SKAND: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, REAKCJE, ZAGROŻENIA I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Skand oznacza metal przejściowy, którego chemiczny symbol Sc oznacza przede metali przejściowych w układzie okresowym, ale również jedną z najmniejszych powszechnych pierwiastków ziem rzadkich .; Chociaż jego właściwości mogą przypominać właściwości lantanowców, nie wszyscy autorzy zgadzają się na taką klasyfikację.

Na popularnym poziomie jest to pierwiastek chemiczny, który pozostaje niezauważony. Jego nazwa, wywodząca się z minerałów ziem rzadkich ze Skandynawii, może być obecna obok miedzi, żelaza czy złota. Jednak nadal robi wrażenie, a właściwości fizyczne jego stopów mogą konkurować z właściwościami tytanu.

Ultraczysta próbka skandu pierwiastkowego. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Coraz więcej jest też kroków w świecie technologii, zwłaszcza w zakresie oświetlenia i laserów. Każdy, kto widział latarnię morską emitującą światło podobne do światła słonecznego, pośrednio był świadkiem istnienia skandu. W przeciwnym razie jest to obiecujący element do produkcji samolotów.

Głównym problemem rynku skandu jest to, że jest on bardzo rozproszony i nie ma jego minerałów ani bogatych źródeł; więc jego wydobycie jest drogie, nawet jeśli nie jest to metal o niewielkiej zawartości w skorupie ziemskiej. W naturze występuje jako tlenek, ciało stałe, którego nie można łatwo zredukować.

W dużej części swoich związków nieorganicznych lub organicznych uczestniczy w wiązaniu o stopniu utlenienia +3; to znaczy przy założeniu obecności kationu Sc ³⁺ . Skand jest stosunkowo mocnym kwasem i może tworzyć bardzo stabilne wiązania koordynacyjne z atomami tlenu w cząsteczkach organicznych.

Historia

Skand został uznany za pierwiastek chemiczny w 1879 roku przez szwajcarskiego chemika Larsa F. Nilsona. Pracował z minerałami euksenitem i gadolinitem z zamiarem uzyskania zawartego w nich itru. Odkrył, że w ich śladach był nieznany pierwiastek dzięki badaniu analizy spektroskopowej (atomowe widmo emisji).

Z minerałów jemu i jego zespołowi udało się uzyskać odpowiedni tlenek skandu, nazwę otrzymaną za z pewnością zebranie próbek ze Skandynawii; minerały, które do tej pory nazywane były ziemiami rzadkimi.

Jednak osiem lat wcześniej, w 1871 r., Dmitri Mendelejew przewidział istnienie skandium; ale pod nazwą ekaboro, co oznaczało, że jego właściwości chemiczne były podobne do właściwości boru.

I faktycznie to szwajcarski chemik Per Teodor Cleve przypisał ekaboro skand, będąc tym samym pierwiastkiem chemicznym. W szczególności ten, który rozpoczyna blok metali przejściowych w układzie okresowym.

Minęło wiele lat, gdy w 1937 roku Werner Fischer i jego współpracownicy zdołali wyodrębnić metaliczny skand (ale nieczysty), za pomocą elektrolizy mieszaniny chlorków potasu, litu i skandu. Dopiero w 1960 r. Można było ostatecznie uzyskać go o czystości około 99%.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Elementarny skand (natywny i czysty) może krystalizować do dwóch struktur (alotropów): zwartej heksagonalnej (hcp) i sześciennej centralnej (bcc). Pierwsza jest zwykle nazywana fazą α, a druga fazą β.

Gęstsza, heksagonalna faza α jest stabilna w temperaturach otoczenia; podczas gdy mniej gęsta sześcienna faza β jest stabilna powyżej 1337 ° C. Tak więc w tej ostatniej temperaturze zachodzi przejście między obiema fazami lub alotropami (w przypadku metali).

Należy zauważyć, że chociaż skand normalnie krystalizuje w substancję stałą hcp, nie czyni go to bardzo gęstym metalem; przynajmniej tak, bardziej niż aluminium. Z jego konfiguracji elektronicznej można dowiedzieć się, które elektrony normalnie uczestniczą w jego metalicznym wiązaniu:

3d ¹ 4 s ²

Dlatego trzy elektrony orbitali 3d i 4s interweniują w sposób, w jaki atomy Sc znajdują się w krysztale.

Aby uformować się w sześciokątny kryształ, przyciąganie jego jąder musi być takie, aby te trzy elektrony, słabo osłonięte przez elektrony wewnętrznych powłok, nie oddalały się zbytnio od atomów Sc, a tym samym odległości między nimi zwężały się.

