci -lampene₃-HG har vært i film- og TV -studioer.

Solidoksid drivstoffbatterier

SOFC, for sitt forkortelse i engelsk (fast oksidbrenselcelle) bruker et oksid eller keramikk som et elektrolytisk medium; I dette tilfellet et fast stoff som inneholder skandio -ioner. Bruken i disse enhetene skyldes dens store elektriske ledningsevne og evne til å stabilisere temperaturøkninger; Så de jobber uten oppvarming i høy grad.

Eksempel på et slike faste oksider er den stabiliserte zirkonitten med Scandio (i SC -formed₂ENTEN₃, en gang til).

Keramikk

Scandio og Titanium Carbide utgjør en eksepsjonell hardhetskeramikk, bare overvunnet av diamanter. Bruken er imidlertid begrenset til materialer med veldig avanserte applikasjoner.

Organiske koordinasjonskrystaller

SC -ioner³⁺ De kan koordinere med flere organiske ligander, spesielt hvis de er oksygenerte molekyler.

Dette er fordi SC-O-bindinger som er dannet er veldig stabile, og derfor ender opp med å bygge krystaller med fantastiske strukturer, hvis porer kan utløses kjemiske reaksjoner, og oppfører seg som heterogene katalysatorer; eller vert nøytrale molekyler, oppfører seg som en solid lagring.

På samme måte kan slike organiske gråtende krystallkrystaller brukes til å designe sensoriske materialer, molekylære sikt eller ioneledere.

Referanser

1. Irina Shtngeeva. (2004). Scandium. Saint Petersburg State University Saint Petersburg. Gjenopprettet fra: ResearchGate.nett
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Hentet fra: i.Wikipedia.org
3. Redaktørene av Enyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: Britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Skandiumelementfakta. Chemicool. Gjenopprettet fra: Chemicool.com
5. Skala. (2018). Scandium. Gjenopprettet fra: skala-prosjekt.EU
6. Helmestine, Anne Marie, PH.D. (3. juli 2019). En oversikt over skandium. Gjenopprettet fra: Thoughtco.com
7. Kist, a.TIL., Zhuk, l.Yo., Danilova, e.TIL., & Makhmudov, og.TIL. (2012). På spørsmål om biologisk rolle skandium. Gjenopprettet fra: INIS.IAEA.org
8. W.TIL.Grosshans, og.K.VOHRA & W.B.Holzapfel. (1982). Transformasjoner med høy trykkfase i yttrium og skandium: forhold til sjeldne jordarter og aktinider krystallstrukturer. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, utgaver 1-3, side 282-286 DOI.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina eller. Barsukova et al. (2018). Skandium-organiske rammer: Fremgang og utsikter. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Investerer nyhetsnettverk. (11. november 2014). Scandium Applications: En oversikt. AIME MEDION INC. Gjenopprettet fra: InvestingNews.com