Det skandium det er et overgangsmetal, hvis kemiske symbol er Sc. Det er det første af overgangsmetalerne i det periodiske system, men det er også et af de mindre almindelige elementer i de sjældne jordarter; skønt dets egenskaber kan ligne dem af lanthanider, er det ikke alle forfattere, der godkender at klassificere det på en sådan måde.
På det populære niveau er det et kemisk element, der går ubemærket hen. Navnet, der er født af sjældne jordarter, mineraler fra Skandinavien, kan løbe ved siden af kobber, jern eller guld. Det er dog stadig imponerende, og legeringernes fysiske egenskaber kan konkurrere med titanets egenskaber..
Ligeledes er der taget flere og flere skridt i teknologiens verden, især med hensyn til belysning og lasere. Enhver, der har observeret et fyrtårn, der udstråler et lys svarende til solens, vil indirekte have været vidne til eksistensen af skandium. Ellers er det en lovende genstand til flyproduktion.
Scandiummarkedets største problem er, at det er spredt vidt, og at der ikke er nogen mineraler eller rige kilder til det; så ekstraktionen er dyr, selv når det ikke er et metal med lav overflod i jordskorpen. I naturen findes det som dets oxid, et fast stof, der ikke let kan reduceres.
I de fleste af dets forbindelser, uorganisk eller organisk, deltager den i bindingen med et oxidationsnummer på +3; antager tilstedeværelsen af Sc-kationen3+. Scandium er en relativt stærk syre og kan danne meget stabile koordinationsbindinger med iltatomer i organiske molekyler..
Artikelindeks
Scandium blev anerkendt som et kemisk element i 1879 af den schweiziske kemiker Lars F. Nilson. Han arbejdede med mineralerne euxenit og gadolinit med den hensigt at opnå yttrium indeholdt i dem. Han opdagede, at der var et ukendt element i hans spor takket være studiet af spektroskopisk analyse (atomemissionsspektrum).
Fra mineralerne lykkedes det ham og hans team at opnå det respektive scandiumoxid, et navn modtaget for helt sikkert at have samlet prøverne fra Skandinavien; mineraler, der på det tidspunkt blev kaldt sjældne jordarter.
Imidlertid havde Dmitri Mendeleev otte år tidligere, i 1871, forudsagt eksistensen af skandium; men med navnet ekaboro, hvilket betød, at dets kemiske egenskaber svarede til borens.
Og det var faktisk den schweiziske kemiker Per Teodor Cleve, der tilskrev ekaboro scandium og dermed var det samme kemiske element. Specifikt den, der begynder blokken af overgangsmetaller i det periodiske system.
Mange år gik, da Werner Fischer og hans samarbejdspartnere i 1937 formåede at isolere metallisk scandium (men urent) ved hjælp af elektrolyse af en blanding af kalium, lithium og scandiumchlorider. Det var først i 1960, at det endelig var muligt at opnå det med en renhed omkring 99%..
Elementært scandium (nativt og rent) kan krystallisere sig i to strukturer (allotroper): kompakt sekskantet (hcp) og den kropscentrerede kubik (bcc). Den første betegnes normalt α-fasen, og den anden β-fasen..
Den tættere, sekskantede α-fase er stabil ved omgivelsestemperaturer; mens den mindre tætte kubiske β-fase er stabil over 1337 ºC. Ved denne sidste temperatur sker der således en overgang mellem begge faser eller allotroper (i tilfælde af metaller).
Bemærk, at selvom scandium normalt krystalliserer til et hcp fast stof, betyder det ikke, at det er et meget tæt metal; i det mindste, ja mere end aluminium. Fra dets elektroniske konfiguration kan det være kendt, hvilke elektroner der normalt deltager i dets metalliske binding:
[Ar] 3d1 4sto
Derfor griber de tre elektroner i 3d- og 4s-orbitalerne ind i den måde, hvorpå Sc-atomerne er placeret i krystallen..
For at komprimere til en sekskantet krystal skal tiltrækningen af dets kerner være sådan, at disse tre elektroner, svagt afskærmet af elektronerne fra de indre skaller, ikke afviger for langt fra Sc-atomerne, og derfor er afstandene imellem dem indsnævret..
A- og p-faserne er forbundet med ændringer i temperaturen; Der er imidlertid en tetragonal fase svarende til metalniobium, Nb, som resulterer, når det metalliske scandium gennemgår et tryk større end 20 GPa.
Scandium kan miste op til maksimalt sine tre valenselektroner (3d14sto). I teorien er de første til at "gå" dem i 4'ers orbital..
Under forudsætning af eksistensen af kationen Sc+ i forbindelsen er dets oxidationsnummer +1; hvilket er det samme som at sige, at han mistede en elektron fra 4s orbitalen (3d14s1).