Faza wysokiego ciśnienia

Fazy ​​α i β są związane ze zmianami temperatury; jednak istnieje faza tetragonalna, podobna do tej z metalicznego niobu, Nb, która powstaje, gdy metaliczny skand jest poddawany ciśnieniu wyższemu niż 20 GPa.

Liczby utleniania

Skand może stracić maksymalnie trzy elektrony walencyjne (3d ¹ 4s ² ). Teoretycznie pierwszymi, którzy „odchodzą” są te na orbicie 4s.

Zatem zakładając istnienie kationu Sc ⁺ w związku, jego stopień utlenienia wynosi +1; co jest tym samym, co powiedzenie, że stracił elektron z orbity 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Jeśli jest to Sc ²⁺ , jego stopień utlenienia wyniesie +2 i straci dwa elektrony (3d ¹ 4s ⁰ ); a jeśli jest to Sc ³⁺ , najbardziej stabilny z tych kationów, będzie miał stopień utlenienia +3 i jest izoelektroniczny na argon.

Krótko mówiąc, ich stopnie utlenienia to: +1, +2 i +3. Na przykład w Sc ₂ O ₃ stopień utlenienia skandu wynosi +3, ponieważ zakłada się istnienie Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ).

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Jest to srebrzystobiały metal w swojej czystej i elementarnej formie, o miękkiej i gładkiej teksturze. Nabiera żółtawo-różowych odcieni, gdy zaczyna być pokryty warstwą tlenku (Sc ₂ O ₃ ).

Masa cząsteczkowa

44,955 g / mol.

Temperatura topnienia

1541 ° C

Temperatura wrzenia

2836 ° C

Molowa pojemność cieplna

25,52 J / (mol · K).

Ciepło topnienia

14,1 kJ / mol.

Ciepło parowania

332,7 kJ / mol.

Przewodność cieplna

66 µΩ · cm przy 20 ° C.

Gęstość

2,985 g / ml ciała stałego i 2,80 g / ml cieczy. Zwróć uwagę, że jego gęstość w stanie stałym jest zbliżona do gęstości aluminium (2,70 g / ml), co oznacza, że ​​oba metale są bardzo lekkie; ale skand topi się w wyższej temperaturze (temperatura topnienia aluminium wynosi 660,3 ° C).

Elektroujemność

1,36 w skali Paulinga.

Energie jonizacji

Po pierwsze: 633,1 kJ / mol (Sc ^{+ w stanie} gazowym).

Po drugie: 1235,0 kJ / mol ( gazowy Sc ²⁺ ).

Po trzecie: 2388,6 kJ / mol ( gaz Sc ³⁺ ).

Radio atomowe

162 po południu.

Porządek magnetyczny

Paramagnetyczny.

Izotopy

Spośród wszystkich izotopów skandu ⁴⁵ Sc zajmuje prawie 100% całkowitej obfitości (znajduje to odzwierciedlenie w jego masie atomowej bardzo bliskiej 45 u).

Pozostałe składają się z radioizotopów o różnych okresach półtrwania; takie jak ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 dni), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 dni), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 godziny) i ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 4 godziny) = 43,7 godziny). Inne radioizotopy mają t _1/2 mniej niż 4 godziny.

Kwasowość

Kation Sc ³⁺ jest stosunkowo mocnym kwasem. Na przykład w wodzie może tworzyć wodny kompleks ³⁺ , który z kolei może zmienić pH na wartość poniżej 7, ponieważ jako produkt swojej hydrolizy wytwarza jony H ₃ O ⁺ :

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

Kwasowość skandu można również interpretować zgodnie z definicją Lewisa: ma on dużą tendencję do przyjmowania elektronów, a tym samym do tworzenia kompleksów koordynacyjnych.

Numer koordynacyjny

Ważną właściwością skandu jest to, że jego liczba koordynacyjna w większości związków nieorganicznych, struktur lub kryształów organicznych wynosi 6; oznacza to, że Sc jest otoczony sześcioma sąsiadami (lub tworzy sześć wiązań). Powyżej, złożony wodny ³⁺ jest najprostszym przykładem ze wszystkich.

W kryształach centra Sc są oktaedryczne; albo oddziałują z innymi jonami (w jonowych ciałach stałych) lub z kowalencyjnie związanymi atomami obojętnymi (w kowalencyjnych ciałach stałych).

