SCANDIUM: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, REAKCIÓK, KOCKÁZATOK ÉS FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A szandium egy átmeneti fém, amelynek kémiai szimbóluma Sc az első átmeneti fémek a periódusos táblázatban, de egyben a legkevésbé általános ritkaföldfémek; Bár tulajdonságai hasonlíthatnak a lantanidok tulajdonságaira, nem minden szerző hagyja jóvá az ilyen osztályozást.

Népszerű szinten ez egy kémiai elem, amely észrevétlenül marad. A neve a Skandináviából származó ritkaföldfémekből született, réz, vas vagy arany mellett jelen lehet. Ennek ellenére továbbra is lenyűgöző, és ötvözeteinek fizikai tulajdonságai versenyezhetnek a titánéval.

Ultra tiszta elemi skandiumminta. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

Emellett egyre több lépést tesznek a technológia világában, különösen a világítás és a lézerek terén. Bárki, aki megfigyelte a napfényhez hasonló fényt sugárzó világítótornyot, közvetett szemtanúja lehet a szkandium létezésének. Egyébként ígéretes tétel a repülőgépgyártás számára.

A skandiumpiac fő problémája az, hogy széles körben eloszlatott, és nincsenek ásványi anyagai vagy gazdag forrásai; így kitermelése drága, még akkor is, ha nem olyan fém, amelynek a földkéregben kevés a bőség. A természetben oxid formájában található, olyan szilárd anyag, amelyet nem lehet könnyen redukálni.

Vegyületeinek nagy részében, szervetlen vagy szerves, +3 oxidációs számmal vesz részt a kötésben; vagyis feltételezve az Sc ³⁺ kation jelenlétét. A szandium egy viszonylag erős sav, és nagyon stabil koordinációs kötéseket képezhet a szerves molekulák oxigénatomjaival.

Történelem

A Scandiumot kémiai elemként 1879-ben elismerték Lars F. Nilson svájci vegyész. Dolgozott az euxenit és a gadolinit ásványokkal, azzal a céllal, hogy megszerezze a benne lévő ittriumot. Felfedezte, hogy a spektroszkópos elemzés (atomi emisszióspektrum) tanulmányának köszönhetően ismeretlen elem volt a nyomokban.

Az ásványokból sikerült neki és csapatanak megszerezni a megfelelő skandium-oxidot, ezt a nevet azért kapják, mert biztosan összegyűjtötte a mintákat Skandináviából; ásványi anyagok, amelyeket addigra ritkaföldfének hívtak.

Nyolc évvel korábban, 1871-ben, Dmitrij Mendelejev előre jelezte a szandium létezését; de az ekaboro névvel, ami azt jelentette, hogy kémiai tulajdonságai hasonlóak voltak a bóréhoz.

És valójában Per Teodor Cleve svájci vegyész az, aki a szkandiumot az ekaborónak tulajdonította, tehát ugyanaz a kémiai elem. Pontosabban az, amely megkezdi az átmeneti fémek blokkját a periódusos táblában.

Sok év telt el, amikor 1937-ben Werner Fischernek és munkatársainak sikerült a fém szandiumot izolálni (de tisztátalan) kálium, lítium és szandium klorid elegyének elektrolízise útján. Csak 1960-ban sikerült 99% körüli tisztasággal megszerezni.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Az elemi skandium (natív és tiszta) két struktúrába (alotróp) kristályosodhat: a kompakt hatszögletű (hcp) és a testközpontú köbös (bcc). Az elsőt általában α fázisnak, a második β fázisnak nevezik.

A sűrűbb, hatszögletű α fázis környezeti hőmérsékleten stabil; míg a kevésbé sűrű köbös β-fázis 1337 ° C felett stabil. Így ezen az utolsó hőmérsékleten átmenet történik mindkét fázis vagy az allotropok között (fémek esetében).

Vegye figyelembe, hogy bár a szkandium általában hcp szilárd anyaggé kristályosodik, nem teszi azt nagyon sűrű fémré; legalább igen, több mint az alumínium. Elektronikus konfigurációjából megtudhatjuk, hogy mely elektronok vesznek részt általában fémes kötésében:

3d ¹ 4s ²

Ezért a 3d és a 4s pálya három elektronja beavatkozik úgy, ahogyan az Sc atomok a kristályban helyezkednek el.

Ha egy hatszögletű kristályba tömörül, annak magjainak vonzásának olyannak kell lennie, hogy ez a három elektron, amelyet a belső héj elektronjai gyengén árnyékolnak, ne távozzon túl messze az Sc atomoktól, és következésképpen a távolságuk szűk.

