Sejarah scandio, sifat, reaksi, risiko dan kegunaan

Sejarah scandio, sifat, reaksi, risiko dan kegunaan

Dia Scandium Ia adalah logam peralihan yang simbol kimia adalah sc. Ia adalah yang pertama dari logam peralihan dalam jadual berkala, tetapi ia juga merupakan salah satu unsur -unsur yang paling tidak biasa di bumi nadir; Walaupun sifatnya mungkin menyerupai lantanida, tidak semua penulis meluluskan untuk mengklasifikasikannya sedemikian.

Pada tahap yang popular ia adalah elemen kimia yang tidak disedari. Nama beliau, yang dilahirkan dari Rare Earth Mineral dari Scandinavia, boleh menjadi terkini di sebelah tembaga, besi atau emas. Walau bagaimanapun, ia masih mengagumkan, dan sifat fizikal aloi mereka dapat bersaing dengan titanium.

Sampel Scark Elemental Ultrapure. Sumber: Hi-Res Imej Elemen Kimia [CC oleh 3.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/oleh/3.0)]

Begitu juga, lebih banyak langkah dibuka di dunia teknologi, terutama dari segi pencahayaan dan laser. Yang telah memerhatikan rumah api yang memancarkan cahaya yang serupa dengan matahari, akan secara tidak langsung menyaksikan kewujudan Scandio. Untuk yang lain, ia adalah elemen yang menjanjikan untuk pembuatan pesawat.

Masalah utama yang dihadapi oleh pasaran Scandio adalah bahawa ia sangat tersebar, dan tidak ada mineral atau sumber yang kaya; Jadi pengekstrakannya mahal, walaupun ia bukan logam dengan kelimpahan rendah di kerak bumi. Secara semula jadi ia seperti oksida, pepejal yang tidak dapat dikurangkan dengan mudah.

Dalam kebanyakan sebatiannya, bukan organik atau organik, mengambil bahagian dalam pautan dengan bilangan pengoksidaan +3; iaitu, dengan mengandaikan kehadiran cation3+. Scandio adalah asid yang agak kuat, dan boleh membentuk pautan koordinasi yang sangat stabil dengan atom oksigen molekul organik.

[TOC]

Sejarah

Scandio diiktiraf sebagai elemen kimia pada tahun 1879, oleh ahli kimia Switzerland Lars f. Nilson. Saya bekerja dengan mineral Euxenita dan Gadolinita dengan niat untuk mendapatkan. Dia mendapati bahawa terdapat elemen yang tidak diketahui dalam jejaknya terima kasih kepada kajian analisis spektroskopi (spektrum pelepasan atom).

Daripada mineral, pasukannya dan dia berjaya mendapatkan Scandio Oxide masing -masing, nama yang diterima kerana pasti mengumpul sampel Scandinavia; mineral yang dipanggil nadir bumi untuk mereka.

Walau bagaimanapun, lapan tahun sebelum ini, pada tahun 1871, Dmitri Mendeleev telah meramalkan kewujudan Scandio; Tetapi dengan nama Ekaboro, yang bermaksud bahawa sifat kimianya serupa dengan Boro. 

Dan sebenarnya ahli kimia Switzerland per Teodor Cleve yang menyifatkan Scandio dengan Ekaboro, oleh itu elemen kimia yang sama. Khususnya yang memulakan blok logam peralihan dalam jadual berkala.

Ramai tahun berlalu ketika pada tahun 1937, Werner Fischer dan kolaboratornya, berjaya mengasingkan logam (tetapi tidak suci) Scandio, melalui elektrolisis campuran kalium, lithium dan scandy chlorides. Tidak sampai tahun 1960 ketika dia akhirnya dapat memperolehnya dengan kesucian sekitar 99%.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Scandio asas (asli dan murni) boleh mengkristalisasi dalam dua struktur (alotrop): heksagon padat (HCP) dan kubik berpusat di dalam badan (BCC). Yang pertama biasanya menyebutnya sebagai fasa α, dan yang kedua fasa β.

Fasa α, heksagon dan lebih padat, stabil pada suhu persekitaran; Walaupun β, padu dan fasa kurang, stabil di atas 1337 ºC. Oleh itu, pada suhu terakhir ini peralihan antara kedua -dua fasa atau alotrop berlaku (dalam hal logam).

