Geschiedenisschandio, eigenschappen, reacties, risico's en gebruik

Hij scandium Het is een overgangsmetaal waarvan het chemisch symbool de SC is. Het is de eerste van de overgangsmetalen in het periodiek systeem, maar het is ook een van de minst gebruikelijke elementen van zeldzame aardes; Hoewel de eigenschappen ervan kunnen lijken op die van de lantanides, keuren niet alle auteurs niet zo goed om het op zo'n manier te classificeren.

Op een populair niveau is het een chemisch element dat onopgemerkt blijft. Zijn naam, geboren uit zeldzame aarde -mineralen uit Scandinavië, kan stroom zijn naast koper, ijzer of goud. Het is echter nog steeds indrukwekkend en de fysieke eigenschappen van hun legeringen kunnen concurreren met die van het titanium.

Ultrapure elementair scenarium monster. Bron: Hi-Res Images ofChemical Elements [CC door 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/door/3.0)]

Evenzo wordt meer en meer stap geopend in de wereld van technologie, vooral in termen van verlichting en lasers. Die een vuurtoren heeft waargenomen dat een licht vergelijkbaar is met dat van de zon, zal indirect getuige zijn geweest van het bestaan ​​van de Scandio. Voor de rest is het een veelbelovend element voor de productie van vliegtuigen.

Het grootste probleem waarmee de schandio -markt wordt geconfronteerd, is dat het erg verspreid is en er geen mineralen of rijke bronnen van zijn; Dus de extractie is duur, zelfs als het geen metaal is met een lage overvloed in de aardkorst. In de natuur is het net als zijn oxide, een vaste stof die niet gemakkelijk kan worden verminderd.

In veel van zijn verbindingen neemt anorganisch of organisch deel aan de link met een oxidatienummer van +3; dat wil zeggen, uitgaande van de aanwezigheid van het cation³⁺. De Scandio is een relatief sterk zuur en kan zeer stabiele coördinatieverbindingen vormen met de zuurstofatomen van organische moleculen.

[TOC]

Geschiedenis

De Scandio werd in 1879 als een chemisch element herkend door de Zwitserse chemicus Lars F. Nilson. Ik werkte met Euxenita en Gadolinita Minerals met de bedoeling om te verkrijgen. Hij ontdekte dat er een onbekend element in zijn sporen was dankzij de studie van spectroscopische analyse (atomisch emissiespectrum).

Van de mineralen, zijn team en hij slaagden erin om het respectieve schandio -oxide te verkrijgen, een naam die werd ontvangen voor het zeker verzamelen van de SCANDINAVIA -monsters; Mineralen die voor hen zeldzame aardes werden genoemd.

Echter, acht jaar eerder, in 1871, had Dmitri Mendeleev echter het bestaan ​​van de schandio voorspeld; Maar met de naam Ekaboro, wat betekende dat de chemische eigenschappen ervan vergelijkbaar waren met die van Boro. 

En het was in feite de Zwitserse chemicus per Teodor Cleve die de Scandio met de Ekaboro toeschreef, waardoor het dus hetzelfde chemische element was. Specifiek degene die het overgangsmetalenblok begint in het periodiek systeem.

Vele jaren verstreken toen in 1937 Werner Fischer en zijn medewerkers erin slaagden metaal (maar onzuivere) scandio te isoleren, door de elektrolyse van een mengsel van kalium, lithium en schuurchloriden. Het was pas in 1960 toen hij hem eindelijk kon krijgen met een zuiverheid rond 99%.

Elektronische structuur en configuratie

De elementaire (native en pure) scandio kan kristalliseren in twee structuren (alotropen): compact zeshoekig (HCP) en de kubieke gecentreerd in het lichaam (BCC). De eerste noemt het meestal als fase α, en de tweede de β -fase.

Fase α, zeshoekig en dichter, is stabiel bij omgevingstemperaturen; Terwijl de β, kubieke en minder fase stabiel is boven 1337 ºC. Aldus treedt bij deze laatste temperatuur een overgang tussen beide fasen of alotropen op (in het geval van metalen).

