História Scandio, Vlastnosti, reakcie, riziká a použitie

On škrub Je to prechodný kov, ktorého chemický symbol je SC. Je to prvý z prechodných kovov v periodickej tabuľke, ale je tiež jedným z najmenej bežných prvkov vzácnych zemín; Aj keď jeho vlastnosti sa môžu podobať vlastnostiam Lantanides, nie všetci autori ich schvália, aby ich takto klasifikovali.

Na populárnej úrovni je to chemický prvok, ktorý zostane nepovšimnutý. Jeho meno, narodené z minerálov Rare Earth Minerals zo Škandinávie, môže byť aktuálne vedľa medi, železa alebo zlata. Je to však stále pôsobivé a fyzikálne vlastnosti ich zliatin môžu konkurovať vlastnostiam titánu.

Vzorka elementárneho vyhodenia v ultrapúre. Zdroj: Hi-RES obrázky chemických prvkov [CC po 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/o/3.0)]

Podobne sa vo svete technológií otvára čoraz viac krokov, najmä pokiaľ ide o osvetlenie a lasery. Ktorý pozoroval maják vyžarujúci svetlo podobné svetlu Slnka, bude nepriamo svedkom existencie škandia. Pre zvyšok je to sľubný prvok na výrobu lietadiel.

Hlavným problémom, ktorým čelí trh Scandio, je to, že je veľmi rozptýlený a neexistujú žiadne minerály ani bohaté zdroje; Takže jeho extrakcia je drahá, aj keď nejde o kov s nízkou hojnosťou v zemskej kôre. V prírode je ako jeho oxid, pevná látka, ktorú nemožno ľahko znížiť.

Vo väčšine svojich zlúčenín sa anorganické alebo organické podieľa na spojení s oxidačným počtom +3; to znamená, za predpokladu prítomnosti katiónu³⁺. Scandio je relatívne silná kyselina a môže tvoriť veľmi stabilné koordinačné väzby s atómami kyslíka organických molekúl.

[TOC]

História

Škarovstvo bolo v roku 1879 rozpoznané ako chemický prvok, švajčiarsky chemik Lars F. Nilson. Pracoval som s minerálmi Euxenita a Gadolinita s úmyslom získať. Zistil, že v jeho stopách bol neznámy prvok vďaka štúdiu spektroskopickej analýzy (atómové emisné spektrum).

Z minerálov sa jeho tímu a on podarilo získať príslušný oxid škandia, názov prijatý za určite odobratý vzorky Škandinávie; minerály, ktoré sa pre nich nazývali vzácne Zem.

Avšak osem rokov predtým, v roku 1871, Dmitri Mendeleev predpovedal existenciu škandia; Ale s menom Ekaboro, čo znamenalo, že jeho chemické vlastnosti boli podobné vlastnostiam Boro. 

A v skutočnosti to bol švajčiarsky chemik na Teodor Cleve, ktorý pripisoval škandia s Ekaboro, a preto bol rovnakým chemickým prvkom. Konkrétne ten, ktorý začína blokový blok kovov v periodickej tabuľke.

Uplynulo mnoho rokov, keď v roku 1937 Werner Fischer a jeho spolupracovníci dokázali izolovať kovové (ale nečisté) škando, cez elektrolýzu zmesi draslíka, lítia a škandinálnych chloridov. Až v roku 1960, keď ho konečne mohol získať s čistotou okolo 99%.

Elektronická štruktúra a konfigurácia

Elementárny (natívny a čistý) škandom môže kryštalizovať v dvoch štruktúrach (alotropy): kompaktný hexagonálny (HCP) a kubický sústredený v tele (BCC). Prvý to zvyčajne nazýva fázou a a druhá fáza β.

Fáza a, hexagonálna a hustejšia, je stabilná v prostrediach teploty; Zatiaľ čo p, kubická a menej fáza, je stabilná nad 1337 ° C. Pri tejto poslednej teplote sa teda vyskytuje prechod medzi oboma fázami alebo alotropmi (v prípade kovov).