Perhatikan bahawa walaupun Scandio biasanya mengkristal dalam pepejal HCP, ia tidak bermakna bahawa ia adalah logam yang sangat padat; Sekurang -kurangnya, lebih daripada aluminium. Dari konfigurasi elektroniknya, ia dapat diketahui oleh elektron yang biasa dalam ikatan logam mereka:

[AR] 3D1 4s2

Oleh itu, tiga elektron orbital 3d dan 4s terlibat dalam cara bagaimana atom SC di kaca terletak.

Untuk padat dalam kaca heksagon, tarikan nukleinya mestilah sedemikian rupa sehingga ketiga -tiga elektron ini, yang lemah dilindungi oleh elektron lapisan dalaman, jangan bergerak terlalu jauh dari atom SC dan, akibatnya, jarak di antara mereka disempitkan.

Fasa tekanan tinggi

Fasa α dan β dikaitkan dengan perubahan suhu; Walau bagaimanapun, terdapat fasa tetragonal, sama dengan logam Niobio, NB, yang menghasilkan apabila scandio logam mengalami tekanan lebih daripada 20 GPa.

Nombor pengoksidaan

Scandio boleh kehilangan tiga elektron valensi sehingga maksimum (3d14s2). Secara teori, yang pertama untuk "meninggalkan" adalah orang -orang orbital 4s.

Oleh itu, dengan mengandaikan kewujudan Cation+ Dalam kompaun, nombor pengoksidaannya ialah +1; yang sama seperti mengatakan bahawa dia kehilangan elektron dari 4S orbital (3d14s1).

Sekiranya ia adalah SC2+, Nombor pengoksidaan anda akan menjadi +2, dan anda akan kehilangan dua elektron (3D14s0); Dan jika ia adalah SC3+, Yang paling stabil dari kation ini akan mempunyai nombor pengoksidaan +3, dan isolektronik untuk argon.

Boleh melayani anda: karamelisasi

Singkatnya, nombor pengoksidaannya ialah: +1, +2 dan +3. Contohnya, di SC2Sama ada3 Bilangan pengoksidaan scandio adalah +3 kerana kewujudan SC diandaikan3+ (Sc23+Sama ada32-).

Sifat

Penampilan fizikal

Ia adalah logam putih perak dalam bentuk tulen dan asasnya, tekstur lembut dan licin. Memperoleh tonaliti-tonaliti kekuningan apabila ia mula ditutup dengan lapisan oksida (SC2Sama ada3).

Jisim molar

44,955 g/mol.

Takat lebur

1541 ºC.

Takat didih

2836 ºC.

Kapasiti haba molar

25.52 j/(mol · k).

Haba Fusion

14.1 kJ/mol.

Haba pengewapan

332.7 kJ/mol.

Kekonduksian terma

66 μΩ · cm pada 20 ºC.

Ketumpatan

2,985 g/ml, pepejal, dan 2.80 g/ml, cecair. Perhatikan bahawa ketumpatan keadaan pepejalnya mendekati aluminium (2.70 g/ml), yang bermaksud bahawa kedua -dua logam sangat ringan; Tetapi Scandio cair pada suhu yang lebih tinggi (titik gabungan aluminium ialah 660.3 ºC).

Elektronegativiti

1.36 pada skala Pauling.

Tenaga pengionan

Pertama: 633.1 kJ/mol (SC+ gas).

Kedua: 1235.0 kJ/mol (SC2+ gas).

Ketiga: 2388.6 kJ/mol (SC3+ gas).

Radio atom

162 petang.

Urutan magnet

Paramagnetic.

Isotop

Dari semua isotop Scandio, Empat limaSC menduduki hampir 100% jumlah kelimpahan (ini ditunjukkan dalam berat atomnya sangat dekat dengan 45 u).

Yang lain terdiri daripada radioisotop dengan masa separuh masa yang berbeza; Sebagai 46Sc (t1/2 = 83.8 hari), 47Sc (t1/2 = 3.35 hari), 44Sc (t1/2 = 4 jam), dan 48Sc (t1/2 = 43.7 jam). Radioisotop lain mempunyai t1/2 kurang dari 4 jam.