Przykładem tego ostatniego mamy al, które tworzy strukturę łańcuchową z grupami AcO (acetyloksy lub acetoksy) działającymi jako mostki między atomami Sc.

Nomenklatura

Ponieważ prawie domyślnie stopień utlenienia skandu w większości jego związków wynosi +3, jest on uważany za unikalny, a zatem nazewnictwo jest znacznie uproszczone; bardzo podobny, jak to ma miejsce w przypadku metali alkalicznych lub samego aluminium.

Na przykład rozważmy jego tlenek, Sc ₂ O ₃ . Ten sam wzór chemiczny wskazuje z góry stopień utlenienia +3 dla skandu. Tak więc, aby nazwać ten związek skandem, i podobnie jak inne, stosuje się nazewnictwo systematyczne, standardowe i tradycyjne.

Sc ₂ O ₃ oznacza zatem tlenek skandu, zgodnie z nomenklaturą podstawową, z pominięciem (III) (chociaż nie jest to jedyny możliwy stopień utlenienia); tlenek skandu, z przyrostkiem –ico na końcu nazwy zgodnie z tradycyjną nomenklaturą; i trójtlenek diescandium, przestrzegając zasad greckich przedrostków liczbowych systematycznej nomenklatury.

Rola biologiczna

Na razie skand nie ma określonej roli biologicznej. Oznacza to, że nie wiadomo, w jaki sposób organizm może gromadzić lub asymilować jony Sc ³⁺ ; jakie konkretne enzymy mogą go używać jako kofaktora, jeśli wywiera on wpływ na komórki, choć podobny do jonów Ca ²⁺ lub Fe ³⁺ .

Wiadomo jednak, że jony Sc ³⁺ wywierają działanie przeciwbakteryjne, prawdopodobnie poprzez zakłócanie metabolizmu jonów Fe ³⁺ .

Niektóre badania statystyczne w medycynie prawdopodobnie łączą to z zaburzeniami żołądkowymi, otyłością, cukrzycą, mózgowym zapaleniem opon mózgowo-rdzeniowych i innymi chorobami; ale bez dostatecznie pouczających wyników.

Podobnie rośliny zwykle nie gromadzą znacznych ilości skandu w liściach lub łodygach, ale w korzeniach i guzkach. Z tego powodu można argumentować, że jego stężenie w biomasie jest słabe, co wskazuje na niewielki udział w jej funkcjach fizjologicznych, a co za tym idzie, gromadzi się bardziej w glebie.

Gdzie znaleźć i produkcja

Minerały i gwiazdy

Skand może nie być tak bogaty jak inne pierwiastki chemiczne, ale jego obecność w skorupie ziemskiej przewyższa rtęć i niektóre metale szlachetne. W rzeczywistości jego obfitość jest zbliżona do kobaltu i berylu; Z każdej tony skał można wydobyć 22 gramy skandu.

Problem w tym, że ich atomy nie są zlokalizowane, lecz rozproszone; to znaczy, nie ma minerałów, które w swoim składzie masowym byłyby dokładnie bogate w skand. Dlatego, mówi się, że nie ma preferencji dla typowych anionów tworzących mineralnych (takich jak węglan, CO ₃ ^2- lub siarczek, S ² ).

Nie jest w stanie czystym. Nie jest też najbardziej stabilnym tlenkiem Sc ₂ O ₃ , który łączy się z innymi metalami lub krzemianami, tworząc minerały; takie jak thortveitite, euxenite i gadolinite.

Te trzy minerały (same w sobie rzadkie) stanowią główne naturalne źródła skandalu i występują w regionach Norwegii, Islandii, Skandynawii i Madagaskaru.

W przeciwnym razie jony Sc ³⁺ mogą zostać włączone jako zanieczyszczenia do niektórych kamieni szlachetnych, takich jak akwamaryn lub w kopalniach uranu. A na niebie, w gwiazdach, ten pierwiastek zajmuje 23. miejsce pod względem obfitości; dość wysokie, jeśli wziąć pod uwagę cały Kosmos.

Odpady i odpady przemysłowe

Przed chwilą powiedziano, że jako zanieczyszczenie można również znaleźć skand. Na przykład występuje w pigmentach TiO ₂ ; w odpadach z przetwarzania uranu, a także w jego radioaktywnych minerałach; oraz w pozostałościach boksytów przy produkcji metalicznego aluminium.

Występuje również w laterytach niklu i kobaltu, przy czym ten ostatni jest obiecującym źródłem skandu w przyszłości.

