Escândio de história, propriedades, reações, riscos e usos

Ele escândio É um metal de transição cujo símbolo químico é o SC. É o primeiro dos metais de transição na tabela periódica, mas também é um dos elementos menos comuns das terras raras; Embora suas propriedades possam se parecer com a dos Lantanides, nem todos os autores aprovam para classificá -lo de tal maneira.

Em um nível popular, é um elemento químico que passa despercebido. Seu nome, nascido de minerais de terras raras da Escandinávia, pode ser atual ao lado de cobre, ferro ou ouro. No entanto, ainda é impressionante, e as propriedades físicas de suas ligas podem competir com as do titânio.

Amostra de cicatrização elementar ultrapura. Fonte: imagens de alta resolução de elementos químicos [CC por 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/por/3.0)]

Da mesma forma, mais e mais etapas são abertas no mundo da tecnologia, especialmente em termos de iluminação e lasers. Que observou um farol que irradia uma luz semelhante à do sol, terá testemunhado indiretamente a existência do Scandio. Pelo resto, é um elemento promissor para a fabricação de aeronaves.

O principal problema enfrentado pelo mercado de Scandio é que ele está muito disperso e não há minerais ou fontes ricas; Portanto, sua extração é cara, mesmo que não seja um metal com baixa abundância na crosta terrestre. Na natureza, é como seu óxido, um sólido que não pode ser facilmente reduzido.

Em grande parte de seus compostos, inorgânicos ou orgânicos, participam do vínculo com um número de oxidação de +3; isto é, assumindo a presença do cátion³⁺. O Scandio é um ácido relativamente forte e pode formar links de coordenação muito estáveis ​​com os átomos de oxigênio das moléculas orgânicas.

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História

O Scandio foi reconhecido como um elemento químico em 1879, pelo químico suíço Lars F. Nilson. Eu trabalhei com os minerais de Euxenita e Gadolinita com a intenção de obter. Ele descobriu que havia um elemento desconhecido em seus traços graças ao estudo da análise espectroscópica (Spectrum de Emissão Atômica).

Dos minerais, sua equipe e ele conseguiram obter o respectivo óxido de Scandio, um nome recebido por ter coletado certamente as amostras da Escandinávia; minerais que eram chamados de terras raras para eles.

No entanto, oito anos antes, em 1871, Dmitri Mendeleev havia previsto a existência do Scandio; Mas com o nome de Ekaboro, o que significava que suas propriedades químicas eram semelhantes às de Boro. 

E foi de fato o químico suíço por teodor cleve que atribuiu o escândalo ao Ekaboro, sendo o mesmo elemento químico. Especificamente aquele que inicia o bloco de metais de transição na tabela periódica.

Muitos anos se passaram quando, em 1937, Werner Fischer e seus colaboradores conseguiram isolar o metal (mas impuro) escandio. Não foi até 1960 quando ele finalmente o obtém com uma pureza em torno de 99%.

Estrutura e configuração eletrônica

O escândio elementar (nativo e puro) pode se cristalizar em duas estruturas (Apotropes): compacto hexagonal (Hcp) e o cúbico centrado no corpo (BCC). O primeiro geralmente chama de fase α e a segunda a fase β.

A fase α, hexagonal e densa, é estável em temperaturas de ambientes; Enquanto o β, cúbico e menos fase, está estável acima de 1337 ºC. Assim, nessa última temperatura, ocorre uma transição entre as duas fases ou os outros (no caso de metais).

Observe que, embora o Scandio normalmente cristalize em um sólido HCP, isso não significa que seja um metal muito denso; Pelo menos, mais do que alumínio. A partir de sua configuração eletrônica, pode -se saber quais elétrons ordinários em sua ligação metálica:

[AR] 3D¹ 4s²

Portanto, os três elétrons dos orbitais 3D e 4S estão envolvidos na maneira como os átomos de SC no vidro estão localizados.

Para compactar em um vidro hexagonal, a atração de seus núcleos deve ser tal que esses três elétrons, fracamente protegidos pelos elétrons das camadas internas, não se movem muito longe dos átomos de SC e, consequentemente, as distâncias entre eles são restringidas.

Fase de alta pressão

As fases α e β estão associadas a alterações de temperatura; No entanto, há uma fase tetragonal, semelhante à do niobio metal, NB, que resulta quando o metal escandio sofre uma pressão maior que 20 GPa.