Všimnite si, že zatiaľ čo Škandio normálne kryštalizuje v HCP pevnej látke, neznamená to, že ide o veľmi hustý kov; Aspoň viac ako hliník. Z jej elektronickej konfigurácie môže byť známe, ktoré elektróny sú bežné v ich kovovej väzbe:

[AR] 3D¹ 4s²

Preto sú tri elektróny orbitálov 3D a 4S zapojené do spôsobu, akým sa nachádzajú atómy SC v skle.

Aby sa zhutňovala v šesťuholníkovom skle, príťažlivosť jeho jadier musí byť taká, že tieto tri elektróny, slabo chránené elektrónmi vnútorných vrstiev, sa nepohybujú príliš ďaleko od atómov SC, a preto sú vzdialenosti medzi nimi zúžené.

Fáza vysokej tlaku

Fázy a a p sú spojené so zmenami teploty; Existuje však tetragonálna fáza, podobná fáze kovu niobio, NB, ktorá má za následok, keď kovový škandom utrpí tlak väčší ako 20 GPA.

Oxidácia

Scandio môže stratiť svoje tri valenčné elektróny až do maxima (3D¹4s²). Teoreticky sú prvé „odchod“ z Orbitálu 4S.

Preto za predpokladu existencie C katiónu⁺ V zlúčenine je jeho oxidačné číslo +1; čo je to isté ako tvrdenie, že stratil elektrón zo 4S Orbital (3D¹4s¹).

Ak je to SC²⁺, Vaše oxidačné číslo bude +2 a budete stratiť dva elektróny (3D¹4s⁰); A ak je to SC³⁺, Najstabilnejší z týchto katiónov bude mať číslo oxidácie +3 a je izolektronický pre argón.

Môže vám slúžiť: karamelizácia

Stručne povedané, jeho oxidačné čísla sú: +1, +2 a +3. Napríklad v SC₂Ani₃ Oxidačné číslo škandia je +3, pretože sa predpokladá existencia SC³⁺ (SC₂³⁺Ani₃^2-).

Vlastnosti

Fyzický vzhľad

Je to strieborný biely kov vo svojej čistej a elementárnej forme, mäkká a hladká textúra. Získava tonality žltkastiny, keď sa začne pokryť oxidovou vrstvou (SC₂Ani₃).

Molárna hmota

44 955 g/mol.

Bod topenia

1541 ° C.

Bod varu

2836 ° C.

Kapacita moláru

25,52 J/(mol · k).

Fúzne teplo

14,1 kJ/mol.

Odparovanie

332,7 kJ/mol.

Tepelná vodivosť

66 μΩ · cm pri 20 ° C.

Hustota

2 985 g/ml, tuhá látka a 2,80 g/ml, tekutina. Všimnite si, že jeho hustota tuhého stavu sa blíži hliníku (2,70 g/ml), čo znamená, že oba kovy sú veľmi ľahké; Ale škanddio sa topí pri vyššej teplote (bod fúzie hliníka je 660,3 ° C).

Elektronegativita

1.36 v Pauling Scale.

Ionizačné energie

Prvé: 633,1 kJ/mol (SC⁺ plyn).

Po druhé: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ plyn).

Tretie: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ plyn).

Atómové rádio

162 hod.

Magnetický poriadok

Paramagnetický.

Izotopy

Zo všetkých izotopov škandia, ^{Štyri. Päť}SC zaberá takmer 100% celkového množstva (to sa odráža v jeho atómovej hmotnosti veľmi blízko 45 U).

Ostatné pozostávajú z rádioizotopov s rôznymi časmi polovičného života; Ako ⁴⁶Sc (t_1/2 = 83,8 dní), ⁴⁷Sc (t_1/2 = 3,35 dní), ⁴⁴Sc (t_1/2 = 4 hodiny) a ⁴⁸Sc (t_1/2 = 43,7 hodín). Ostatné rádioizotopy majú t_1/2 Menej ako 4 hodiny.