Merk op dat hoewel de schandio normaal gesproken kristalliseert in een HCP -vaste stof, dit niet betekent dat het een zeer dicht metaal is; Tenminste, meer dan aluminium. Uit zijn elektronische configuratie kan het bekend zijn welke elektronen gewoon in hun metaalbinding:

[AR] 3D¹ 4S²

Daarom zijn de drie elektronen van de 3D- en 4S -orbitalen betrokken bij de manier waarop de SC -atomen in het glas zich bevinden.

Om in een zeshoekig glas te compacteren, moet de aantrekkingskracht van zijn kernen zodanig zijn dat deze drie elektronen, zwak afgeschermd door de elektronen van de interne lagen, niet te ver van de SC -atomen bewegen en bijgevolg de afstanden daartussen worden besmet.

Hoge drukfase

De α- en β -fasen zijn geassocieerd met temperatuurveranderingen; Er is echter een tetragonale fase, vergelijkbaar met die van het niobio -metaal, NB, wat resulteert wanneer de metaalschandio een druk lijdt groter dan 20 GPa.

Oxidatienummers

De Scandio kan zijn drie valentie -elektronen tot maximaal verliezen (3D¹4S²)). In theorie zijn de eerste die "vertrekt" die van de 4s orbital.

Dus uitgaande van het bestaan ​​van het cation⁺ In de verbinding is het oxidatienummer +1; wat hetzelfde is als zeggen dat hij een elektron verloor van de 4s orbital (3D¹4S¹)).

Als het de SC is²⁺, Uw oxidatienummer is +2 en u hebt twee elektronen verloren (3D¹4S⁰); En als het de SC is³⁺, De meest stabiele van deze kationen hebben het +3 oxidatienummer en is isolectronisch voor argon.

Kan u van dienst zijn: karamelisatie

Kortom, de oxidatienummers zijn: +1, +2 en +3. Bijvoorbeeld in de SC₂OF₃ Het oxidatienummer van de schandio is +3 omdat het bestaan ​​van SC wordt aangenomen³⁺ (SC₂³⁺OF₃^2-)).

Eigenschappen

Fysiek uiterlijk

Het is een zilveren wit metaal in zijn pure en elementaire vorm, zachte en gladde textuur. Verwerft geelachtige tonaliteiten wanneer het begint te worden bedekt met een oxidelaag (SC₂OF₃)).

Molaire massa

44.955 g/mol.

Smeltpunt

1541 ºC.

Kookpunt

2836 ºC.

Molaire warmtecapaciteit

25.52 J/(mol · k).

Fusiewarmte

14.1 kJ/mol.

Verdampingswarmte

332.7 kJ/mol.

Warmtegeleiding

66 μω · cm bij 20 ºC.

Dikte

2.985 g/ml, vaste en 2,80 g/ml, vloeistof. Merk op dat de dichtheid van de vaste toestand die van aluminium (2,70 g/ml) nadert, wat betekent dat beide metalen zeer licht zijn; Maar de schandio smelt bij een hogere temperatuur (het aluminium fusiepunt is 660,3 ºC).

Elektronegativiteit

1.36 op de Pauling -schaal.

Ionisatie -energieën

Eerst: 633,1 kJ/mol (SC⁺ gasvormig).

Ten tweede: 1235.0 kJ/mol (SC²⁺ gasvormig).

Derde: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ gasvormig).

Atomaire radio

162 uur.

Magnetische volgorde

Paramagnetisch.

Isotopen

Van alle isotopen van de schandio, de ^{Vier vijf}SC beslaat bijna 100% van de totale overvloed (dit wordt weerspiegeld in het atoomgewicht, zeer dicht bij 45 U).

De anderen bestaan ​​uit radio -isotopen met verschillende halfwaardetijden; Als de ⁴⁶SC (T_1/2 = 83,8 dagen), ⁴⁷SC (T_1/2 = 3,35 dagen), ⁴⁴SC (T_1/2 = 4 uur), en ⁴⁸SC (T_1/2 = 43,7 uur). Andere radio -isotopen hebben T_1/2 Minder dan 4 uur.