Keasidan

Kation sc3+ Ia adalah asid yang agak kuat. Sebagai contoh, di dalam air anda boleh membentuk kompleks berair [sc (h (h2Sama ada)6]3+, yang juga boleh menghidupkan pH ke nilai di bawah 7, kerana ia menjana ion h3Sama ada+ Sebagai produk hidrolisisnya:

[Sc (h2Sama ada)6]3+(Ac)+h2Atau (l) [sc (h2Sama ada)5Oh]2+(Ac)+h3Sama ada+(Ac)

Keasidan Scandio juga boleh ditafsirkan mengikut definisi Lewis: Ia mempunyai kecenderungan yang tinggi untuk menerima elektron dan, oleh itu, untuk membentuk kompleks koordinasi.

Nombor koordinasi

Harta penting Scandio ialah nombor koordinasi, baik dalam kebanyakan sebatian, struktur atau kristal organiknya, adalah 6; Ini bermaksud bahawa SC dikelilingi oleh enam jiran (atau membentuk enam pautan). Di atas, acuo kompleks [sc (h (h2Sama ada)6]3+ Ini adalah contoh yang paling mudah dari semua.

Di dalam kristal, pusat SC adalah octahedrals; Sama ada berinteraksi dengan ion lain (dalam pepejal ionik), atau dengan atom neutral dikaitkan kovalen (dalam pepejal kovalen).

Contoh yang terakhir kita mempunyai [SC (OAC)3], yang membentuk struktur rantai dengan acotiloxi atau acetoxi) yang bertindak sebagai jambatan antara atom SC.

Nomenclature

Kerana hampir secara lalai, bilangan pengoksidaan scandio dalam banyak sebatiannya adalah +3, ini dianggap unik dan tatanama oleh itu mudah dipermudahkan; sangat serupa dengan logam alkali atau aluminium itu sendiri.

Contohnya, pertimbangkan oksida anda, SC2Sama ada3. Formula kimia yang sama menunjukkan terlebih dahulu status pengoksidaan +3 untuk scandio. Oleh itu, untuk memanggil kompaun Scandio ini, dan seperti yang lain, nomenclatures sistematik, stok dan tradisional digunakan.

SC2Sama ada3 Ia kemudiannya Scandio Oxide, menurut nomenclature stok, meninggalkan (iii) (walaupun bukan satu -satunya keadaan pengoksidaan yang mungkin); Oxide Scandic, dengan akhiran -ico pada akhir nama mengikut tatanama tradisional; dan diescondio trioksida, mematuhi peraturan awalan berangka Yunani dari tatanama sistematik.

Kertas Biologi

Scandio, buat masa ini, tidak mempunyai kertas biologi yang ditetapkan. Iaitu, tidak diketahui bagaimana badan dapat mengumpulkan atau mengasimilasikan ion sc3+; Apa enzim tertentu boleh menggunakannya sebagai cofactor, jika ia memberi pengaruh, walaupun serupa, dengan ion -ion2+ atau iman3+.

Walau bagaimanapun, diketahui bahawa3+ Mereka memberi kesan antibakteria mungkin apabila mengganggu metabolisme ion iman3+.

Beberapa kajian statistik dalam bidang perubatan mungkin menghubungkannya dengan gangguan perut, obesiti, diabetes, leptomeningitis serebrum dan penyakit lain; Tetapi tanpa hasil.

Juga, tumbuh -tumbuhan biasanya tidak mengumpulkan jumlah scandio yang cukup besar di daun atau batang mereka tetapi di akar dan nodul mereka. Oleh itu, boleh dikatakan bahawa kepekatannya dalam biomas adalah miskin, menunjukkan sedikit penyertaan dalam fungsi fisiologinya dan, akibatnya, akhirnya terkumpul di tanah.

Di mana dan pengeluaran

Mineral dan bintang

Scandio mungkin tidak begitu banyak seperti unsur -unsur kimia lain, tetapi kehadirannya di kerak bumi melampaui merkuri dan beberapa logam berharga. Malah, kelimpahannya mendekati kobalt dan berilium; Untuk setiap tan batu, 22 gram Scandio boleh diekstrak.