Números de oxidação

O Scandio pode perder seus três elétrons de valência até o máximo (3D¹4s²). Em teoria, o primeiro a "sair" é o do 4S Orbital.

Assim, assumindo a existência do cátion⁺ No composto, seu número de oxidação é +1; que é o mesmo que dizer que ele perdeu um elétron do 4S Orbital (3d¹4s¹).

Se for o SC²⁺, Seu número de oxidação será +2 e você terá perdido dois elétrons (3D¹4s⁰); E se for o SC³⁺, O mais estável desses cátions terá o número de oxidação +3 e é isoletrônico para o argônio.

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Em resumo, seus números de oxidação são: +1, +2 e +3. Por exemplo, no SC₂QUALQUER₃ O número de oxidação do Scandio é +3 ​​porque a existência de SC é assumida³⁺ (SC₂³⁺QUALQUER₃^2-).

Propriedades

Aparência física

É um metal branco prateado em sua forma pura e elementar, textura suave e suave. Adquire tonalidades de haste amarelada quando começa a ser coberto com uma camada de óxido (SC₂QUALQUER₃).

Massa molar

44.955 g/mol.

Ponto de fusão

1541 ºC.

Ponto de ebulição

2836 ºC.

Capacidade de calor molar

25.52 J/(mol · k).

Calor de fusão

14,1 KJ/mol.

Calor de vaporização

332,7 KJ/mol/mol.

Condutividade térmica

66 μΩ · cm a 20 ºC.

Densidade

2.985 g/ml, sólido e 2,80 g/ml, líquido. Observe que sua densidade de estado sólido se aproxima do de alumínio (2,70 g/ml), o que significa que ambos os metais são muito leves; Mas o Scandio derrete a uma temperatura mais alta (o ponto de fusão de alumínio é 660,3 ºC).

Eletro-negatividade

1.36 na escala Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 633,1 KJ/mol (SC⁺ gasoso).

Segundo: 1235,0 kJ/mol (SC²⁺ gasoso).

Terceiro: 2388,6 kJ/mol (SC³⁺ gasoso).

Rádio atômico

162 pm.

Ordem magnética

Paramagnético.

Isótopos

De todos os isótopos do escândio, o ^{Quatro cinco}O SC ocupa quase 100% da abundância total (isso se reflete em seu peso atômico muito próximo a 45 u).

Os outros consistem em radioisótopos com diferentes tempos de meia -vida; como ele ⁴⁶Sc (t_1/2 = 83,8 dias), ⁴⁷Sc (t_1/2 = 3,35 dias), ⁴⁴Sc (t_1/2 = 4 horas) e ⁴⁸Sc (t_1/2 = 43,7 horas). Outros radioisótopos têm t_1/2 Menos de 4 horas.

Acidez

O cátion sc³⁺ É um ácido relativamente forte. Por exemplo, na água, você pode formar o complexo aquoso [sc (h₂QUALQUER)₆]³⁺, que também pode transformar o pH para um valor abaixo de 7, porque gera íons h₃QUALQUER⁺ Como um produto de sua hidrólise:

[SC (H₂QUALQUER)₆]³⁺(AC)+H₂Ou (l) [sc (h₂QUALQUER)₅Oh]²⁺(AC)+H₃QUALQUER⁺(AC)

A acidez do Scandio também pode ser interpretada de acordo com a definição de Lewis: tem uma alta tendência a aceitar elétrons e, portanto, formar complexos de coordenação.

Número de coordenação

Uma propriedade importante do Scandio é que seu número de coordenação, tanto na maioria de seus compostos inorgânicos, estruturas ou cristais orgânicos, é 6; Isso significa que o SC está cercado por seis vizinhos (ou formam seis links). Acima, o complexo acuo [sc (h₂QUALQUER)₆]³⁺ É o exemplo mais simples de todos.

Nos cristais, os centros de SC são octaedrais; interagir com outros íons (em sólidos iônicos) ou com átomos neutros ligados covalentemente (em sólidos covalentes).

Exemplo deste último, temos o [SC (OAC)₃], que forma a estrutura da cadeia com os grupos acotiloxi ou acetoxi) atuando como pontes entre os átomos de SC.

Nomenclatura

Porque quase por padrão o número de oxidação do Scandio em grande parte de seus compostos é +3, isso é considerado único e, portanto, a nomenclatura é significativamente simplificada; muito parecido com os metais alcalinos ou o próprio alumínio.