Magas nyomású fázis

Az α és β fázisok a hőmérséklet változásaival vannak összefüggésben; van ugyanakkor egy tetragonális fázis, hasonlóan az Nb fém-niobiuméhoz, ami akkor alakul ki, amikor a fém skandium 20 GPa-nál nagyobb nyomáson megy keresztül.

Oxidációs számok

A Scandium elveszíti legfeljebb három vegyérték elektronát (3d ¹ 4s ²). Elméletileg az első, aki "megy", a 4s körüli pályán vannak.

Így, feltételezve, hogy a létezése a Sc ⁺ kation a vegyületet, annak oxidációs szám +1; ami megegyezik azzal, hogy azt állítják, hogy elveszített egy elektronot a 4s körüli pályán (3d ¹ 4s ¹).

Ha Sc ²⁺, akkor annak oxidációs száma +2 lesz, és elveszít két elektronot (3d ¹ 4s ⁰); és ha Sc ³⁺, a legstabilabb ezek közül a kationok közül, akkor az oxidációs száma +3, és izoelektronikus argonra.

Röviden: oxidációs számuk: +1, +2 és +3. Például, Sc ₂ O _3-ban a szandium oxidációs száma +3, mivel feltételezik, hogy Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ²) létezik.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Ezüstös fehér fém tiszta és elemi formájában, puha és sima textúrával. Sárgás-rózsaszín árnyalatot kap, amikor oxidréteggel borítja (Sc ₂ O ₃).

Moláris tömeg

44,955 g / mol.

Olvadáspont

1541 ° C

Forráspont

2836 ° C.

Moláris hőkapacitás

25,52 J / (mol · K).

A fúziós hő

14,1 kJ / mol.

A párolgás hője

332,7 kJ / mol.

Hővezető

66 µΩ · cm 20 ° C-on.

Sűrűség

2,985 g / ml, szilárd és 2,80 g / ml, folyékony. Vegye figyelembe, hogy szilárd halmazállapotú sűrűsége megközelíti az alumínium sűrűségét (2,70 g / ml), ami azt jelenti, hogy mindkét fém nagyon könnyű; de a skandium magasabb hőmérsékleten olvad (az alumínium olvadáspontja 660,3 ºC).

elektronegativitás

1,36 a Pauling skálán.

Ionizációs energiák

Először: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ gáznemű).

Második: 1235,0 kJ / mol (Sc ²⁺ gáznemű).

Harmadik: 2388,6 kJ / mol (Sc ³⁺ gáz).

Atomic radio

162 órakor.

Mágneses sorrend

Paramágneses.

Izotóp

A szkandium összes izotópja közül a ⁴⁵ Sc a teljes bőség csaknem 100% -át foglalja el (ez az atomtömegében nagyon közel 45 u) tükröződik.

A többiek különböző felezési idejű radioizotópokból állnak; például ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 nap), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 nap), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 óra) és ⁴⁸ Sc (t _1/2) = 43,7 óra). Más radioizotópok t _1/2- nél kevesebb, mint 4 óra.

savasság

Az Sc ³⁺ kation viszonylag erős sav. Például vízben képezheti a ³⁺ vizes komplexet, amely viszont a pH-t 7 alá csökkentheti, mivel hidrolízise eredményeként H ₃ O ⁺ -ionokat hoz létre:

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

A skandium savassága a Lewis-meghatározás értelmében is értelmezhető: nagy hajlamú elektronokat elfogadni, és ezért koordinációs komplexeket képezni.

Koordinációs szám

A skandium fontos tulajdonsága, hogy koordinációja a legtöbb szervetlen vegyületében, szerkezetében vagy szerves kristályában 6; ez azt jelenti, hogy az Sc hat szomszéd körül van (vagy hat kötést képez). Mindezen felül a komplex vizes ^{3+ szint} a legegyszerűbb példa.

A kristályokban az Sc középpontjai oktaéderek; kölcsönhatásba léphet más ionokkal (ionos szilárd anyagokban) vagy kovalensen kötött semleges atomokkal (kovalens szilárd anyagokban).

Ez utóbbi példára al, amely láncszerkezetet képez az AcO-csoportokkal (acetil-oxi vagy acetoxi), amelyek hidakként szolgálnak az Sc-atomok között.