Hvis det er Scto+, dit oxidationsnummer vil være +2, og du har mistet to elektroner (3d14s0); og hvis det er Sc3+, den mest stabile af disse kationer, vil have et oxidationsnummer på +3 og er isoelektronisk over for argon.
Kort sagt er deres oxidationstal: +1, +2 og +3. For eksempel i SctoELLER3 oxidationsnummeret på scandium er +3, fordi eksistensen af Sc antages3+ (Scto3+ELLER3to-).
Det er et sølvfarvet hvidt metal i sin rene og elementære form med en blød og glat struktur. Den får gul-lyserøde toner, når den begynder at blive dækket af et lag oxid (SctoELLER3).
44,955 g / mol.
1541 ºC.
2836 ºC.
25,52 J / (mol K).
14,1 kJ / mol.
332,7 kJ / mol.
66 μΩ cm ved 20 ºC.
2,985 g / ml, fast og 2,80 g / ml, flydende. Bemærk, at dens faststofdensitet er tæt på aluminium (2,70 g / ml), hvilket betyder, at begge metaller er meget lette; men scandium smelter ved en højere temperatur (aluminiums smeltepunkt er 660,3 ºC).
1,36 på Pauling-skalaen.
Først: 633,1 kJ / mol (Sc+ gasformig).
Andet: 1235,0 kJ / mol (Scto+ gasformig).
Tredje: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gasformig).
162.
Paramagnetisk.
Af alle isotoper af scandium, Fire. FemSc optager næsten 100% af den samlede overflod (dette afspejles i dets atomvægt meget tæt på 45 u).
De andre består af radioisotoper med forskellige halveringstider; Som den 46Sc (t1/2 = 83,8 dage), 47Sc (t1/2 = 3,35 dage), 44Sc (t1/2 = 4 timer) og 48Sc (t1/2 = 43,7 timer). Andre radioisotoper har t1/2 mindre end 4 timer.
Kationen Sc3+ det er en relativt stærk syre. For eksempel kan det i vand danne det vandige kompleks [Sc (HtoELLER)6]3+, hvilket igen kan dreje pH til en værdi under 7, fordi det genererer H-ioner3ELLER+ som et produkt af dens hydrolyse:
[Sc (HtoELLER)6]3+(ac) + HtoO (l) <=> [Sc (HtoELLER)5OH]to+(ac) + H3ELLER+(ac)
Scandiums surhed kan også fortolkes i henhold til Lewis-definitionen: det har en høj tendens til at acceptere elektroner og danner derfor koordinationskomplekser.
En vigtig egenskab ved scandium er, at dets koordinationsnummer, både i de fleste af dets uorganiske forbindelser, strukturer eller organiske krystaller, er 6; det vil sige at Sc er omgivet af seks naboer (eller danner seks obligationer). Ovenfor er det komplekse vandige [Sc (HtoELLER)6]3+ er det enkleste eksempel af alle.
I krystaller er Sc-centrene oktaedriske; enten interagerer med andre ioner (i ioniske faste stoffer) eller med neutrale atomer kovalent bundet (i kovalente faste stoffer).
Eksempel på sidstnævnte har vi [Sc (OAc)3], som danner en kædestruktur med AcO-grupperne (acetyloxy eller acetoxy), der fungerer som broer mellem Sc-atomer.
Fordi næsten som standard oxidationsantalet af scandium i de fleste af dets forbindelser er +3, betragtes det som unikt, og nomenklaturen er derfor signifikant forenklet; meget ens, da det sker med alkalimetaller eller aluminium selv.
Overvej for eksempel din rust, SctoELLER3. Den samme kemiske formel angiver på forhånd oxidationstilstanden på +3 for scandium. For at kalde denne forbindelse scandium og ligesom andre anvendes de systematiske, stamniveau og traditionelle nomenklaturer..
SctoELLER3 Det er derefter scandiumoxid, ifølge stamnomenklaturen, der udelader (III) (skønt det ikke er dets eneste mulige oxidationstilstand); skandisk oxid med suffikset -ico i slutningen af navnet i henhold til traditionel nomenklatur; og diescandiumtrioxid, som overholder reglerne i de græske numeriske præfikser i den systematiske nomenklatur.
Scandium mangler for øjeblikket en defineret biologisk rolle. Det vil sige, det er ukendt, hvordan kroppen kan akkumulere eller assimilere Sc-ioner3+; hvilke specifikke enzymer kan bruge det som en kofaktor, hvis det udøver en indflydelse på celler, omend svarende til Ca-ionerto+ o Tro3+.
Det vides imidlertid, at Sc-ioner3+ udøve antibakterielle virkninger muligvis ved at forstyrre Fe-ionmetabolismen3+.