Redukcja metalurgiczna

Ogromne trudności związane z wydobyciem skandu, którego uzyskanie w stanie naturalnym lub metalicznym trwało tak długo, wynikały z faktu, że Sc ₂ O ₃ jest trudny do zredukowania; nawet bardziej niż TiO ₂ , ponieważ Sc ^{3+ wykazuje} większe powinowactwo niż Ti ⁴⁺ do O ^2- (przy założeniu 100% jonowego charakteru ich odpowiednich tlenków).

Oznacza to, że łatwiej jest odtlenić TiO ₂ niż Sc ₂ O ₃ za pomocą dobrego środka redukującego (zwykle węgla lub metali alkalicznych lub metali ziem alkalicznych). Dlatego Sc ₂ O ₃ najpierw przekształca się w związek, którego redukcja jest mniej problematyczna; takie jak fluorek skandu, ScF ₃ . Następnie ScF ₃ jest redukowany metalicznym wapniem:

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

Sc ₂ O ₃ pochodzi albo z wyżej wymienionych minerałów, albo jest produktem ubocznym ekstrakcji innych pierwiastków (takich jak uran i żelazo). Jest to handlowa forma skandu, a jej niska roczna produkcja (15 ton) świadczy o wysokich kosztach przerobu, poza wydobyciem ze skał.

Elektroliza

Inną metodą produkcji skandu jest najpierw otrzymanie jego soli chlorkowej, ScCl ₃ , a następnie poddanie go elektrolizie. W ten sposób metaliczny skand jest wytwarzany w jednej elektrodzie (podobnie jak gąbka), a gazowy chlor w drugiej.

Reakcje

Amfoterycyzm

Skand nie tylko ma cechy metali lekkich, ale jest również amfoteryczny; to znaczy zachowują się jak kwasy i zasady.

Na przykład reaguje, podobnie jak wiele innych metali przejściowych, z mocnymi kwasami, tworząc sole i wodór:

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

Zachowuje się przy tym jak zasada (reaguje z HCl). Ale w ten sam sposób reaguje z mocnymi zasadami, takimi jak wodorotlenek sodu:

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

A teraz zachowuje się jak kwas (reaguje z NaOH), tworząc sól skandatu; że sodu, Na ₃ Sc (OH) ₆ , z anionem skandianowym, Sc (OH) ₆ ^3- .

Utlenianie

Po wystawieniu na działanie powietrza skand zaczyna utleniać się do odpowiedniego tlenku. Reakcja jest przyspieszana i poddawana autokatalizacji, jeśli używane jest źródło ciepła. Ta reakcja jest reprezentowana przez następujące równanie chemiczne:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Halogenki

Skand reaguje ze wszystkimi halogenami, tworząc halogenki o ogólnym wzorze chemicznym ScX ₃ (X = F, Cl, Br itd.).

Na przykład reaguje z jodem według następującego równania:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

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

Tworzenie wodorotlenków

Metaliczny skand może rozpuszczać się w wodzie, aby wytworzyć odpowiedni wodorotlenek i wodór:

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

Kwaśna hydroliza

Wodne kompleksy ³⁺ można hydrolizować w taki sposób, że ostatecznie tworzą mostki Sc- (OH) -Sc, aż do zdefiniowania klastra z trzema atomami skandu.

Ryzyka

Oprócz roli biologicznej, nie są znane dokładne fizjologiczne i toksykologiczne skutki skandu.

Uważa się, że w swojej elementarnej postaci jest nietoksyczny, chyba że jego drobno rozdrobniona substancja stała jest wdychana, powodując w ten sposób uszkodzenie płuc. Podobnie, jego związkom przypisuje się zerową toksyczność, więc spożycie ich soli w teorii nie powinno stanowić żadnego ryzyka; pod warunkiem, że dawka nie jest wysoka (badano na szczurach).

Jednak dane dotyczące tych aspektów są bardzo ograniczone. Dlatego nie można założyć, że którykolwiek ze związków skandu jest naprawdę nietoksyczny; tym bardziej, jeśli metal może gromadzić się w glebach i wodach, a następnie przenosić się na rośliny, aw mniejszym stopniu na zwierzęta.

W tej chwili skand nadal nie stanowi wyczuwalnego zagrożenia w porównaniu z cięższymi metalami; takie jak kadm, rtęć i ołów.

Aplikacje

Stopy

Chociaż cena skandu jest wysoka w porównaniu z innymi metalami, takimi jak sam tytan czy itr, jego zastosowania są warte wysiłku i inwestycji. Jednym z nich jest zastosowanie go jako dodatku do stopów aluminium.