Elnevezéstan

Mivel alapvetően alapvetõen a skandium oxidációs száma a legtöbb vegyületben +3, ez egyedinek tekinthetõ, és ezért a nómenklatúrát jelentõsen egyszerûsítették; nagyon hasonló, mint az alkálifémekkel vagy magával az alumíniummal.

Vegyük például oxidját, Sc ₂ O ₃. Ugyanaz a kémiai képlet előre jelzi a skandium +3 oxidációs állapotát. Így ezt a vegyület skandiumnak, és másokhoz hasonlóan, a szisztematikus, az állomány és a hagyományos nómenklatúrákat használjuk.

Sc ₂ O ₃ ezután szkandium-oxid, szerint az állomány nómenklatúra, elhagyva a (III) (bár ez nem az egyetlen lehetséges oxidációs állapotban); skandin-oxid, a név végén –ico utótaggal, a hagyományos nómenklatúra szerint; és diaszandium-trioxid, betartva a szisztematikus nómenklatúra görög numerikus előtagjainak szabályait.

Biológiai szerepe

A Scandiumnak jelenleg nincs meghatározott biológiai szerepe. Vagyis ismeretlen, hogy a test hogyan képes felhalmozni vagy asszimilálni a Sc ³⁺ ionokat; milyen specifikus enzimek használhatják kofaktorként, ha hatással van a sejtekre, bár hasonlóan a Ca ²⁺ vagy Fe ³⁺ ionokhoz.

Ismert azonban, hogy az Sc ³⁺ ionok antibakteriális hatást fejtenek ki, valószínűleg azáltal, hogy megzavarják a Fe ³⁺ ionok metabolizmusát.

Egyes statisztikai tanulmányok az orvostudományon belül valószínűleg összekapcsolják a gyomor rendellenességekkel, elhízással, cukorbetegséggel, agyi leptomeningitiszel és más betegségekkel; de kellően megvilágító eredmények nélkül.

Hasonlóképpen, a növények általában nem felhalmozódnak jelentős mennyiségű skandiumot a levelekbe vagy a szárba, hanem a gyökerekbe és a csomókba. Ezért azt lehet állítani, hogy a biomassza koncentrációja gyenge, ami arra utal, hogy csekély mértékben vesz részt a fiziológiás funkciókban, és következésképpen a talajban felhalmozódik.

Hol található és gyártás

Ásványok és csillagok

A skandium nem feltétlenül olyan bőséges, mint más kémiai elemek, de a földkéregben való jelenléte meghaladja a higany és egyes nemesfémek jelenlétét. Valójában bősége megközelíti a kobalt és a berillium mennyiségét; Minden tonna kőből 22 gramm skandiumot lehet kinyerni.

A probléma az, hogy atomjaik nem elhelyezkednek, hanem szétszórtak; vagyis nincs olyan ásványi anyag, amely tömegösszetételében pontosan gazdag skandiumban lenne. Ezért azt mondják, hogy nincs preferencia bármilyen tipikus ásványi-anionokat képező (mint például a karbonát, a CO ₃ ^2-, vagy szulfid, S ^2-).

Nincs tiszta állapotában. Ugyancsak nem a legstabilabb oxidja, Sc ₂ O ₃, amely más fémekkel vagy szilikátokkal kombinálva határozza meg az ásványokat; például tortveitit, euxenit és gadolinit.

Ez a három ásvány (önmagában ritka) a Scandium fő természetes forrásait képviseli, és Norvégiában, Izlandon, Skandináviában és Madagaszkáron található.

Egyébként a Sc ³⁺ -ionok szennyeződésként beépíthetők egyes drágakövekbe, például akvamarinba vagy uránbányákba. És az égen, a csillagokon belül ez az elem a 23. számú rangsorban van; elég magas, ha az egész Kozmoszt figyelembe vesszük.

Ipari hulladék és hulladék

Nemrég azt mondták, hogy a skandium szennyeződésként is megtalálható. Például megtalálható a TiO ₂ pigmentekben; az uránfeldolgozás során keletkező hulladékokban, valamint radioaktív ásványaikban; és a bauxitmaradványokban a fém alumínium előállításánál.

Ugyancsak megtalálható a nikkel- és a kobalt-lateritben, ez utóbbi a jövőben ígéretes skandiumforrás.

Kohászati ​​redukció

A szkandium extrahálásával járó óriási nehézségek, amelyeknek a natív vagy fémes állapotban való elsajátítása ennyi időbe telt, annak oka, hogy Sc ₂ O ₃ nehéz redukálni; még inkább, mint TiO ₂, mivel a Sc ^{3+ mutatja} nagyobb affinitással kötődik, mint a Ti ⁴⁺ felé O ^2- (feltételezve 100% ionos karakter, megfelelő oxidok).