Kyslosť

Katión SC³⁺ Je to relatívne silná kyselina. Napríklad vo vode môžete tvoriť vodný komplex [sc (h (h₂Buď)₆]³⁺, ktoré tiež môžu zmeniť pH na hodnotu pod 7, pretože generuje H ióny₃Ani⁺ Ako produkt jeho hydrolýzy:

[SC (H₂Buď)₆]³⁺(Ac)+h₂Alebo (l) [sc (h₂Buď)₅Oh]²⁺(Ac)+h₃Ani⁺(Ac)

Kyslosť škandia sa dá interpretovať aj podľa Lewisovej definície: má vysokú tendenciu prijímať elektróny, a preto tvoriť koordinačné komplexy.

Koordinačné číslo

Dôležitou vlastnosťou škandia je to, že jeho koordinačné číslo je vo väčšine jeho anorganických zlúčenín, štruktúr alebo organických kryštálov 6; To znamená, že SC je obklopený šiestimi susedmi (alebo formuje šesť odkazov). Vyššie, komplex Acuo [SC (H₂Buď)₆]³⁺ Je to najjednoduchší príklad zo všetkých.

V kryštáloch sú strediská SC oktadrály; Buď interakcia s inými iónmi (v iónových tuhých látkach) alebo s neutrálnymi atómami spojenými kovalentne (v kovalentných tuhých látkach).

Príklad toho uvedeného máme [SC (OAC)₃], ktorá tvorí štruktúru reťazca s skupinami acotiloxi alebo acetoxi) pôsobiacimi ako mosty medzi atómami SC.

Menovanie

Pretože v predvolenom nastavení je oxidačné číslo škandia vo väčšine jeho zlúčenín +3, považuje sa to za jedinečnú, a preto je nomenklatúra výrazne zjednodušená; Veľmi podobné ako pri alkalických kovoch alebo samotnom hliníku.

Zvážte napríklad svoj oxid, SC₂Ani₃. Rovnaký chemický vzorec vopred označuje stav oxidácie +3 pre škando. Nazvať takúto zlúčeninu Scandio a podobne ako iné, používajú sa systematické, zásoby a tradičné nomenklatúry.

SC₂Ani₃ Podľa nomenklatúry zásob je potom oxidom škandia, ktorý vynechá (III) (hoci to nie je iba možný oxidačný stav); Oxidový škandý, s príponou -ICO na konci mena podľa tradičnej nomenklatúry; a diescondio trioxid, ktorý dodržiava pravidlá gréckeho číselného predpony systematickej nomenklatúry.

Biologický dokument

Scandio momentálne chýba definovaný biologický dokument. To znamená, že nie je známe, ako sa telo môže hromadiť alebo asimilovať SC ióny³⁺; Aké konkrétne enzýmy ich môžu použiť ako kofaktor, ak má vplyv, aj keď podobný ako ióny CA²⁺ alebo viera³⁺.

Je však známe, že SC ióny³⁺ Uplatňujú antibakteriálne účinky pravdepodobne pri interferovaní s metabolizmom iónov viery³⁺.

Niektoré štatistické štúdie v rámci medicíny ich pravdepodobne spájajú s poruchami žalúdka, obezitou, cukrovkou, mozgovou leptomeningitídou a inými chorobami; Ale bez výsledkov.

Rastliny tiež zvyčajne akumulujú značné množstvo škandia. Preto je možné tvrdiť, že jej koncentrácia v biomase je zlá, čo svedčí o malej účasti na jej fyziologických funkciách, a preto sa nakoniec hromadí viac v pôdach.

Kde je a výroba

Minerály a hviezdy

Scandio nemusí byť také hojné ako iné chemické prvky, ale jeho prítomnosť v zemskej kôre prevyšuje prítomnosť ortuti a niektorých drahých kovov. V skutočnosti sa jeho hojnosť priblíži k kobaltu a berylium; Pre každú tonu hornín je možné extrahovať 22 gramov Škandiu.

