Historia Scandio, właściwości, reakcje, ryzyko i zastosowania

On Scandium Jest to metal przejściowy, którego symbol chemiczny jest SC. Jest to pierwszy z metali przejściowych w stole okresowym, ale jest również jednym z najmniej powszechnych elementów ziem rzadkich; Chociaż jego właściwości mogą przypominać właściwości Lantanides, nie wszyscy autorzy zatwierdzają ją w taki sposób.

Na popularnym poziomie jest to element chemiczny, który pozostaje niezauważony. Jego imię, urodzone z minerałów ziem rzadkich ze Skandynawii, może być aktualne obok miedzi, żelaza lub złota. Jednak wciąż jest imponujące, a fizyczne właściwości ich stopów mogą konkurować z właściwościami tytanu.

Ultrareal Elemental Scark próbka. Źródło: obrazy Hi-Resa elementów chemicznych [CC przez 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/według/3.0)]

Podobnie w świecie technologii otwiera się coraz więcej kroków, szczególnie pod względem oświetlenia i laserów. Który zaobserwował latarnię morską promieniującą światłem podobnym do słońca, będzie pośrednio świadkiem istnienia skandio. Reszta jest to obiecujący element produkcji samolotów.

Głównym problemem stojącym na rynku Scandio jest to, że jest bardzo rozproszony i nie ma jego minerałów ani bogatych źródeł; Więc jego ekstrakcja jest droga, nawet jeśli nie jest metalem o niskiej obfitości w skórce Ziemi. W naturze jest jak jego tlenek, substancja stała, której nie można łatwo zmniejszyć.

W większości swoich związków nieorganiczne lub organiczne uczestniczy w związku z liczbą utleniania +3; to znaczy, zakładając obecność kationów³⁺. Scandio jest stosunkowo silnym kwasem i może tworzyć bardzo stabilne powiązania koordynacyjne z atomami tlenu cząsteczek organicznych.

[TOC]

Historia

Scandio został uznany za element chemiczny w 1879 r. Przez szwajcarskiego chemika Larsa F. Nilson. Pracowałem z minerałami Euxenita i Gadolinita z zamiarem uzyskania. Odkrył, że w jego śladach istniał nieznany element dzięki badaniu analizy spektroskopowej (spektrum emisji atomowej).

Spośród minerałów jego zespół i udało mu się uzyskać odpowiedni tlenek Scandio, nazwę otrzymaną za z pewnością zebranie próbek Skandynawii; Minerały, które były dla nich nazywane ziemiami rzadkimi.

Jednak osiem lat wcześniej, w 1871 r., Dmitri Mendeleev przewidział istnienie Scandio; Ale z nazwą Ekaboro, co oznaczało, że jego właściwości chemiczne były podobne do właściwości Boro. 

I w rzeczywistości szwajcarski chemika na Teodora Cleve'a przypisał Scandio z Ekaboro, dlatego jest tym samym elementem chemicznym. W szczególności ten, który rozpoczyna blok metali przejściowych w tabeli okresowej.

Wiele lat minęło, gdy w 1937 r. Werner Fischer i jego współpracownicy udało się wyizolować (ale nieczyste) skandio, poprzez elektrolizę mieszaniny chlorków potasu, litu i sandy. Dopiero w 1960 roku mógł w końcu go uzyskać z czystością około 99%.

Struktura elektroniczna i konfiguracja

Scandio podstawowe (natywne i czyste) może krystalizować w dwóch strukturach (wolności): kompaktowy sześciokątny (HCP) i sześcienne wyśrodkowane w ciele (BCC). Pierwszy zwykle nazywa to fazą α, a drugą fazę β.

Faza α, sześciokątna i gęstsza, jest stabilna w temperaturach środowiskowych; Podczas gdy faza β, sześcienna i mniejsza, jest stabilna powyżej 1337 ° C. Zatem w tej ostatniej temperaturze występuje przejście między obiema fazami lub alotropami (w przypadku metali).