Azaz, ez könnyebb, hogy de-oxigén TiO ₂, mint Sc ₂ O ₃ egy jó redukálószer (jellemzően a szén vagy alkáli vagy alkáli földfémek). Ezért Sc ₂ O ₃ először átalakul olyan vegyület, amelynek csökkenés kevésbé problémás; így szkandium-fluorid, SCF ₃. Ezután az ScF ₃ redukálódik fémes kalciummal:

2ScF ₃ (s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaF ₂ (s)

A Sc ₂ O ₃ vagy a már említett ásványokból származik, vagy más elemek (például urán és vas) extrakciójának mellékterméke. Ez a szandium kereskedelmi formája, és alacsony éves termelése (15 tonna) tükrözi a feldolgozás magas költségeit, a sziklákból történő kitermelés mellett.

Elektrolízis

Egy másik módszer, hogy készítsen szkandium, hogy először kapjunk annak klorid-só, SCCL ₃, majd tegye ki elektrolízis. Így az egyik elektródban fémes skandium képződik (mint egy szivacs), a másikban pedig klórgáz.

reakciók

Amphotericism

A Scandium nem csupán az alumíniummal rendelkezik a könnyűfémek tulajdonságaival, hanem amfoter; azaz úgy viselkednek, mint savak és bázisok.

Például, sok más átmeneti fémhez hasonlóan, erős savakkal reagál, sók és hidrogéngáz előállításához:

2sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (g)

Ennek során bázisként viselkedik (HCl-vel reagál). De ugyanúgy reagál erős bázisokkal, például nátrium-hidroxiddal:

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

És most úgy viselkedik, mint egy sav (NaOH-vel reagál), hogy botrányos sót képezzen; hogy a nátrium, Na ₃ Sc (OH) ₆, a scandate anion, Sc (OH) ₆ ^3-.

Oxidáció

Levegővel való érintkezéskor a skandium oxidálódni kezd annak megfelelő oxidjává. Hőforrás használata esetén a reakciót felgyorsítják és autokatalizálják. Ezt a reakciót a következő kémiai egyenlet képviseli:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Halogenidjeik

Szkandium reagál az összes halogén alkotnak halogenidek általános kémiai képletű SCX ₃ (X = F, Cl, Br, stb).

Például a következő egyenlet szerint reagál jóddal:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Ugyanígy reagál klórral, brómmal és fluorral.

Hidroxid képződés

A fém skandium feloldódhat vízben, hogy előállítsa a megfelelő hidroxidot és hidrogéngázt:

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

Savas hidrolízis

A vizes ³⁺ komplexeket hidrolizálhatjuk oly módon, hogy Sc- (OH) -Sc hidakat képezzenek, amíg három skandiumatomot tartalmazó klaszter kialakul.

kockázatok

Biológiai szerepén kívül a szkandium pontos fiziológiás és toxikológiai hatásai nem ismertek.

Elemi formájában úgy gondolják, hogy nem mérgező, kivéve, ha finoman eloszlatott szilárd anyagot belélegzik, ezáltal a tüdő károsodását okozza. Hasonlóképpen, vegyületeihez nullás toxicitás tartozik, tehát sóik elnyelése elméletben nem jelent kockázatot; mindaddig, amíg az adag nem magas (patkányokon tesztelték).

E szempontokkal kapcsolatos adatok azonban nagyon korlátozottak. Ezért nem lehet azt feltételezni, hogy a szkandiumvegyületek valóban nem toxikusak; még kevésbé, ha a fém felhalmozódhat a talajban és a vízben, majd a növényekbe és kisebb mértékben az állatokba juthat.

Jelenleg a skandium még nem jelent tapintható kockázatot a nehezebb fémekhez képest; például kadmium, higany és ólom.

Alkalmazások

ötvözetek

Noha a szkandium ára magas, mint más fémekhez, például magához a titánhoz vagy ittriumhoz, alkalmazásai végül megéri az erőfeszítéseket és a beruházásokat. Az egyik az alumíniumötvözetek adalékanyagaként való felhasználása.

Ilyen módon az Sc-Al ötvözetek (és más fémek) megtartják könnyedségüket, de magas hőmérsékleten még inkább ellenállnak a korróziónak (nem repednek), és ugyanolyan erősek, mint a titán.