Môže vám slúžiť: kryštalické tuhé látky: štruktúra, vlastnosti, typy, príklady

Problém je v tom, že ich atómy sa nenachádzajú, ale rozptýlené; To znamená, že v jeho hromadnom zložení nie sú minerály presne bohaté na Scandio. Preto sa hovorí, že nemá preferenciu žiadneho z typických minerálnych formátorov (napríklad uhličitan, CO₃^2-, alebo sulfid, s^2-).

Nie je to vo svojom najčistejšom stave. Ani váš najstabilnejší oxid, SC₂Ani₃, ktorý je kombinovaný s inými kovmi alebo kremičitanumi na definovanie minerálov; ako Thortveitita, Euxenita a Gadolinita.

Tieto tri minerály (samy osebe zriedkavé) predstavujú hlavné prírodné zdroje Škandiu a nachádzajú sa v regiónoch Nórska, Islandu, škandinávskeho a Madagaskaru.

Pre zvyšok, sc ióny³⁺ Môžu byť začlenené ako nečistoty do niektorých drahých kameňov, ako je akamarín alebo do uránových baní. A na oblohe, v hviezdach, tento prvok zaberá hojnosť číslo 23; dosť vysoko, ak uvažujete o celom vesmíre.

Priemyselný odpad a odpad

Len sa len povedalo, že škando možno nájsť aj ako nečistotu. Napríklad sa nachádza v tio pigmentoch₂; v odpade na spracovanie uránu, ako aj v rádioaktívnych mineráloch; av odpade bauxitu pri výrobe kovového hliníka.

Podobne je to v neskorom niklovom a kobalte, ktorý je v budúcnosti sľubným zdrojom škandia.

Redukcia

Ohromné ​​ťažkosti okolo extrakcie škandia a že natoľko oneskorili ich získanie v pôvodnom alebo kovovom stave, boli spôsobené SC₂Ani₃ Je náročné redukovať; ešte viac ako strýko₂, za zobrazenie SC³⁺ Väčšia afinita ako ti⁴⁺ smerom k O^2- (za predpokladu, že v príslušných oxidoch je 100% iónový charakter).

To znamená, že je ľahšie odstrániť kyslík zo strýka₂ ako sc₂Ani₃ s dobrým redukčným činidlom (zvyčajne kovy uhlia alebo alkalických alebo alkalírov). Preto SC₂Ani₃ Premení sa najskôr na zlúčeninu, ktorej redukcia je menej problematické; Rovnako ako Scandio fluorid, SCF₃. Ďalej SCF₃ Zníži sa s kovovým vápnikom:

2Scf₃(s) +3CA (s) => 2sc (s) +3caf₂(S)

SC₂Ani₃ Alebo pochádza z vyššie uvedených minerálov alebo je to vedľajší produkt extrakcií iných prvkov (ako je urán a železo). Je to komerčná forma škandia a jeho nízka ročná výroba (15 ton) odráža vysoké náklady na spracovanie, okrem nákladov na jeho extrakciu z hornín.

Elektrolýza

Ďalšou metódou na výrobu Škandiu je najprv získanie soli chloridu, SCCL₃, a potom ho predložiť na elektrolýzu. V elektróde je teda kovové škando (ako špongia) a v druhom plynnom chlóru.

Reakcie

Anfoterizmus

Scandio nielen s hliníkom zdieľa charakteristiky ľahkých kovov, ale aj anfoterické; to znamená, že sa správajú ako kyseliny a základne.

Napríklad reaguje, rovnako ako mnoho iných prechodných kovov, so silnými kyselinami na výrobu solí a plynného vodíka:

2Sc (s) +6HCl (ac) => 2sccl₃(Ac) +3h₂g)

Pritom sa správa ako základ (reaguje s HCL). Ale rovnako reaguje so silnými základňami, ako je hydroxid sodný:

2Sc (s) +6naoh (ac) +6h₂Alebo (l) => 2na₃Sc (oh)₆(Ac) +3h₂g)

A teraz sa správa ako kyselina (reaguje s NaOH), aby vytvorila soľ škandálu; Sodík, na₃Sc (oh)₆, So škandálnym aniónom, SC (OH)₆^3-.