Należy zauważyć, że chociaż skandio normalnie krystalizuje się w stałym HCP, nie oznacza to, że jest to bardzo gęsty metal; Przynajmniej więcej niż aluminium. Na podstawie konfiguracji elektronicznej można wiedzieć, które elektrony zwykłe w ich wiązaniu metalowym:

[AR] 3D¹ 4s²

Dlatego trzy elektrony orbitali 3D i 4S są zaangażowane w sposób, w jaki znajdują się atomy SC w szkle.

Aby zagęścić sześciokątne szkło, przyciąganie jego jąder musi być takie, że te trzy elektrony, słabo osłonięte elektrony warstw wewnętrznych, nie poruszają się zbyt daleko od atomów SC.

Faza wysokiego ciśnienia

Fazy ​​α i β są związane ze zmianami temperatury; Istnieje jednak faza tetragonalna, podobna do fazy Niobio, NB, która powstaje, gdy metalowy skandio cierpi na ciśnienie większe niż 20 GPa.

Liczby utleniania

Scandio może stracić trzy walencyjne elektrony do maksimum (3D¹4s²). Teoretycznie pierwsi „opuścili” to z 4s orbital.

Zatem zakładając istnienie katacji⁺ W związku jego liczba utleniania wynosi +1; co jest tym samym, co stracił elektron z Orbital 4S (3D¹4s¹).

Jeśli jest to SC²⁺, Twój numer utleniania wyniesie +2, a straciłeś dwa elektrony (3D¹4s⁰); A jeśli jest to SC³⁺, Najbardziej stabilny z tych kationów będzie miał numer utleniania +3 i jest izolektroniczny do argonu.

Może ci służyć: karmelizacja

Krótko mówiąc, jego liczby utleniania wynoszą: +1, +2 i +3. Na przykład w SC₂ALBO₃ Liczba utleniania Scandio wynosi +3, ponieważ zakłada się istnienie SC³⁺ (SC₂³⁺ALBO₃^2-).

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Jest to srebrny biały metal w czystej i elementarnej formie, miękkiej i gładkiej konsystencji. Nabywa żółtawo-rodowe tony, gdy zaczyna być pokryta warstwą tlenku (SC₂ALBO₃).

Masa cząsteczkowa

44 955 g/mol.

Temperatura topnienia

1541 ° C.

Punkt wrzenia

2836 ºC.

Molowa pojemność cieplna

25,52 J/(mol · k).

Fusion Heat

14,1 kJ/mol.

Ciepło parowe

332,7 kJ/mol.

Przewodność cieplna

66 μΩ · cm w 20 ° C.

Gęstość

2985 g/ml, stałe i 2,80 g/ml, ciecz. Należy zauważyć, że jego gęstość stałego zbliża się do aluminium (2,70 g/ml), co oznacza, że ​​oba metale są bardzo lekkie; Ale Scandio topi się w wyższej temperaturze (aluminiowy punkt fuzji wynosi 660,3 ° C).

Elektronialiczność

1.36 na skali Pauling.

Energie jonizacyjne

Po pierwsze: 633,1 kJ/mol (SC⁺ gazowy).

Po drugie: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ gazowy).

Po trzecie: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ gazowy).

Radio atomowe

162 PM.

Zakon magnetyczny

Paramagnetyczny.

Izotopy

Ze wszystkich izotopów Scandio, ^{Cztery pięć}SC zajmuje prawie 100% całkowitej liczebności (znajduje to odzwierciedlenie w jego masie atomowej bardzo blisko 45 U).

Pozostałe składają się z radioizotopów o różnych czasach półtrwania; Jak ⁴⁶SC (t_1/2 = 83,8 dni), ⁴⁷SC (t_1/2 = 3,35 dni), ⁴⁴SC (t_1/2 = 4 godziny) i ⁴⁸SC (t_1/2 = 43,7 godziny). Inne radioizotopy mają t_1/2 Mniej niż 4 godziny.