Nogle statistiske undersøgelser inden for medicin knytter det muligvis til maveforstyrrelser, fedme, diabetes, cerebral leptomeningitis og andre sygdomme; men uden tilstrækkelig oplysende resultater.
Ligeledes akkumulerer planter normalt ikke mærkbare mængder af scandium i deres blade eller stængler, men snarere i deres rødder og knuder. Derfor kan det hævdes, at dets koncentration i biomasse er dårlig, hvilket indikerer ringe deltagelse i dens fysiologiske funktioner, og det ender derfor med at akkumulere mere i jord..
Scandium er muligvis ikke så rigeligt som andre kemiske grundstoffer, men dets tilstedeværelse i jordskorpen overstiger kviksølv og nogle ædle metaller. Faktisk er dens overflod tilnærmelig cobalt og beryllium; for hvert ton sten kan 22 gram scandium ekstraheres.
Problemet er, at dets atomer ikke er placeret, men spredt; der er ingen mineraler, der er nøjagtigt rige på scandium i deres massesammensætning. Derfor siges det, at det ikke har nogen præference for nogen af de typiske mineraldannende anioner (såsom carbonat, CO3to-, eller svovl, Sto-).
Det er ikke i sin rene tilstand. Det er heller ikke dets mest stabile oxid, SctoELLER3, som kombineres med andre metaller eller silicater for at definere mineraler; såsom thortveitit, euxenit og gadolinit.
Disse tre mineraler (sjældne i sig selv) repræsenterer de vigtigste naturlige kilder til Scandium og findes i regioner i Norge, Island, Skandinavien og Madagaskar..
Ellers er ionerne Sc3+ de kan inkorporeres som urenheder i nogle ædelstene, såsom akvamarin eller i uranminer. Og på himlen, inden for stjernerne, rangerer dette element nummer 23 i overflod; ret højt, hvis hele Kosmos betragtes.
Det er netop blevet sagt, at scandium også kan findes som en urenhed. For eksempel findes det i TiO-pigmenterto; i affaldet fra uranbehandling samt dets radioaktive mineraler; og i bauxitrester til fremstilling af metallisk aluminium.
Det findes også i nikkel- og cobalt-lateritter, hvor sidstnævnte er en lovende kilde til scandium i fremtiden..
De enorme vanskeligheder omkring udvinding af scandium, og som det tog så lang tid at opnå i den oprindelige eller metalliske tilstand, skyldtes det faktum, at SctoELLER3 det er svært at reducere; endnu mere end TiOto, for at vise Sc3+ en affinitet større end Ti4+ mod Oto- (antager 100% ionisk karakter i deres respektive oxider).
Det vil sige, det er lettere at fjerne ilt fra TiOto end til SctoELLER3 med et godt reduktionsmiddel (typisk carbon eller jord- eller jordalkalimetaller). Derfor er SctoELLER3 den omdannes først til en forbindelse, hvis reduktion er mindre problematisk; såsom scandiumfluorid, ScF3. Dernæst ScF3 reduceres med metallisk calcium:
2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFto(s)
SctoELLER3 Enten kommer det fra de allerede nævnte mineraler, eller det er et biprodukt fra ekstraktioner af andre grundstoffer (såsom uran og jern). Det er den kommercielle form for scandium, og dets lave årlige produktion (15 tons) afspejler de høje omkostninger ved forarbejdning ud over dets udvinding fra sten..
En anden metode til fremstilling af scandium er først at få sit chloridsalt, ScCl3, og udsæt den derefter for elektrolyse. Således produceres metallisk scandium i den ene elektrode (som en svamp), og der produceres klorgas i den anden.
Scandium deler ikke kun egenskaberne ved at være lette metaller med aluminium, men de er også amfotere; det vil sige, de opfører sig som syrer og baser.
For eksempel reagerer det som mange andre overgangsmetaller med stærke syrer for at producere salte og brintgas:
2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Hto(g)
Ved at gøre det opfører det sig som en base (reagerer med HCI). Men det reagerer på samme måde med stærke baser, såsom natriumhydroxid:
2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6HtoO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Hto(g)
Og nu opfører den sig som en syre (reagerer med NaOH) for at danne et skandatsalt; den af natrium, Na3Sc (OH)6, med skandatanionen, Sc (OH)63-.
Når de udsættes for luft, begynder scandium at oxidere til dets respektive oxid. Reaktionen accelereres og autokatalyseres, hvis der anvendes en varmekilde. Denne reaktion er repræsenteret af følgende kemiske ligning:
4Sc (s) + 3Oto(g) => 2SctoELLER3(s)
Scandium reagerer med alle halogener og danner halogenider med den generelle kemiske formel ScX3 (X = F, Cl, Br osv.).