Annyira nagy a hatása, hogy a szkandium ezekre az ötvözetekre vonatkozik, ahhoz elegendő, ha nyomokban (kevesebb, mint 0,5 tömegszázalékban) adjuk hozzá, hogy tulajdonságai drasztikusan javuljanak anélkül, hogy észrevehetnék súlyának jelentős növekedését. Azt mondják, hogy ha egy nap tömegesen használják, akkor 15-20% -kal csökkentheti a repülőgépek súlyát.

Hasonlóképpen, a skandiumötvözeteket használtak revolverkeretekhez vagy sportcikkek gyártásához, például baseball ütők, speciális kerékpárok, horgászbotok, golfklubok stb.; bár a titánötvözetek általában helyettesítik őket, mert olcsóbbak.

Ezen ötvözetek közül a legismertebb az Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀, amely olyan erős, mint a titán, olyan könnyű, mint az alumínium, és kemény, mint a kerámia.

3D nyomtatás

Az Sc-Al ötvözeteket fém 3D nyomatok készítésére használják annak érdekében, hogy rétegeiket elhelyezzék vagy felvegyék egy előre kiválasztott szilárd anyagra.

Stadion megvilágítás

A stadionok világítótornyai utánozzák a napfényt, a szkandium-jodid és a higanygőz hatásának köszönhetően. Forrás: Pexels.

Scandium jodidot (ScI ₃) adnak hozzá (a nátrium-jodiddal együtt) a higanygőzlámpákhoz, hogy mesterséges világítást hozzanak létre, amely utánozza a napot. Ez az oka annak, hogy a stadionokon vagy egyes sportpályákon, akár éjszaka is, a belsõ világítás olyan nagy, hogy érzékelést biztosítson egy széles napsütésben játszott játék számára.

Hasonló hatásokat alkalmaztak az elektromos készülékekre, például a digitális kamerákra, a televíziós képernyőkre vagy a számítógép-monitorokra. Hasonlóképpen, az ilyen _3- Hg ScI lámpákkal felszerelt fényszórókat a film- és televíziós stúdiókban helyezték el.

Szilárd oxid üzemanyagcellák

A SOFC angol betűszóként (szilárd oxid üzemanyagcella) elektrolitikus közegként oxidot vagy kerámiát használjon; ebben az esetben egy szilárd anyag, amely skandiumionokat tartalmaz. Ezekben az eszközökben való felhasználása nagy elektromos vezetőképességének és a hőmérséklet-növekedés stabilizálására való képességének köszönhető; így túlmelegedés nélkül működnek.

Egy példa egy ilyen szilárd oxid szkandium stabilizált zirconite (Sc ₂ O ₃, ismét).

Kerámia

A szandén-karbid és a titán rendkívüli keménységű kerámiát alkot, csak a gyémántokéhoz képest. Használata azonban csak nagyon fejlett alkalmazásokkal rendelkező anyagokra korlátozódik.

Szerves koordinációs kristályok

Az Sc ³⁺ ionok több szerves ligandummal tudnak koordinálni, különösen ha ezek oxigénezett molekulák.

Ennek oka az, hogy a képződött Sc-O kötések nagyon stabilak, és ezért csodálatos szerkezetű kristályokat képeznek, amelyek pórusaiban kémiai reakciók kivitelezhetők, heterogén katalizátorként viselkedve; vagy semleges molekulák tárolására, szilárd tárolóként viselkedve.

Hasonlóképpen, az ilyen szerves skandium koordinációs kristályok felhasználhatók szenzoros anyagok, molekuláris sziták vagy ionvezetők tervezésére.

Irodalom

1. Irina Shtangeeva. (2004). Scandium. Szentpétervári Állami Egyetem Szentpétervár. Helyreállítva: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). A Scandium elem tényei. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
5. Skála. (2018). Scandium. Helyreállítva a következőről: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). A Scandium áttekintése. Helyreállítva: gondolat.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA és Makhmudov, EA (2012). A szkandium biológiai szerepének kérdése. Helyreállítva: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra és WBHolzapfel. (1982). Nagynyomású fázistranszformációk ittriumban és szkandiumban: Kapcsolat a ritkaföldfémekkel és aktinidok kristályszerkezeteivel. A Magnetism and Magnetic Materials Journal 29. kötet, 1–3. Kiadás, 282–286. Oldal, doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova et al. (2018). Scandium-organikus keretek: haladás és kilátások. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Befektetési hírek hálózata. (2014. november 11.). Scandium alkalmazások: áttekintés. A Dig Media Inc. helyreállítva: investingnews.com