Kwasowość

Kation sc³⁺ Jest to stosunkowo silny kwas. Na przykład w wodzie można utworzyć wodny kompleks [SC (H (H (H₂ALBO)₆]³⁺, co może również zmienić pH w wartość poniżej 7, ponieważ generuje H jonów₃ALBO⁺ Jako produkt jego hydrolizy:

[SC (H₂ALBO)₆]³⁺(AC)+H₂Lub (l) [sc (h (h₂ALBO)₅Oh]²⁺(AC)+H₃ALBO⁺(AC)

Kwasowość Scandio można również interpretować zgodnie z definicją Lewisa: ma wysoką tendencję do akceptowania elektronów, a zatem do tworzenia kompleksów koordynacyjnych.

Numer koordynacyjny

Ważną właściwością Scandio jest to, że jego liczba koordynacji, zarówno w większości związków nieorganicznych, struktur lub kryształów organicznych, wynosi 6; Oznacza to, że SC jest otoczony przez sześciu sąsiadów (lub formuje sześć linków). Powyżej złożony acuo [sc (h (h₂ALBO)₆]³⁺ Jest to najprostszy przykład wszystkich.

W kryształach centra SC są oktaedrami; Albo interakcja z innymi jonami (w jonowych ciałach stałych), albo z neutralnymi atomami połączonymi kowalencyjnie (w kowalencyjnych stałych).

Przykład tego ostatniego mamy [SC (OAC)₃], która tworzy strukturę łańcucha z grupami Acotiloxi lub acetoksi) działającymi jako mosty między atomami SC.

Nomenklatura

Ponieważ prawie domyślnie liczba utleniania Scandio w większości jego związków wynosi +3, jest to uważane za unikalne, a zatem nomenklatura jest znacznie uproszczona; bardzo podobne jak w przypadku metali alkalicznych lub samego aluminium.

Rozważmy na przykład swój tlenek, SC₂ALBO₃. Ta sama formuła chemiczna wskazuje z góry status utleniania +3 dla Scandio. W ten sposób, aby nazwać ten związek Scandio i podobnie jak inne, używane są systematyczne, zapasowe i tradycyjne nomenklatury.

Sc₂ALBO₃ Według nomenklatury zapasowej jest to tlenek Scandio, pomijając (III) (chociaż nie jest to jedyny możliwy stan utleniania); Scandic tlenku, z sufiksem -ico na końcu nazwy zgodnie z tradycyjną nomenklaturą; i Diescondio Tri -otleide, przestrzeganie zasad greckich prefiksów numerycznych systematycznej nomenklatury.

Artykuł biologiczny

Scandio na razie brakuje zdefiniowanego papieru biologicznego. Oznacza to, że nie wiadomo, w jaki sposób ciało może gromadzić się lub asymilować jony SC³⁺; Jakie konkretne enzymy mogą użyć go jako kofaktora, jeśli wywiera wpływ, choć podobny do jonów CA²⁺ lub wiara³⁺.

Wiadomo jednak, że jony SC³⁺ Wywierają działanie przeciwbakteryjne prawdopodobnie podczas zakłócania metabolizmu jonów wiary³⁺.

Niektóre badania statystyczne w medycynie prawdopodobnie łączą go z zaburzeniami żołądka, otyłością, cukrzycą, mózgowym zapaleniem leptomencji i innymi chorobami; Ale bez wyników.

Ponadto rośliny zwykle nie gromadzą znaczących ilości skandio w swoich liściach lub łodygach, ale w ich korzeniach i guzkach. Dlatego można argumentować, że jego stężenie w biomasie jest słabe, co wskazuje na niewielkie uczestnictwo w jej funkcjach fizjologicznych, a zatem kończy się bardziej gromadzącym się w glebach.

Gdzie jest i produkcja

Minerały i gwiazdy

Scandio może nie być tak obfite jak inne elementy chemiczne, ale jego obecność w skorupie Ziemi przewyższa obecność rtęci i niektórych metali szlachetnych. W rzeczywistości jego obfitość zbliża się do kobaltu i berylu; Dla każdej tony skał można wydobyć 22 gramów Scandio.