Zuurgraad

Het kation SC³⁺ Het is een relatief sterk zuur. In water kunt u bijvoorbeeld het waterige complex vormen [sc (h₂OF)₆]³⁺, die ook de pH kan omzetten in een waarde onder 7, omdat deze H -ionen genereert₃OF⁺ als een product van zijn hydrolyse:

[Sc (h₂OF)₆]³⁺(AC)+H₂Of (l) [sc (h₂OF)₅Oh]²⁺(AC)+H₃OF⁺(AC)

De zuurgraad van de schandio kan ook worden geïnterpreteerd volgens de definitie van Lewis: het heeft een hoge neiging om elektronen te accepteren en daarom coördinatiecomplexen te vormen.

Coördinatiegetal

Een belangrijke eigenschap van de schandio is dat zijn coördinatienummer, zowel in de meeste van zijn anorganische verbindingen, structuren of organische kristallen, 6 is; Het betekent dat de SC is omgeven door zes buren (of zes links vormt). Hierboven, de complexe acuo [sc (h₂OF)₆]³⁺ Het is het eenvoudigste voorbeeld van allemaal.

In de kristallen zijn de SC -centra octahedralen; Ofwel interactie met andere ionen (in ionische vaste stoffen), of met neutrale atomen die covalent zijn gekoppeld (in covalente vaste stoffen).

Voorbeeld van dit laatste hebben we de [SC (OAC)₃], die kettingstructuur vormt met de acotiloxi of acetoxi) groepen die werken als bruggen tussen SC -atomen.

Nomenclatuur

Omdat bijna standaard het oxidatienummer van de schandio in veel van zijn verbindingen +3 is, wordt dit als uniek beschouwd en is de nomenclatuur daarom aanzienlijk vereenvoudigd; zeer vergelijkbaar als met alkalische metalen of aluminium zelf.

Overweeg bijvoorbeeld uw oxide, SC₂OF₃. Dezelfde chemische formule geeft vooraf de oxidatiestatus van +3 voor de Scandio aan. Dus om dit Scandio -verbinding te noemen, en net als anderen worden systematische, stock- en traditionele nomenclaturen gebruikt.

De SC₂OF₃ Het is dan Scandio -oxide, volgens de stocknomenclatuur, die de (III) weglaten (hoewel het niet de enige mogelijke oxidatietoestand is); Oxide -schandic, met het achtervoegsel -ICO aan het einde van de naam volgens de traditionele nomenclatuur; en diecondio -trioxide, gehoorzamen aan de regels van de Griekse numerieke voorvoegsels van de systematische nomenclatuur.

Biologisch papier

De schandio mist op dit moment gedefinieerd biologisch artikel. Dat wil zeggen, het is onbekend hoe het lichaam de scions kan verzamelen of assimileren³⁺; Welke specifieke enzymen kunnen het gebruiken als een cofactor, als het een invloed uitoefent, hoewel vergelijkbaar met ca ionen²⁺ of geloof³⁺.

Het is echter bekend dat Scions³⁺ Ze oefenen antibacteriële effecten uit mogelijk bij het verstoren van het metabolisme van geloofsionen³⁺.

Sommige statistische studies in de geneeskunde koppelen het mogelijk aan maagstoornissen, obesitas, diabetes, cerebrale leptomeningitis en andere ziekten; Maar zonder resultaten.

Ook accumuleren planten meestal geen aanzienlijke hoeveelheden schandio in hun bladeren of stengels, maar in hun wortels en knobbeltjes. Daarom kan worden betoogd dat zijn concentratie in biomassa slecht is, indicatief voor weinig deelname aan zijn fysiologische functies en bijgevolg uiteindelijk meer in de bodem verzamelt.

Waar is en productie

Mineralen en sterren

De schandio is misschien niet zo overvloedig als andere chemische elementen, maar de aanwezigheid ervan in de aardkorst overtreft die van kwik en enkele edelmetalen. In feite benadert zijn overvloed die van kobalt en beryllium; Voor elke ton rotsen kan 22 gram Scandio worden geëxtraheerd.

