De scandium het is een overgangsmetaal waarvan het chemische symbool Sc is. Het is het eerste overgangsmetaal in het periodiek systeem, maar het is ook een van de minder algemene elementen van de zeldzame aarden; hoewel de eigenschappen kunnen lijken op die van lanthaniden, keuren niet alle auteurs het op een dergelijke manier goed.
Op het populaire niveau is het een chemisch element dat onopgemerkt blijft. De naam, geboren uit de zeldzame aardmetalen uit Scandinavië, kan naast koper, ijzer of goud voorkomen. Het is echter nog steeds indrukwekkend en de fysische eigenschappen van zijn legeringen kunnen concurreren met die van titanium..
Evenzo worden er steeds meer stappen gezet in de wereld van de techniek, vooral op het gebied van verlichting en lasers. Wie een vuurtoren heeft waargenomen die een licht uitstraalt dat lijkt op dat van de zon, zal indirect getuige zijn geweest van het bestaan van scandium. Anders is het een veelbelovend item voor de vliegtuigbouw.
Het grootste probleem waarmee de scandiummarkt wordt geconfronteerd, is dat deze wijdverbreid is en dat er geen mineralen of rijke bronnen van zijn; dus de extractie ervan is duur, zelfs als het geen metaal is dat weinig voorkomt in de aardkorst. In de natuur wordt het aangetroffen als zijn oxide, een vaste stof die niet gemakkelijk kan worden gereduceerd.
In de meeste van zijn verbindingen, anorganisch of organisch, neemt het deel aan de binding met een oxidatiegetal van +3; dat wil zeggen, uitgaande van de aanwezigheid van het Sc kation3+. Scandium is een relatief sterk zuur en kan zeer stabiele coördinatiebindingen vormen met de zuurstofatomen van organische moleculen..
Artikel index
Scandium werd in 1879 erkend als chemisch element door de Zwitserse chemicus Lars F. Nilson. Hij werkte met de mineralen euxeniet en gadoliniet met de bedoeling het daarin aanwezige yttrium te verkrijgen. Hij ontdekte dat er een onbekend element in zijn sporen zat dankzij de studie van spectroscopische analyse (atomair emissiespectrum).
Van de mineralen slaagden hij en zijn team erin het respectieve scandiumoxide te verkrijgen, een naam die werd ontvangen omdat ze zeker de monsters uit Scandinavië hadden verzameld; mineralen die tegen die tijd zeldzame aarden werden genoemd.
Acht jaar eerder, in 1871, had Dmitri Mendelejev echter het bestaan van scandium voorspeld; maar met de naam ekaboro, wat betekende dat de chemische eigenschappen vergelijkbaar waren met die van boor.
En het was in feite de Zwitserse chemicus Per Teodor Cleve die scandium aan ekaboro toeschreef, en dus hetzelfde chemische element was. Specifiek degene die het blok overgangsmetalen in het periodiek systeem begint.
Vele jaren gingen voorbij toen Werner Fischer en zijn medewerkers er in 1937 in slaagden om metallisch scandium (maar onzuiver) te isoleren door middel van de elektrolyse van een mengsel van kalium-, lithium- en scandiumchloriden. Pas in 1960 was het eindelijk mogelijk om het te verkrijgen met een zuiverheid van ongeveer 99%..
Elementair scandium (natief en zuiver) kan kristalliseren in twee structuren (allotropen): compact hexagonaal (hcp) en de lichaamsgerichte kubiek (bcc). De eerste wordt meestal de α-fase genoemd en de tweede de β-fase..
De dichtere, hexagonale a-fase is stabiel bij omgevingstemperaturen; terwijl de minder dichte kubische β-fase stabiel is boven 1337 ºC. Dus bij deze laatste temperatuur treedt een overgang op tussen beide fasen of allotropen (in het geval van metalen).
Merk op dat hoewel scandium normaal kristalliseert tot een hcp-vaste stof, dit niet betekent dat het een zeer dicht metaal is; tenminste, ja meer dan aluminium. Uit zijn elektronische configuratie kan bekend worden welke elektronen normaal gesproken deelnemen aan zijn metalen binding:
[Ar] 3d1 4stwee
Daarom grijpen de drie elektronen van de 3d- en 4s-orbitalen in op de manier waarop de Sc-atomen zich in het kristal bevinden..