Może ci służyć: krystaliczne ciałę stałe: struktura, właściwości, typy, przykłady

Problem polega na tym, że ich atomy nie są zlokalizowane, ale rozproszone; Oznacza to, że nie ma minerałów dokładnie bogatych w Scandio w swoim składzie masowym. Dlatego mówi się, że nie ma preferencji dla żadnego z typowych formatorów minerałów (takich jak węglan, co₃^2-, lub siarczek, s^2-).

Nie jest w najczystszym stanie. Twój najbardziej stabilny tlenek, SC₂ALBO₃, który jest w połączeniu z innymi metali lub krzemianami w celu zdefiniowania minerałów; takie jak Thortveitita, Euxenita i Gadolinita.

Te trzy minerały (rzadko w sobie) reprezentują główne naturalne źródła Scandio i znajdują się w regionach Norwegii, Islandii, Skandynawii i Madagaskaru.

Za resztę jony SC³⁺ Można je włączyć jako zanieczyszczenia w niektórych kamieniach szlachetnych, takich jak akwamaryna lub w kopalniach uranu. A na niebie, wewnątrz gwiazd, element ten zajmuje liczbę 23 w obfitości; dość wysoko, jeśli weźmiesz pod uwagę cały kosmos.

Odpady przemysłowe i odpady

Po prostu powiedział, że Scandio można również znaleźć jako nieczystość. Na przykład znajduje się to u pigmentów Tio₂; w odpadach przetwarzania uranu, a także w radioaktywnych minerałach; oraz na marnotrawstwie boksytu w produkcji metalicznego aluminium.

Podobnie jest w późnym niklu i kobalcie, przy czym ten ostatni jest obiecującym źródłem Scandio w przyszłości.

Redukcja metalurgiczna

Ogromne trudności związane z ekstrakcją Scandio i że tak bardzo opóźniły ich uzyskanie w stanie rodzimym lub metalicznym, były spowodowane SC₂ALBO₃ Zmniejszenie jest uciążliwe; Nawet bardziej niż wujek₂, za pokazanie SC³⁺ Większe powinowactwo niż Ti⁴⁺ w kierunku O^2- (Zakładając 100% charakteru jonowego w odpowiednich tlenkach).

To znaczy łatwiej usunąć tlen od wuja₂ niż SC₂ALBO₃ Z dobrym środkiem redukującym (zwykle węglowe, alkaliczne lub alkaliczne). Dlatego SC₂ALBO₃ Przekształca się najpierw w związek, którego redukcja jest mniej problematyczna; Jak fluor Scandio, SCF₃. Następnie SCF₃ Jest zmniejszony z metalicznym wapniem:

2scf₃(s) +3ca (s) => 2sc (s) +3CAF₂(S)

Sc₂ALBO₃ lub pochodzi z wyżej wymienionych minerałów lub jest produktem ubocznym ekstrakcji innych pierwiastków (takich jak uran i żelazo). Jest to komercyjna forma Scandio, a jego niska roczna produkcja (15 ton) odzwierciedla wysokie koszty przetwarzania, oprócz jego wydobycia ze skał.

Elektroliza

Inną metodą wyprodukowania Scandio jest najpierw uzyskanie soli chlorkowej, SCCL₃, a następnie prześlij go do elektrolizy. Zatem w elektrodzie znajduje się scandio metalowe (jak gąbka), a w drugim gazowym chlorze.

Reakcje

Anfoteryzm

Scandio nie tylko dzieli się z aluminium charakterystyką bycia metali lekkich, ale także anfoterii; to znaczy zachowują się jak kwasy i podstawy.

Na przykład reaguje, podobnie jak wiele innych metali przejściowych, z silnymi kwasami do wytwarzania soli i gazu wodorowego:

2sc (s) +6HCl (AC) => 2sccl₃(AC) +3H₂(G)

W ten sposób zachowuje się jako podstawa (reaguje z HCl). Ale w ten sam sposób reaguje z silnymi zasadami, takimi jak wodorotlenek sodu:

2sc (s) +6naOH (AC) +6H₂Lub (l) => 2na₃SC (OH)₆(AC) +3H₂(G)

A teraz zachowuje się jak kwas (reaguje z NaOH), tworząc sól skandali; Sód, na₃SC (OH)₆, Ze skandalowym anionem, SC (OH)₆^3-.