Kan u van dienst zijn: kristallijne vaste stoffen: structuur, eigenschappen, typen, voorbeelden

Het probleem is dat hun atomen niet zijn gevestigd maar verspreid; dat wil zeggen, er zijn geen mineralen precies rijk aan Scandio in zijn massale samenstelling. Daarom wordt gezegd dat het geen voorkeur heeft voor een van de typische minerale formators (zoals carbonaat, CO₃^2-, of sulfide, s^2-)).

Het is niet in zijn puurste staat. Noch is uw meest stabiele oxide, SC₂OF₃, die wordt gecombineerd met andere metalen of silicaten om mineralen te definiëren; zoals Thortveitita, Euxenita en Gadolinita.

Deze drie mineralen (zeldzaam op zichzelf) vertegenwoordigen de belangrijkste natuurlijke bronnen van Scandio en zijn te vinden in regio's van Noorwegen, IJsland, Scandinavisch en Madagascar.

Voor de rest, SC Iions³⁺ Ze kunnen worden opgenomen als onzuiverheden in sommige edelstenen, zoals aquamarine of in uraniummijnen. En in de lucht, binnen de sterren, bezet dit element het nummer 23 in overvloed; vrij hoog als je de hele kosmos beschouwt.

Industrieel afval en verspilling

Het zei net dat de schandio ook als onzuiverheid kan worden gevonden. Het wordt bijvoorbeeld gevonden in Tio -pigmenten₂; bij het verwerken van afval van uranium, evenals in zijn radioactieve mineralen; en in de verspilling van het bauxiet bij de productie van metaalaluminium.

Evenzo is het in de late nikkel en kobalt, de laatste is in de toekomst een veelbelovende bron van Scandio.

Metallurgische reductie

De enorme moeilijkheden rond de extractie van de schandio, en dat ze zoveel vertraagden dat hun verkregen in de inheemse of metalen toestand te wijten was aan de SC₂OF₃ Het is moeizaam om te verminderen; zelfs meer dan de oom₂, voor het tonen van de SC³⁺ Een grotere affiniteit dan ti⁴⁺ Naar de O^2- (uitgaande van een 100% ionisch karakter in zijn respectieve oxiden).

Dat wil zeggen, het is gemakkelijker om zuurstof van de oom te verwijderen₂ dan tegen SC₂OF₃ met een goed reductiemiddel (meestal kolen- of alkalische of alkaliner -metalen). Dat is de reden waarom de SC₂OF₃ Het transformeert eerst in een verbinding waarvan de reductie minder problematisch is; Zoals Scandio Fluoride, SCF₃. Vervolgens de SCF₃ Het wordt verminderd met metalen calcium:

2SCF₃(s) +3ca (s) => 2Sc (s) +3CAF₂(S)

De SC₂OF₃ of het komt van de bovengenoemde mineralen, of het is een bijproduct van de extracties van andere elementen (zoals uranium en ijzer). Het is de commerciële vorm van de schandio en de lage jaarlijkse productie (15 ton) weerspiegelt de hoge verwerkingskosten, naast die van zijn extractie uit de rotsen.

Elektrolyse

Een andere methode om Scandio te produceren is om eerst uw chloridezout te verkrijgen, SCCL₃, en dien het vervolgens in voor elektrolyse. In een elektrode is er dus een metalen scandio (zoals een spons), en in het andere gasvormige chloor.

Reacties

Anfoterisme

De schandio deelt niet alleen met aluminium de kenmerken van lichtmetalen, maar ook anfoterisch; dat wil zeggen, ze gedragen zich als zuren en basen.