Om samen te persen tot een hexagonaal kristal, moet de aantrekkingskracht van de kernen zodanig zijn dat deze drie elektronen, zwak afgeschermd door de elektronen van de binnenschillen, niet te ver afdwalen van de Sc-atomen en bijgevolg de afstanden daartussen worden verkleind..
De α- en β-fasen zijn geassocieerd met temperatuurveranderingen; Er is echter een tetragonale fase, vergelijkbaar met die van het metaal niobium, Nb, die ontstaat wanneer het metallische scandium een druk ondergaat van meer dan 20 GPa.
Scandium kan maximaal zijn drie valentie-elektronen verliezen (3d14stweeIn theorie zijn de eersten die "gaan" die in de 4s-orbitaal..
In de veronderstelling dat het kation Sc bestaat+ in de verbinding is het oxidatiegetal +1; wat hetzelfde is als zeggen dat hij een elektron verloor uit de 4s-orbitaal (3d14s1.
Als het de Sctwee+, je oxidatiegetal is +2 en je hebt twee elektronen verloren (3d14s0en als het de Sc is3+, de meest stabiele van deze kationen hebben een oxidatiegetal van +3 en is iso-elektronisch voor argon.
Kort gezegd zijn hun oxidatiegetallen: +1, +2 en +3. Bijvoorbeeld in de SctweeOF3 het oxidatiegetal van scandium is +3 omdat het bestaan van Sc wordt verondersteld3+ (Sctwee3+OF3twee-.
Het is een zilverwit metaal in zijn pure en elementaire vorm, met een zachte en gladde textuur. Het krijgt geelachtig-roze tinten wanneer het bedekt begint te worden met een laag oxide (SctweeOF3.
44,955 g / mol.
1541 ºC.
2836 ºC.
25,52 J / (mol K).
14,1 kJ / mol.
332,7 kJ / mol.
66 μΩ cm bij 20 ºC.
2,985 g / ml, vast, en 2,80 g / ml, vloeistof. Merk op dat de dichtheid in vaste toestand dicht bij die van aluminium ligt (2,70 g / ml), wat betekent dat beide metalen erg licht zijn; maar scandium smelt bij een hogere temperatuur (het smeltpunt van aluminium is 660,3 ºC).
1,36 op de schaal van Pauling.
Ten eerste: 633,1 kJ / mol (Sc+ gasvormig).
Ten tweede: 1235,0 kJ / mol (Sctwee+ gasvormig).
Ten derde: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gasvormig).
162 uur.
Paramagnetisch.
Van alle isotopen van scandium, Vier vijfSc beslaat bijna 100% van de totale overvloed (dit wordt weerspiegeld in het atoomgewicht dat zeer dicht bij 45 u ligt).
De andere bestaan uit radio-isotopen met verschillende halfwaardetijden; Zoals de 46Sc (t1/2 = 83,8 dagen), 47Sc (t1/2 = 3,35 dagen), 44Sc (t1/2 = 4 uur), en 48Sc (t1/2 = 43,7 uur). Andere radio-isotopen hebben t1/2 minder dan 4 uur.
Het kation Sc3+ het is een relatief sterk zuur. In water kan het bijvoorbeeld het waterige complex [Sc (HtweeOF)63+, die op zijn beurt de pH naar een waarde onder de 7 kan brengen, omdat het H-ionen genereert3OF+ als een product van zijn hydrolyse:
[Sc (HtweeOF)63+(ac) + HtweeO (l) <=> [Sc (HtweeOF)5OH]twee+(ac) + H3OF+(ac)
De zuurgraad van scandium kan ook worden geïnterpreteerd volgens de Lewis-definitie: het heeft een sterke neiging om elektronen te accepteren en daarom coördinatiecomplexen te vormen..
Een belangrijke eigenschap van scandium is dat het coördinatiegetal, zowel in de meeste van zijn anorganische verbindingen, structuren als organische kristallen, 6 is; dat wil zeggen, de Sc is omgeven door zes buren (of vormt zes banden). Hierboven het complexe waterige [Sc (HtweeOF)63+ is het eenvoudigste voorbeeld van allemaal.