Utlenianie

Po wystawieniu na powietrze, Scandio zaczyna utleniać swój odpowiedni tlenek. Reakcja jest przyspieszana i samodołażna, jeśli używane jest źródło ciepła. Ta reakcja jest reprezentowana z następującym równaniem chemicznym:

4sc (y) +3o₂(g) => 2sc₂ALBO₃(S)

Halogenomory

Scandio reaguje ze wszystkimi halogenami, tworząc halogenomory ogólnej chemii SCX₃ (X = f, cl, br, itp.).

Na przykład reaguj z jodem zgodnie z następującym równaniem:

2sc (y) +3i₂(g) => 2sci₃(S)

W ten sam sposób reaguje z chlorem, bromem i fluorem.

Tworzenie wodorotlenku

Scandio metaliczne może rozpuścić się w wodzie, powodując jego odpowiedni wodorotlenek i wodór:

2sc (y) +6h₂Lub (l) => 2sc (OH)₃(s) + h₂(G)

Hydroliza kwasu

Kompleksy wodne [SC (H (H₂ALBO)₆]³⁺ Mogą hydrolizować w taki sposób, że skończyły się tworząc sc- (oh) -sc, aż do definiowania klastra z trzema atomami Scandio.

Ryzyko

Nie wiadomo, oprócz roli biologicznej, jakie dokładnie są fizjologiczne i toksykologiczne skutki Scandio.

W swojej podstawowej formie uważa się, że nie jest toksyczny, chyba że jego drobno podzielona substancja stała jest wdychana, a zatem spowoduje uszkodzenie płuc. Podobnie ich związki przypisują toksyczność zerową, więc spożycie ich soli w teorii nie powinno reprezentować żadnego ryzyka; Tak długo, jak dawka nie jest wysoka (testowana u szczurów).

Może ci służyć: presja parowa: koncepcja, przykłady i ćwiczenia rozwiązane

Jednak dane związane z tymi aspektami są bardzo ograniczone. Dlatego nie można założyć, że żaden ze związków Scandio nie jest naprawdę nietoksyczny; Jeszcze mniej, jeśli metal może gromadzić się w glebach i wodach, a następnie przejście do roślin i, w mniejszym stopniu, do zwierząt.

W momentach Scandio nie stanowi jeszcze wyczuwalnego ryzyka w porównaniu z cięższymi metali; takie jak kadm, rtęć i ołów.

Aplikacje

Stopy

Chociaż cena Scandio jest wysoka w porównaniu z innymi metaliami, takimi jak tytan lub ittrio, jego aplikacje kończą się na wysiłkach i inwestycjach. Jednym z nich jest użycie go jako dodatku do stopów aluminiowych.

W ten sposób stopy SC-A (i inne metale) zachowują swoją lekkość, ale stają się jeszcze bardziej odporne na korozję, wysokie temperatury (nie pękają) i są tak mocne jak tytanowy.

Tak samo jest efekt, jaki skandyno ma na te stopy, że wystarczy dodać go do ilości śladów (mniej niż 0,5% masy), aby jego właściwości poprawiają się drastycznie bez obserwowania znacznego wzrostu swojej wagi. Mówi się, że w przypadku masowo używanego pewnego dnia może zmniejszyć wagę samolotów o 15-20%.

Podobnie stopy Scandio zostały użyte do ramek rewolwerów lub do produkcji artykułów sportowych, takich jak nietoperze baseballowe, specjalne rowery, trzciny rybackie, patyki golfowe itp.; Chociaż stopy tytanu zwykle zastępują je tańsze.

Najbardziej znanym z tych stopów jest AL₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ty₃₀, który jest równie silny jak tytan, tak lekki jak aluminium i twarda jak ceramika.