Oxidácia

Ak je vystavený vzduchu, škando začína oxidovať svoj príslušný oxid. Reakcia je zrýchlená a samostatne, ak sa použije zdroj tepla. Táto reakcia je predstavovaná s nasledujúcou chemickou rovnicou:

4Sc (s) +3o₂(g) => 2Sc₂Ani₃(S)

Halogenuróz

Scandio reaguje so všetkými halogénmi za vzniku halogenuróz všeobecnej chémie vzorec SCX₃ (X = f, cl, br, atď.).

Napríklad reagujte s jódom podľa nasledujúcej rovnice:

2Sc (s) +3i₂(g) => 2Sci₃(S)

Rovnakým spôsobom reaguje s chlórom, brómom a fluoridom.

Tvorba hydroxidu

Kovové škando sa môže rozpustiť vo vode, aby spôsobilo jeho príslušný hydroxid a plynný vodík:

2Sc (s) +6h₂Alebo (l) => 2sc (OH)₃(s) + h₂g)

Kyslá hydrolýza

Vodné komplexy [SC (h₂Buď)₆]³⁺ Môžu hydrolizovať takým spôsobom, aby nakoniec vytvorili SC- (OH) -Sc, až kým nedefinujú klaster s tromi atómami škandia.

Riziká

Nie je známe, okrem svojej biologickej úlohy, aké presne sú fyziologické a toxikologické účinky škandia.

Vo svojej elementárnej podobe sa verí, že nie je toxický, pokiaľ nie je vdýchnutá jeho jemne rozdelená tuhá látka, a tak spôsobí poškodenie pľúc. Podobne sú ich zlúčeniny pripisované nulovou toxicitou, takže príjem ich solí nemala predstavovať žiadne riziko; Pokiaľ dávka nie je vysoká (testovaná u potkanov).

Môže vám slúžiť: tlak pary: koncept, príklady a cvičenia vyriešené

Údaje týkajúce sa týchto aspektov sú však veľmi obmedzené. Preto sa nedá predpokladať, že žiadna zo zoškandio zlúčenín nie je skutočne netoxická; Ešte menej, ak sa kov môže hromadiť v pôdach a vodách, potom sa presťahovať do rastlín a v menšej miere na zvieratá.

V priebehu momentov Scandio ešte nepredstavuje hmatateľné riziko v porovnaní s ťažšími kovmi; ako sú kadmium, ortuť a olovo.

Žiadosti

Zliatiny

Aj keď cena škandia je vysoká v porovnaní s inými kovmi, ako je titán alebo ITtrio, jej aplikácie nakoniec využívajú úsilie a investície. Jedným z nich je použiť ho ako prísadu pre zliatiny hliníka.

Týmto spôsobom si zliatiny SC-A (a ďalšie kovy) zachovávajú svoju ľahkosť, ale stávajú sa ešte viac odolnejšími koróziou, vysoké teploty (nerakujú) a sú rovnako silné ako titán.

Toľko je účinok, ktorý má škando na tieto zliatiny, že stačí pridať do stôp množstiev (menej ako 0,5% v hmotnosti), takže jeho vlastnosti sa drasticky zlepšujú bez toho, aby pozorovali výrazné zvýšenie jeho hmotnosti. Hovorí sa, že ak sa jedného dňa používa masívne, môže to znížiť hmotnosť lietadiel o 15-20%.

Podobne sa zliatiny Scandio používajú na rámy revolverov alebo na výrobu športových článkov, ako sú baseballové netopiere, špeciálne bicykle, rybárske trstiny, golfové tyčinky atď.; Aj keď zliatiny titánu ich zvyčajne nahradia lacnejšie.

Najznámejším z týchto zliatin je Al_dvadsaťLi_dvadsaťMg₁₀Scrping_dvadsaťVy₃₀, ktorý je rovnako silný ako titán, rovnako ľahký ako hliník a tvrdý ako keramika.

3D dojmy

Zliatiny SC-AL sa používajú na vytváranie kovových 3D dojmov, s cieľom umiestniť alebo pridať ich vrstvy na vopred zvolenú pevnú látku.