In kristallen zijn de centra van Sc octaëdrisch; ofwel interactie met andere ionen (in ionische vaste stoffen), of met neutrale atomen covalent gebonden (in covalente vaste stoffen).
Voorbeeld van de laatste hebben we [Sc (OAc)3], dat een kettingstructuur vormt waarbij de AcO-groepen (acetyloxy of acetoxy) als bruggen tussen de Sc-atomen fungeren.
Omdat bijna standaard het oxidatiegetal van scandium in de meeste van zijn verbindingen +3 is, wordt het als uniek beschouwd en is de nomenclatuur daarom aanzienlijk vereenvoudigd; vergelijkbaar zoals het gebeurt met alkalimetalen of aluminium zelf.
Beschouw bijvoorbeeld uw roest, SctweeOF3. Dezelfde chemische formule geeft vooraf de oxidatietoestand van +3 voor scandium aan. Om deze verbinding dus scandium te noemen, en net als andere, worden de systematische, standaard en traditionele nomenclaturen gebruikt..
De SCtweeOF3 Het is dan scandiumoxide, volgens de voorraadnomenclatuur, waarbij (III) wordt weggelaten (hoewel het niet de enige mogelijke oxidatietoestand is); scandic oxide, met het achtervoegsel -ico aan het einde van de naam volgens de traditionele nomenclatuur; en diescandiumtrioxide, volgens de regels van de Griekse numerieke voorvoegsels van de systematische nomenclatuur.
Scandium mist momenteel een gedefinieerde biologische rol. Dat wil zeggen, het is niet bekend hoe het lichaam Sc-ionen kan accumuleren of assimileren3+welke specifieke enzymen het als cofactor kunnen gebruiken, als het een invloed uitoefent op cellen, zij het vergelijkbaar met Ca-ionentwee+ o Geloof3+.
Het is echter bekend dat Sc-ionen3+ antibacteriële effecten uitoefenen, mogelijk door het metabolisme van Fe-ionen te verstoren3+.
Sommige statistische studies binnen de geneeskunde brengen het mogelijk in verband met maagaandoeningen, obesitas, diabetes, cerebrale leptomeningitis en andere ziekten; maar zonder voldoende verhelderende resultaten.
Evenzo hopen planten gewoonlijk geen noemenswaardige hoeveelheden scandium op in hun bladeren of stengels, maar eerder in hun wortels en knobbeltjes. Daarom kan worden gesteld dat de concentratie ervan in biomassa slecht is, wat wijst op een geringe deelname aan de fysiologische functies ervan en dat het zich bijgevolg meer ophoopt in de bodem..
Scandium is misschien niet zo overvloedig als andere chemische elementen, maar zijn aanwezigheid in de aardkorst overtreft die van kwik en sommige edele metalen. In feite benadert de overvloed die van kobalt en beryllium; voor elke ton stenen kan 22 gram scandium worden gewonnen.
Het probleem is dat de atomen ervan niet zijn gelokaliseerd, maar verspreid; dat wil zeggen, er zijn geen mineralen die in hun massasamenstelling precies rijk zijn aan scandium. Daarom wordt gezegd dat het geen voorkeur heeft voor de typische mineraalvormende anionen (zoals carbonaat, CO3twee-, of zwavel, Stwee-.
Het is niet in zijn pure staat. Evenmin is zijn meest stabiele oxide, SctweeOF3, die combineert met andere metalen of silicaten om mineralen te definiëren; zoals thortveitiet, euxeniet en gadoliniet.
Deze drie mineralen (op zichzelf zeldzaam) vertegenwoordigen de belangrijkste natuurlijke bronnen van Scandinavië en worden aangetroffen in regio's van Noorwegen, IJsland, Scandinavië en Madagaskar..
Anders zijn de ionen Sc3+ ze kunnen als onzuiverheden worden verwerkt in sommige edelstenen, zoals aquamarijn, of in uraniummijnen. En aan de hemel, in de sterren, staat dit element in overvloed op nummer 23; best hoog als de hele kosmos in ogenschouw wordt genomen.