Wrażenia 3D

Stopy SC-Al zostały wykorzystane do robienia wrażeń 3D metalowych, w celu umieszczenia ich warstw na wcześniej wybranym stałym.

Iluminacje stadionu

Światła światła na etapach naśladują światło słoneczne dzięki działaniu jodku Scandio obok oparów rtęciowych. Źródło: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Jest dodawany (wraz z jodkiem sodu) do rtęciowych lamp pary, aby stworzyć sztuczne światła, które naśladują światło słońca. Właśnie dlatego na stadionach lub niektórych sądach sportowych, nawet w nocy, oświetlenie w nich jest takie, że zapewniają poczucie gry w całym dniu.

Podobne efekty zostały przydzielone dla urządzeń elektrycznych, takich jak kamery cyfrowe, ekrany telewizyjne lub monitory komputerowe. Również reflektory z tymi lampami SCI₃-HG był w studiach filmowych i telewizyjnych.

Baterie paliwowe z tlenkiem stałym

SOFC, ze względu na akronim w języku angielskim (ogniwo paliwowe tlenku stałego) używają tlenku lub ceramiki jako pożywki elektrolitycznej; W tym przypadku substancja stała, która zawiera scandio jony. Jego zastosowanie w tych urządzeniach wynika z wielkiej przewodności elektrycznej i zdolności do stabilizacji wzrostu temperatury; Więc pracują bez ogrzewania w wysokim stopniu.

Przykładem jednego z takich stałych tlenków jest stabilizowany cyrkonit ze skandio (w kształcie SC₂ALBO₃, Ponownie).

Ceramika

Scandio i tytanowe węgliek stanowią wyjątkową ceramikę twardości, pokonane tylko przez diamenty. Jednak jego zastosowanie jest ograniczone do materiałów z bardzo zaawansowanymi aplikacjami.

Organiczne kryształy koordynacyjne

Jony SC³⁺ Mogą koordynować z wieloma organicznymi ligandami, zwłaszcza jeśli są to natlenione cząsteczki.

Wynika to z faktu, że utworzone wiązania SC-O są bardzo stabilne, a zatem kończą budowanie kryształów z niesamowitymi strukturami, których pory można wywołać reakcje chemiczne, zachowujące się jako heterogeniczne katalizatory; lub neutralne cząsteczki gospodarza, zachowujące się jak solidne magazynowanie.

Podobnie takie organiczne kryształy płaczące można zastosować do projektowania materiałów sensorycznych, sit molekularnych lub przewodów jonowych.

Bibliografia

1. Irina Shtngeeva. (2004). Scandium. SAINT PETERSBURG STATE University Saint Petersburg. Odzyskane z: badań.internet
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Źródło: w:.Wikipedia.org
3. Redaktorzy Enyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Odzyskane z: Britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakty elementów Scandium. Chemicool. Odzyskane z: Chemicool.com
5. Skala. (2018). Scandium. Odzyskane z: projekt skali.UE
6. Helmestine, Anne Marie, pH.D. (3 lipca 2019). Przegląd SCANDium. Odzyskane z: Thoughtco.com
7. Kist, a.DO., Zhuk, L.Siema., Danilova, e.DO., & Makhmudov i.DO. (2012). O kwestii biologicznej roli Scandium. Odzyskane z: INIS.IAEA.org
8. W.DO.Grosshans i.K.Vohra i w.B.Holzapfel. (1982). Transformacje fazowe pod wysokim ciśnieniem w itrium i Scandium: Związek do ziem rzadkich i aktynidów struktur krystalicznych. Journal of Magnetism and Magnec Materials Volume 29, Issues 1-3, strony 282-286 DOI.Org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina lub. Barsukova i in. (2018). Scandium-Organic Frameworks: Postęp i perspektywy. Russ. Chem. Obrót silnika. 87 1139.
10. Inwestowanie sieci informacyjne. (11 listopada 2014). Aplikacje Scandium: przegląd. Aime Medium Inc. Odzyskane z: InvestingNews.com