Boleh melayani anda: pepejal kristal: struktur, sifat, jenis, contoh

Masalahnya adalah bahawa atom mereka tidak terletak tetapi tersebar; iaitu, tidak ada mineral yang kaya dengan Scandio dalam komposisi massa. Oleh itu, dikatakan bahawa ia tidak mempunyai keutamaan untuk mana -mana formator mineral biasa (seperti Carbonate, CO32-, atau sulfida, s2-).

Ia tidak berada dalam keadaan paling murni. Tidak juga oksida anda yang paling stabil, SC2Sama ada3, yang digabungkan dengan logam atau silikat lain untuk menentukan mineral; seperti Thortveitita, Euxenita dan Gadolinita.

Ketiga -tiga mineral ini (jarang berlaku) mewakili sumber semula jadi utama Scandio, dan terdapat di kawasan Norway, Iceland, Scandinavia dan Madagascar.

Untuk selebihnya, ion sc3+ Mereka boleh dimasukkan sebagai kekotoran di beberapa batu berharga, seperti aquamarine, atau di lombong uranium. Dan di langit, di dalam bintang -bintang, unsur ini menduduki nombor 23 yang banyak; cukup tinggi jika anda menganggap keseluruhan kosmos.

Sisa dan sisa industri

Hanya hanya mengatakan bahawa Scandio juga boleh didapati sebagai kekotoran. Sebagai contoh, terdapat dalam pigmen TiO2; dalam sisa pemprosesan uranium, serta dalam mineral radioaktifnya; dan dalam pembaziran bauksit dalam pengeluaran aluminium logam.

Begitu juga, ia berada di nikel lewat dan kobalt, yang terakhir menjadi sumber Scandio yang menjanjikan pada masa akan datang.

Pengurangan metalurgi

Kesukaran yang luar biasa di sekitar pengekstrakan Scandio, dan bahawa mereka menunda banyaknya mereka diperolehi dalam keadaan asli atau logam, disebabkan oleh SC2Sama ada3 Adalah sukar untuk dikurangkan; Malah lebih daripada paman2, kerana menunjukkan SC3+ Pertalian yang lebih besar daripada Ti4+ ke arah o2- (Dengan mengandaikan watak ionik 100% dalam oksida masing -masing).

Iaitu, lebih mudah untuk mengeluarkan oksigen dari paman2 daripada sc2Sama ada3 dengan ejen pengurangan yang baik (biasanya arang batu atau alkali atau logam alkaliner). Itulah sebabnya SC2Sama ada3 Ia berubah terlebih dahulu ke dalam sebatian yang pengurangannya kurang bermasalah; Seperti Scandio Fluoride, SCF3. Seterusnya, SCF3 Ia dikurangkan dengan kalsium logam:

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

SC2Sama ada3 atau ia berasal dari mineral yang disebutkan di atas, atau ia merupakan hasil sampingan dari pengekstrakan unsur -unsur lain (seperti uranium dan besi). Ini adalah bentuk komersial Scandio, dan pengeluaran tahunannya yang rendah (15 tan) mencerminkan kos pemprosesan yang tinggi, sebagai tambahan kepada pengekstrakannya dari batu.

Elektrolisis

Kaedah lain untuk menghasilkan scandio adalah untuk terlebih dahulu mendapatkan garam klorida anda, SCCL3, dan kemudian menyerahkannya kepada elektrolisis. Oleh itu, dalam elektrod terdapat scandio logam (seperti span), dan di klorin gas yang lain.

Reaksi

Anfoterisme

Scandio bukan sahaja berkongsi dengan aluminium ciri -ciri logam ringan, tetapi juga anfoterik; iaitu, mereka berkelakuan seperti asid dan pangkalan.

Sebagai contoh, ia bertindak balas, seperti banyak logam peralihan lain, dengan asid kuat untuk menghasilkan garam dan gas hidrogen:

2SC (S) +6HCL (AC) => 2SCCL3(Ac) +3h2(g)

Dengan berbuat demikian, ia bertindak sebagai asas (bertindak balas dengan HCL). Tetapi, dengan cara yang sama ia bertindak balas dengan asas yang kuat, seperti natrium hidroksida:

2SC (S) +6NAOH (AC) +6H2Atau (l) => 2NA3Sc (oh)6(Ac) +3h2(g)

Dan kini ia berkelakuan seperti asid (ia bertindak balas dengan NaOH), untuk membentuk garam skandal; Natrium, na3Sc (oh)6, Dengan anion skandal, SC (OH)63-.