Osvetlenie štadióna

Svetlá svetla v etapách napodobňujú slnečné svetlo vďaka pôsobeniu jodidu Scandio vedľa Mercury Parpors. Zdroj: pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Pridá sa (spolu s jodidom sodným) do ortuťových parných lamp, aby sa vytvorili umelé svetlá, ktoré napodobňujú svetlá slnka. Preto je na štadiónoch alebo na niektorých športových súdoch, dokonca aj v noci, osvetlenie v nich je také, že poskytujú pocit pozorovania hry v celý deň.

Podobné efekty boli pridelené pre elektrické zariadenia, ako sú digitálne fotoaparáty, televízne obrazovky alebo pre počítačové monitory. Tiež, svetlomety s týmito Sci lampy₃-HG boli vo filmových a televíznych štúdiách.

Palivové batérie s tuhým oxidom

SOFC, pre svoju skratku v angličtine (palivový článok s tuhým oxidom), používa oxid alebo keramiku ako elektrolytické médium; V tomto prípade tuhá látka, ktorá obsahuje škandio ióny. Jeho použitie v týchto zariadeniach je spôsobené veľkou elektrickou vodivosťou a schopnosťou stabilizovať zvyšovanie teploty; Takže pracujú bez zahrievania vo vysokom stupni.

Príkladom jedného takýchto tuhých oxidov je stabilizovaný zirkonit so škandílom (v SC -tvare₂Ani₃, znova).

Keramika

Scandio a titánový karbid tvoria výnimočnú tvrdosť keramiky, ktorá sa prekonáva iba podľa diamantov. Jeho použitie je však obmedzené na materiály s veľmi pokročilými aplikáciami.

Organické koordinačné kryštály

Ióny³⁺ Môžu koordinovať s viacerými organickými ligandami, najmä ak ide o okysličené molekuly.

Dôvodom je skutočnosť, že vytvorené väzby SC-O sú veľmi stabilné, a preto nakoniec budujú kryštály s úžasnými štruktúrami, ktorých póry je možné spustiť chemické reakcie, ktoré sa správajú ako heterogénne katalyzátory; Alebo hostite neutrálne molekuly a správajú sa ako pevné ukladanie.

Podobne sa takéto organické plačúce kryštály môžu použiť na navrhovanie senzorických materiálov, molekulárnych simov alebo iónových vodičov.

Odkazy

1. Irina Shtngeeva. (2004). Škrub. Petrohradská štátna univerzita Svätý Petrohrad. Získané z: ResearchGate.slepo
2. Wikipedia. (2019). Škrub. Zdroj: In.Wikipedia.orgán
3. Redaktori Enyclopaedia Britannica. (2019). Škrub. Encyclopædia Britannica. Získané z: Britannica.com
4. DR. Doug Stewart. (2019). Fakty zo skandia. Chemickolák. Získané z: Chemicool.com
5. Mierka. (2018). Škrub. Obnovené z: Projektu mierky.EÚ
6. HelMestine, Anne Marie, PH.D. (3. júla 2019). Prehľad škandia. Zotavené z: Thoughtco.com
7. Kist, a.Do., Zhuk, L.Jo., Danilova, e.Do., & Makhmudov a.Do. (2012). O otázke biologickej úlohy škandia. Získané z: inis.Iaea.orgán
8. W.Do.Grosshans a.Klimatizovať.Vohra a w.B.Holzapfel. (1982). Vysokotlakové fázové transformácie v YTTRIum a Scandium: Vzťah k vzácnym zemným a aktinidy kryštalických štruktúr. Journal of Magnetizmus a magnetické materiály Zväzok 29, problémy 1-3, strany 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina alebo. Barsukova a kol. (2018). Scandium-Organické rámce: pokrok a vyhliadky. Rush. Chem. Otáčať sa. 87 1139.
10. Investovanie spravodajských sietí. (11. novembra 2014). Aplikácie Scandium: Prehľad. Aime médium Inc. Získané z: InvestingNews.com