Het reageert bijvoorbeeld, net als vele andere overgangsmetalen, met sterke zuren om zouten en waterstofgas te produceren:

2Sc (s) +6HCl (ac) => 2Sccl₃(AC) +3H₂(G)

Daarbij gedraagt ​​het zich als een basis (reageert met de HCl). Maar op dezelfde manier reageert het met sterke basen, zoals natriumhydroxide:

2Sc (s) +6naOH (AC) +6H₂Of (l) => 2NA₃SC (OH)₆(AC) +3H₂(G)

En nu gedraagt ​​het zich als een zuur (het reageert met de NaOH), om een ​​zout van schandaal te vormen; Het natrium, na₃SC (OH)₆, Met het schandaalanion, SC (OH)₆^3-.

Oxidatie

Bij blootstelling aan de lucht begint de schandio zijn respectieve oxide te oxideren. De reactie is versneld en zelfgekweekt als een warmtebron wordt gebruikt. Deze reactie wordt weergegeven met de volgende chemische vergelijking:

4SC (s) +3o₂(g) => 2sc₂OF₃(S)

Halogenuros

De schandio reageert met alle halogenen om halogenuros van algemene chemie -formule SCX te vormen₃ (X = f, cl, br, etc.)).

Reacteer bijvoorbeeld met jodium volgens de volgende vergelijking:

2Sc (s) +3i₂(g) => 2sci₃(S)

Op dezelfde manier reageert het met chloor, broom en fluoride.

Hydroxidevorming

De metalen schandio kan in het water oplossen om zijn respectieve hydroxide en waterstofgas te veroorzaken:

2Sc (s) +6H₂Of (l) => 2sc (oh)₃(s) + h₂(G)

Zure hydrolyse

Waterige complexen [sc (h₂OF)₆]³⁺ Ze kunnen zodanig hydrolyiseren dat ze SC- (OH) -SC vormen, tot het definiëren van een cluster met drie scandio -atomen.

Risico's

Het is onbekend, naast zijn biologische rol, wat precies de fysiologische en toxicologische effecten van de schandio zijn.

In zijn elementaire vorm wordt aangenomen dat het niet giftig is, tenzij zijn fijn verdeelde vaste stof wordt ingeademd en dus schade aan de longen veroorzaakt. Evenzo worden hun verbindingen toegeschreven nul toxiciteit, dus de inname van hun zouten in theorie zou geen risico moeten vertegenwoordigen; Zolang de dosis niet hoog is (getest bij ratten).

Kan u van dienst zijn: stoomdruk: concept, voorbeelden en oefeningen opgelost

De gegevens met betrekking tot deze aspecten zijn echter zeer beperkt. Daarom kan niet worden aangenomen dat geen van de Scandio -verbindingen echt niet -toxisch is; Nog minder als het metaal zich kan ophopen in de bodem en wateren, dan naar planten en in mindere mate naar dieren gaan.

Voor de momenten vertegenwoordigt de Scandio nog geen voelbaar risico in vergelijking met zwaardere metalen; zoals cadmium, kwik en lood.

Toepassingen

Legeringen

Hoewel de prijs van de schandio hoog is in vergelijking met andere metalen zoals titanium of iTtrio, gebruiken de toepassingen uiteindelijk inspanningen en investeringen. Een van hen is om het te gebruiken als een additief voor aluminiumlegeringen.

Op deze manier behouden de SC-A (en andere metalen) legeringen hun lichtheid, maar ze worden nog meer corrosiebestendige, hoge temperaturen (ze barsten niet) en zijn zo sterk als titanium.

Zozeer is het effect dat de schandio op deze legeringen heeft, dat het voldoende is om het toe te voegen in sporenhoeveelheden (minder dan 0,5% in massa), zodat de eigenschappen drastisch verbeteren zonder een aanzienlijke toename van zijn gewicht te observeren. Er wordt gezegd dat het, als het op een dag massaal wordt gebruikt, het gewicht van vliegtuigen met 15-20% zou kunnen verminderen.

Evenzo zijn scandio -legeringen gebruikt voor de frames van de revolvers, of voor de productie van sportartikelen, zoals honkbalvleermuizen, speciale fietsen, vissende riet, golfsticks, enz.; Hoewel titaniumlegeringen ze meestal vervangen door goedkoper te zijn.