Pengoksidaan

Apabila terdedah kepada udara, scandio mula mengoksidakan oksida masing -masing. Tindak balas dipercepatkan dan ditarik diri jika sumber haba digunakan. Reaksi ini diwakili dengan persamaan kimia berikut:

4SC (s) +3o2(g) => 2Sc2Sama ada3(S)

Halogenuros

Scandio bertindak balas dengan semua halogen untuk membentuk halogenuros formula kimia umum scx3 (X = f, cl, br, dll.).

Sebagai contoh, bertindak balas dengan iodin mengikut persamaan berikut:

2SC (s) +3i2(g) => 2sci3(S)

Dengan cara yang sama ia bertindak balas dengan klorin, bromin dan fluorida.

Pembentukan hidroksida

Scandio logam boleh larut di dalam air untuk menyebabkan gas hidroksida dan hidrogen masing -masing:

2SC (s) +6H2Atau (l) => 2Sc (oh)3(s) + h2(g)

Hidrolisis asid

Kompleks berair [sc (h2Sama ada)6]3+ Mereka boleh menghidrolisis sedemikian rupa sehingga mereka membentuk sc- (OH) -sc, sehingga menentukan kelompok dengan tiga atom Scandio.

Risiko

Tidak diketahui, sebagai tambahan kepada peranan biologinya, apa sebenarnya kesan fisiologi dan toksikologi Scandio adalah.

Dalam bentuk asasnya, dipercayai bahawa ia tidak toksik, melainkan pepejal yang dibahagikan halus dihirup dan menyebabkan kerosakan pada paru -paru. Begitu juga, sebatian mereka disebabkan ketoksikan null, jadi pengambilan garam mereka dalam teori tidak boleh mewakili sebarang risiko; selagi dos tidak tinggi (diuji dalam tikus).

Boleh melayani anda: tekanan stim: konsep, contoh dan latihan diselesaikan

Walau bagaimanapun, data yang berkaitan dengan aspek ini sangat terhad. Oleh itu, tidak dapat diandaikan bahawa tidak ada sebatian Scandio yang benar -benar tidak -toksik; Lebih kurang jika logam dapat berkumpul di tanah dan air, kemudian bergerak ke tumbuh -tumbuhan, dan sedikit lebih rendah, ke haiwan.

Untuk saat -saat, Scandio belum lagi mewakili risiko yang dapat dirasakan jika dibandingkan dengan logam yang lebih berat; seperti kadmium, merkuri dan plumbum.

Aplikasi

Aloi

Walaupun harga Scandio tinggi berbanding logam lain seperti Titanium atau Ittrio, aplikasinya akhirnya menggunakan usaha dan pelaburan. Salah satu daripada mereka adalah menggunakannya sebagai bahan tambahan untuk aloi aluminium.

Dengan cara ini, aloi SC-A (dan logam lain) mengekalkan cahaya mereka, tetapi mereka menjadi lebih tahan kakisan, suhu tinggi (mereka tidak retak), dan kuat seperti Titanium.

Begitu juga dengan kesan scandio pada aloi ini, yang cukup untuk menambahkannya dalam kuantiti jejak (kurang daripada 0.5% dalam jisim) sehingga sifatnya bertambah baik secara drastik tanpa memerhatikan kenaikan berat badannya. Dikatakan bahawa, jika digunakan secara besar-besaran satu hari, ia dapat mengurangkan berat kapal terbang sebanyak 15-20%.

Begitu juga, aloi Scandio telah digunakan untuk bingkai revolver, atau untuk pembuatan artikel sukan, seperti kelawar besbol, basikal khas, buluh memancing, tongkat golf, dll.; Walaupun aloi titanium biasanya menggantikannya dengan lebih murah.

Yang paling terkenal dengan aloi ini adalah aldua puluhLidua puluhMg10Scdua puluhAnda30, yang sama kuat seperti titanium, seperti cahaya sebagai aluminium dan keras seperti seramik.