Er is net gezegd dat scandium ook als onzuiverheid kan worden aangetroffen. Het wordt bijvoorbeeld aangetroffen in TiO-pigmententweein het afval van uraniumverwerking, evenals de radioactieve mineralen ervan; en in bauxietresiduen bij de productie van metallisch aluminium.
Het wordt ook aangetroffen in laterieten van nikkel en kobalt, waarvan de laatste in de toekomst een veelbelovende bron van scandium is..
De enorme moeilijkheden rond de extractie van scandium, en die zo lang duurden om in de natieve of metallische staat te verkrijgen, waren te wijten aan het feit dat SctweeOF3 het is moeilijk te verminderen; zelfs meer dan TiOtwee, voor het tonen van de Sc3+ een affiniteit groter dan die van Ti4+ richting de Otwee- (uitgaande van 100% ionisch karakter in hun respectievelijke oxiden).
Dat wil zeggen, het is gemakkelijker om zuurstof uit TiO te verwijderentwee dan naar SctweeOF3 met een goed reductiemiddel (meestal koolstof of alkali- of aardalkalimetalen). Dat is de reden waarom de SctweeOF3 het wordt eerst omgezet in een verbinding waarvan de reductie minder problematisch is; zoals scandiumfluoride, ScF3. Vervolgens wordt de ScF3 wordt verminderd met metallisch calcium:
2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFtwee(s)
De SCtweeOF3 Ofwel is het afkomstig van de reeds genoemde mineralen, ofwel is het een bijproduct van de extractie van andere elementen (zoals uranium en ijzer). Het is de commerciële vorm van scandium en de lage jaarlijkse productie (15 ton) weerspiegelt de hoge verwerkingskosten en de winning uit gesteente..
Een andere methode om scandium te produceren is om eerst zijn chloridezout, ScCl, te verkrijgen3, en vervolgens aan elektrolyse onderwerpen. Zo wordt metallisch scandium geproduceerd in de ene elektrode (zoals een spons) en wordt chloorgas geproduceerd in de andere.
Scandium deelt niet alleen met aluminium de eigenschappen van lichte metalen, maar ze zijn ook amfoteer; dat wil zeggen, ze gedragen zich als zuren en basen.
Het reageert bijvoorbeeld, net als veel andere overgangsmetalen, met sterke zuren om zouten en waterstofgas te produceren:
2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Htwee(g)
Daarbij gedraagt het zich als een base (reageert met HCl). Maar het reageert op dezelfde manier met sterke basen, zoals natriumhydroxide:
2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6HtweeO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Htwee(g)
En nu gedraagt het zich als een zuur (reageert met NaOH), om een scandaatzout te vormen; die van natrium, Na3Sc (OH)6, met het schandaatanion, Sc (OH)63-.
Bij blootstelling aan lucht begint scandium te oxideren tot zijn respectievelijke oxide. De reactie wordt versneld en automatisch gekatalyseerd als een warmtebron wordt gebruikt. Deze reactie wordt weergegeven door de volgende chemische vergelijking:
4Sc (s) + 3Otwee(g) => 2SctweeOF3(s)
Scandium reageert met alle halogenen en vormt halogeniden met de algemene chemische formule ScX3 (X = F, Cl, Br, enz.).
Het reageert bijvoorbeeld met jodium volgens de volgende vergelijking:
2Sc (s) + 3Itwee(g) => 2ScI3(s)
Op dezelfde manier reageert het met chloor, broom en fluor.
Metallisch scandium kan oplossen in water om het respectievelijke hydroxide- en waterstofgas te veroorzaken:
2Sc (s) + 6HtweeO (l) => 2Sc (OH)3(s) + Htwee(g)
De waterige complexen [Sc (HtweeOF)63+ kunnen zodanig worden gehydrolyseerd dat ze uiteindelijk Sc- (OH) -Sc-bruggen vormen, totdat een cluster met drie scandiumatomen wordt gedefinieerd.
Wat zijn, naast de biologische rol, precies de fysiologische en toxicologische effecten van scandium is niet bekend.
In zijn elementaire vorm wordt aangenomen dat het niet giftig is, tenzij de fijn verdeelde vaste stof wordt ingeademd, waardoor schade aan de longen wordt veroorzaakt. Evenzo wordt aan de verbindingen geen toxiciteit toegeschreven, dus de opname van hun zouten zou in theorie geen enkel risico moeten vormen; zolang de dosis niet hoog is (getest bij ratten).