For eksempel reagerer det med jod i henhold til følgende ligning:
2Sc (s) + 3Ito(g) => 2ScI3(s)
På samme måde reagerer det med klor, brom og fluor.
Metallisk scandium kan opløses i vand for at give anledning til dets respektive hydroxid og hydrogengas:
2Sc (s) + 6HtoO (l) => 2Sc (OH)3(s) + Hto(g)
De vandige komplekser [Sc (HtoELLER)6]3+ kan hydrolyseres på en sådan måde, at de ender med at danne Sc- (OH) -Sc broer, indtil de definerer en klynge med tre scandiumatomer.
Det er ukendt ud over dets biologiske rolle, hvad der præcist er de fysiologiske og toksikologiske virkninger af scandium.
I sin grundform antages det at være ikke-toksisk, medmindre dets findelte faste stof inhaleres og derved forårsager skade på lungerne. Ligeledes tilskrives dets forbindelser nul toksicitet, så indtagelsen af deres salte i teorien bør ikke udgøre nogen risiko; så længe dosis ikke er høj (testet hos rotter).
Dataene vedrørende disse aspekter er dog meget begrænsede. Derfor kan det ikke antages, at nogen af scandiumforbindelserne virkelig er giftfrie; endnu mindre, hvis metallet kan ophobes i jord og vand og derefter passere til planter og i mindre grad til dyr.
I øjeblikket udgør scandium stadig ikke en håndgribelig risiko sammenlignet med tungere metaller; såsom cadmium, kviksølv og bly.
Selvom prisen på scandium er høj sammenlignet med andre metaller som titanium eller yttrium i sig selv, ender det med at applikationen er en indsats og investeringer værd. En af dem er at bruge det som et additiv til aluminiumlegeringer..
På denne måde bevarer Sc-Al-legeringer (og andre metaller) deres lethed, men bliver endnu mere modstandsdygtige over for korrosion ved høje temperaturer (de knækker ikke) og er så stærke som titanium.
Så meget er den virkning, som scandium har på disse legeringer, at det er nok at tilføje det i spormængder (mindre end 0,5 masseprocent) for dets egenskaber forbedres drastisk uden at observere en mærkbar stigning i dens vægt. Det siges, at hvis det bruges massivt en dag, kan det reducere flyets vægt med 15-20%.
Ligeledes er scandiumlegeringer blevet anvendt til revolverrammer eller til fremstilling af sportsudstyr, såsom baseballbat, specielle cykler, fiskestænger, golfklubber osv. skønt titaniumlegeringer har tendens til at erstatte dem, fordi de er billigere.
Den bedst kendte af disse legeringer er AltyveLityveMg10SctyveDu30, som er lige så stærk som titanium, så let som aluminium og så hård som keramik.
Sc-Al-legeringer er blevet brugt til at fremstille metalliske 3D-udskrifter med det formål at placere eller tilføje lag af dem på et forudvalgt fast stof.
Scandiumiodid, ScI3, det tilsættes (sammen med natriumiodid) til kviksølvdamplamper for at skabe kunstige lys, der efterligner solen. Derfor er belysningen inde i stadioner eller nogle sportsbaner, selv om natten, sådan at de giver fornemmelsen af at se et spil i dagslys..
Lignende effekter har været beregnet til elektriske apparater såsom digitale kameraer, tv-skærme eller computerskærme. Også forlygter med sådanne lamper fra ScI3-Hg har været placeret i film- og tv-studier.
SOFC, for dets akronym på engelsk (fast oxidbrændselscelle) brug en oxid eller keramik som det elektrolytiske medium; i dette tilfælde et fast stof indeholdende scandiumioner. Dens anvendelse i disse enheder skyldes dets store elektriske ledningsevne og evne til at stabilisere temperaturstigninger; så de arbejder uden at blive for varme.
Et eksempel på et sådant fast oxid er scandium-stabiliseret zirconit (i form af SctoELLER3, igen).
Scandiumcarbid og titanium udgør en keramik med enestående hårdhed, kun overgået af diamanter. Imidlertid er dets anvendelse begrænset til materialer med meget avancerede applikationer..
Sc-ioner3+ kan koordinere med flere organiske ligander, især hvis de er iltede molekyler.
Dette skyldes, at de dannede Sc-O-bindinger er meget stabile og derfor ender med at opbygge krystaller med fantastiske strukturer, i hvis porer kemiske reaktioner kan udløses og opføre sig som heterogene katalysatorer; eller at være vært for neutrale molekyler, der opfører sig som en fast opbevaring.
Ligeledes kan sådanne organiske scandiumkoordineringskrystaller bruges til at designe sensoriske materialer, molekylsigter eller ionledere..
Endnu ingen kommentarer