W ten sposób stopy Sc-Al (i inne metale) zachowują swoją lekkość, ale w wysokich temperaturach stają się jeszcze bardziej odporne na korozję (nie pękają) i są tak wytrzymałe jak tytan.

Wpływ skandu na te stopy jest tak duży, że wystarczy dodać go w śladowych ilościach (mniej niż 0,5% masowego), aby drastycznie poprawiły się jego właściwości bez zauważalnego wzrostu masy. Mówi się, że masowe użycie jednego dnia mogłoby zmniejszyć wagę samolotów o 15-20%.

Podobnie, stopy skandu były używane do oprawiania rewolwerów lub do produkcji artykułów sportowych, takich jak kije baseballowe, rowery specjalne, wędki, kije golfowe itp .; chociaż stopy tytanu mają tendencję do ich zastępowania, ponieważ są tańsze.

Najbardziej znanym z tych stopów jest Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , który jest tak wytrzymały jak tytan, lekki jak aluminium i twardy jak ceramika.

drukowanie 3d

Stopy Sc-Al zostały wykorzystane do wykonywania metalicznych wydruków 3D, w celu umieszczenia lub dodania ich warstw na wcześniej wybranej bryle.

Iluminacje stadionów

Latarnie na stadionach naśladują światło słoneczne dzięki działaniu jodku skandu wraz z oparami rtęci. Źródło: Pexels.

Jodek skandu, ScI ₃ , jest dodawany (wraz z jodkiem sodu) do lamp rtęciowych w celu wytworzenia sztucznego światła naśladującego słońce. Dlatego na stadionach czy niektórych boiskach nawet w nocy oświetlenie w ich wnętrzu jest takie, że daje wrażenie oglądania meczu w biały dzień.

Podobne efekty zastosowano w przypadku urządzeń elektrycznych, takich jak aparaty cyfrowe, ekrany telewizyjne lub monitory komputerowe. Podobnie reflektory z takimi lampami ₃ Hg ScI znalazły się w studiach filmowych i telewizyjnych.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem

SOFC, ze względu na swój akronim w języku angielskim (ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem), używa tlenku lub ceramiki jako medium elektrolitycznego; w tym przypadku ciało stałe zawierające jony skandu. Jego zastosowanie w tych urządzeniach wynika z jego dużej przewodności elektrycznej i zdolności do stabilizacji wzrostu temperatury; więc działają bez przegrzania.

Przykładem takiego stałego tlenku jest cyrkonit stabilizowany skandem (ponownie jako Sc ₂ O ₃ ).

Ceramika

Węglik skandu i tytan tworzą ceramikę o wyjątkowej, ustępującej tylko diamentowi, twardości. Jednak jego użycie jest ograniczone do materiałów o bardzo zaawansowanych zastosowaniach.

Organiczne kryształy koordynacyjne

Jony Sc ³⁺ mogą koordynować się z wieloma organicznymi ligandami, zwłaszcza jeśli są cząsteczkami utlenionymi.

Dzieje się tak, ponieważ utworzone wiązania Sc-O są bardzo stabilne, a zatem kończą się budową kryształów o niesamowitych strukturach, w których porach można wyzwolić reakcje chemiczne, zachowując się jak heterogeniczne katalizatory; lub do przechowywania neutralnych cząsteczek, zachowując się jak stały magazyn.

Podobnie, takie organiczne kryształy koordynacyjne skandu można stosować do projektowania materiałów sensorycznych, sit molekularnych lub przewodników jonów.

Bibliografia

1. Irina Shtangeeva. (2004). Skand. Uniwersytet Państwowy w Sankt Petersburgu w Sankt Petersburgu. Odzyskany z: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Skand. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (2019). Skand. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
4. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastków skandu. Chemicool. Źródło: chemicool.com
5. Skala. (2018). Skand. Odzyskany z: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 lipca 2019). Przegląd skandu. Odzyskany z: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA i Makhmudov, EA (2012). W kwestii biologicznej roli skandu. Odzyskane z: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Wysokociśnieniowe przemiany fazowe w itrze i skandzie: Związek ze strukturami kryształów ziem rzadkich i aktynowców. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Tom 29, wydania 1–3, strony 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova i in. (2018). Struktury organiczne skandu: postęp i perspektywy. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Investing News Network. (11 listopada 2014). Aplikacje Scandium: przegląd. Dig Media Inc. Pobrane z: investingnews.com