De gegevens over deze aspecten zijn echter zeer beperkt. Daarom kan niet worden aangenomen dat een van de scandiumverbindingen echt niet giftig is; nog minder als het metaal zich kan ophopen in de bodem en het water en vervolgens kan overgaan op planten, en in mindere mate op dieren.
Op dit moment vormt scandium nog steeds geen tastbaar risico in vergelijking met zwaardere metalen; zoals cadmium, kwik en lood.
Hoewel de prijs van scandium hoog is in vergelijking met andere metalen zoals titanium of yttrium zelf, zijn de toepassingen ervan de moeite en investeringen waard. Een daarvan is om het te gebruiken als additief voor aluminiumlegeringen..
Op deze manier behouden Sc-Al-legeringen (en andere metalen) hun lichtheid, maar worden ze zelfs nog beter bestand tegen corrosie, bij hoge temperaturen (ze barsten niet) en zijn ze zo sterk als titanium.
Het effect dat scandium op deze legeringen heeft, is zozeer dat het voldoende is om het in sporenhoeveelheden toe te voegen (minder dan 0,5 massaprocent) om zijn eigenschappen drastisch te verbeteren zonder een merkbare toename van het gewicht waar te nemen. Er wordt gezegd dat, als het op een dag massaal wordt gebruikt, het het gewicht van vliegtuigen met 15-20% kan verminderen.
Evenzo zijn scandiumlegeringen gebruikt voor de frames van revolvers of voor de vervaardiging van sportartikelen, zoals honkbalknuppels, speciale fietsen, hengels, golfclubs, enz .; hoewel titaniumlegeringen ze vaak vervangen omdat ze goedkoper zijn.
De bekendste van deze legeringen is AltwintigLitwintigMg10SctwintigU30, dat zo sterk is als titanium, zo licht als aluminium en zo hard als keramiek.
Sc-Al-legeringen zijn gebruikt om metallische 3D-prints te maken, met het doel om lagen op een vooraf geselecteerde vaste stof te plaatsen of toe te voegen..
Scandiumjodide, ScI3, het wordt (samen met natriumjodide) toegevoegd aan kwikdamplampen om kunstlicht te creëren dat de zon nabootst. Dat is de reden waarom in stadions of sommige sportvelden, zelfs 's nachts, de verlichting erin zo is dat ze het gevoel geven een wedstrijd op klaarlichte dag te bekijken..
Soortgelijke effecten zijn bedoeld voor elektrische apparaten zoals digitale camera's, televisieschermen of computermonitors. Ook koplampen met dergelijke lampen van ScI3-Hg is gevestigd in film- en televisiestudio's.
SOFC, voor het acroniem in het Engels (vaste oxide brandstofcel), gebruikt een oxide of keramiek als het elektrolytische medium; in dit geval een vaste stof die scandiumionen bevat. Het gebruik ervan in deze apparaten is te danken aan het grote elektrische geleidingsvermogen en het vermogen om temperatuurstijgingen te stabiliseren; zodat ze werken zonder te warm te worden.
Een voorbeeld van zo'n vast oxide is scandium gestabiliseerd zirkoniet (in de vorm van SctweeOF3, opnieuw).
Scandiumcarbide en titanium vormen een keramiek van uitzonderlijke hardheid, alleen overtroffen door dat van diamanten. Het gebruik ervan is echter beperkt tot materialen met zeer geavanceerde toepassingen..
Sc ionen3+ kan coördineren met meerdere organische liganden, vooral als het zuurstofrijke moleculen zijn.
Dit komt doordat de gevormde Sc-O-bindingen zeer stabiel zijn en daarom uiteindelijk kristallen bouwen met verbazingwekkende structuren, waarin chemische reacties kunnen worden geactiveerd in de poriën, die zich gedragen als heterogene katalysatoren; of om neutrale moleculen te hosten, die zich gedragen als een solide opslag.
Evenzo kunnen dergelijke organische scandium-coördinatiekristallen worden gebruikt om sensorische materialen, moleculaire zeven of ionengeleiders te ontwerpen..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.