De bekendste van deze legeringen is de AL_twintigLi_twintigMg₁₀SC_twintigJij₃₀, die even sterk is als titanium, zo licht als aluminium en hard als keramiek.

3D -indrukken

SC-Al-legeringen zijn gebruikt om metaal 3D-indrukken te maken, met als doel het plaatsen of toevoegen van lagen ervan op een vooraf gekozen vaste stof.

Stadionverlichtingen

De lichten van licht in de stadia nabootsen van het zonlicht dankzij de actie van de Scandio -jodide naast de Mercury -dampen. Bron: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Het wordt toegevoegd (samen met natriumjodide) aan kwikdamplampen om kunstmatige lichten te creëren die die van de zon nabootsen. Dat is de reden waarom in de stadions of sommige sportrechtbanken, zelfs 's nachts, de verlichting erin zodanig is dat ze het gevoel geven een spel op de hele dag te observeren.

Soortgelijke effecten zijn toegewezen voor elektrische apparaten zoals digitale camera's, televisieschermen of voor computermonitors. Ook de koplampen met deze sci -lampen₃-HG zijn in film- en televisiestudio's geweest.

Batterijbatterijen van vaste oxide

SOFC, voor zijn acroniem in het Engels (vaste oxide -brandstofcel) gebruiken een oxide of keramiek als een elektrolytisch medium; In dit geval een vaste stof die schandio -ionen bevat. Het gebruik ervan in deze apparaten is te wijten aan de grote elektrische geleidbaarheid en het vermogen om de temperatuurstijgingen te stabiliseren; Dus ze werken zonder te verwarmen in de hoge graad.

Voorbeeld van een dergelijke vaste oxiden is het gestabiliseerde zirkoniet met scandio (in SC -vorm₂OF₃, opnieuw).

Keramiek

Scandio en titanium carbide vormen een uitzonderlijk keramiek van de hardheid, alleen overwonnen door die van diamanten. Het gebruik ervan is echter beperkt tot materialen met zeer geavanceerde toepassingen.

Organische coördinatiekristallen

SC ionen³⁺ Ze kunnen coördineren met meerdere organische liganden, vooral als ze geoxygeneerde moleculen zijn.

Dit komt omdat de gevormde SC-O-bindingen zeer stabiel zijn en daarom kristallen bouwen met verbazingwekkende structuren, waarvan de poriën chemische reacties kunnen worden geactiveerd, zich gedragen als heterogene katalysatoren; of host neutrale moleculen, gedragen zich als een vaste opslag.

Evenzo kunnen dergelijke organische huilende kristalkristallen worden gebruikt om sensorische materialen, moleculaire zeven of iongeleiders te ontwerpen.

Referenties

1. Irina shtngeeva. (2004). Scandium. Saint Petersburg State University Saint Petersburg. Hersteld van: ResearchGate.netto
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Opgehaald uit: in.Wikipedia.borg
3. De redacteuren van Enyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: Britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Feiten van het scandiumelement. Chemicool. Hersteld van: chemicool.com
5. Schaal. (2018). Scandium. Hersteld van: schaalproject.EU
6. Helmestine, Anne Marie, pH.D. (3 juli 2019). Een overzicht van Scandium. Hersteld van: Thoughtco.com
7. Kist, een.NAAR., Zhuk, L.Je., Danilova, E.NAAR., & Makhmudov, en.NAAR. (2012). Over biologische rol van scandium. Hersteld van: inis.IAEA.borg
8. W.NAAR.Grosshans, en.K.VOHRA & W.B.Holzapfel. (1982). Hoge drukfase -transformaties in yttrium en scandium: relatie tot zeldzame aardes en actiniden kristalstructuren. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, uitgaven 1-3, pagina's 282-286 DOI.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Jachthaven of. Barsukova et al. (2018). Scandium-organische frameworks: vooruitgang en vooruitzichten. Russ. Chem. Revisie. 87 1139.
10. Investeren van nieuwsnetwerk. (11 november 2014). Scandiumtoepassingen: een overzicht. Aime Medium Inc. Teruggewonnen van: InvestingNews.com