Tayangan 3D

Aloi sc-al telah digunakan untuk membuat kesan logam 3D, dengan tujuan meletakkan atau menambahkan lapisan mereka pada pepejal yang telah dipilih.

Stadium Illuminations

Lampu cahaya di peringkat meniru cahaya matahari terima kasih kepada tindakan scandio iodide di sebelah wap merkuri. Sumber: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci3, Ia ditambah (bersama -sama dengan natrium iodida) ke lampu wap merkuri untuk mencipta lampu buatan yang meniru matahari. Itulah sebabnya di stadium atau beberapa gelanggang sukan, walaupun pada waktu malam, pencahayaan di dalamnya adalah sedemikian rupa sehingga mereka memberikan perasaan memerhatikan permainan pada hari penuh.

Kesan yang sama telah diperuntukkan untuk peranti elektrik seperti kamera digital, skrin televisyen, atau untuk monitor komputer. Juga, lampu dengan lampu sci ini3-HG telah berada di studio filem dan televisyen.

Bateri bahan api oksida pepejal

SOFC, untuk akronimnya dalam bahasa Inggeris (sel bahan api oksida pepejal) menggunakan oksida atau seramik sebagai medium elektrolitik; Dalam kes ini, pepejal yang mengandungi ion scandio. Penggunaannya dalam peranti ini adalah disebabkan oleh kekonduksian elektrik yang hebat dan keupayaan untuk menstabilkan kenaikan suhu; Oleh itu, mereka bekerja tanpa pemanasan di peringkat tinggi.

Contoh satu oksida pepejal seperti itu adalah zirkonit stabil dengan scandio (dalam sc -shaped2Sama ada3, sekali lagi).

Seramik

Scandio dan Titanium Carbide membentuk keramik kekerasan yang luar biasa, hanya diatasi oleh berlian. Walau bagaimanapun, penggunaannya terhad kepada bahan dengan aplikasi yang sangat maju.

Kristal Penyelarasan Organik

Sc ion3+ Mereka boleh menyelaraskan dengan pelbagai ligan organik, terutamanya jika mereka adalah molekul oksigen.

Ini kerana ikatan SC-O yang terbentuk sangat stabil, dan oleh itu akhirnya membina kristal dengan struktur yang menakjubkan, yang liang-liangnya dapat dicetuskan reaksi kimia, berkelakuan sebagai pemangkin heterogen; atau tuan rumah molekul neutral, berkelakuan seperti penyimpanan pepejal.

Begitu juga, kristal kristal menangis organik seperti ini boleh digunakan untuk mereka bentuk bahan deria, saringan molekul, atau konduktor ion.

Rujukan

  1. Irina Shtngeeva. (2004). Scandium. Saint Petersburg State University Saint Petersburg. Pulih dari: Penyelidikan.jaring
  2. Wikipedia. (2019). Scandium. Diperoleh dari: dalam.Wikipedia.org
  3. Editor enyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Pulih dari: Britannica.com
  4. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Scandium. Chemicool. Pulih dari: chemicool.com
  5. Skala. (2018). Scandium. Pulih dari: projek skala.EU
  6. Helmestine, Anne Marie, Ph.D. (3 Julai 2019). Gambaran keseluruhan Scandium. Pulih dari: Thoughtco.com
  7. Kist, a.Ke., Zhuk, l.Yo., Danilova, e.Ke., & Makhmudov, dan.Ke. (2012). Mengenai persoalan peranan biologi scandium. Pulih dari: inis.IAEA.org
  8. W.Ke.Grosshans, dan.K.Vohra & w.B.Holzapfel. (1982). Transformasi fasa tekanan tinggi dalam yttrium dan scandium: hubungan dengan nadir bumi dan struktur kristal actinides. Jurnal Magnetisme dan Bahan Magnet Jilid 29, Isu 1-3, Halaman 282-286 DOI.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
  9. Marina atau. Barsukova et al. (2018). Rangka Kerja Scandium-Organik: Kemajuan dan Prospek. Russ. Chem. REV. 87 1139.
  10. Pelaburan Rangkaian Berita. (11 November 2014). Aplikasi Scandium: Gambaran Keseluruhan. AIME Sederhana Inc. Pulih dari: pelaburanNews.com