Por exemplo, considere seu óxido, SC₂QUALQUER₃. A mesma fórmula química indica antecipadamente o status de oxidação de +3 para o Scandio. Assim, para chamar esse composto de escandio.

O SC₂QUALQUER₃ É então óxido de escandiografia, de acordo com a nomenclatura das ações, omitindo o (iii) (embora não seja seu único estado de oxidação possível); Escandé de óxido, com o sufixo -ico no final do nome de acordo com a nomenclatura tradicional; e Trioxide Diescondio, obedecendo às regras dos prefixos numéricos gregos da nomenclatura sistemática.

Artigo biológico

O Scandio, por enquanto, carece de papel biológico definido. Isto é, não se sabe como o corpo pode acumular ou assimilar os íons SC³⁺; Que enzimas específicas podem usá -lo como cofator, se exercer uma influência, embora semelhante, aos íons Ca²⁺ ou fé³⁺.

Sabe, no entanto, que os íons sc³⁺ Eles exercem efeitos antibacterianos possivelmente ao interferir no metabolismo dos íons fé³⁺.

Alguns estudos estatísticos da medicina possivelmente o ligam a distúrbios do estômago, obesidade, diabetes, leptomeningite cerebral e outras doenças; Mas sem resultados.

Além disso, as plantas geralmente não acumulam quantidades apreciáveis ​​de escândio em suas folhas ou caules, mas em suas raízes e nódulos. Portanto, pode -se argumentar que sua concentração na biomassa é ruim, indicativa de pouca participação em suas funções fisiológicas e, consequentemente, acaba acumulando mais em solos.

Onde está e produção

Minerais e estrelas

O Scandio pode não ser tão abundante quanto outros elementos químicos, mas sua presença na crosta terrestre supera a de Mercúrio e alguns metais preciosos. De fato, sua abundância se aproxima da de cobalto e berílio; Para cada tonelada de rochas, 22 gramas de escândio podem ser extraídos.

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O problema é que seus átomos não estão localizados, mas dispersos; isto é, não há minerais precisamente ricos em escândio em sua composição de massa. Portanto, diz -se que não tem preferência por nenhum dos formadores minerais típicos (como carbonato, co₃^2-, ou sulfeto, S^2-).

Não está em seu estado mais puro. Nem o seu óxido mais estável, SC₂QUALQUER₃, que é combinado com outros metais ou silicatos para definir minerais; como Thortveitita, Euxenita e Gadolinita.

Esses três minerais (raros em si) representam as principais fontes naturais do Scandio e são encontrados em regiões da Noruega, Islândia, Scandinavian e Madagascar.

Para o resto, íons sc³⁺ Eles podem ser incorporados como impurezas em algumas pedras preciosas, como aquamarina ou em minas de urânio. E no céu, dentro das estrelas, esse elemento ocupa o número 23 em abundância; bastante alto se você considerar o cosmos inteiro.

Resíduos e resíduos industriais

Apenas disse que o Scandio também pode ser encontrado como impureza. Por exemplo, é encontrado em pigmentos de Tio₂; em resíduos de processamento de urânio, bem como em seus minerais radioativos; e no desperdício da bauxita na produção de alumínio metálico.

Da mesma forma, é no final do níquel e o cobalto, sendo este último uma fonte promissora de escândio no futuro.

Redução metalúrgica

As tremendas dificuldades em torno da extração do Scandio, e que elas atrasaram tanto a obtenção do estado nativo ou metálico, foram devidas ao SC₂QUALQUER₃ É árduo reduzir; Ainda mais do que o tio₂, Para mostrar o SC³⁺ Uma afinidade maior do que ti⁴⁺ em direção ao o^2- (assumindo um caráter 100% iônico em seus respectivos óxidos).

Isto é, é mais fácil remover oxigênio do tio₂ do que para sc₂QUALQUER₃ com um bom agente redutor (normalmente metais de carvão ou alcalino ou alcalineiro). É por isso que o SC₂QUALQUER₃ Ele se transforma primeiro em um composto cuja redução é menos problemática; Como o Scandio Fluoreide, SCF₃. Em seguida, o SCF₃ É reduzido com cálcio metálico:

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

O SC₂QUALQUER₃ Ou vem dos minerais mencionados acima, ou é um subproduto das extrações de outros elementos (como urânio e ferro). É a forma comercial do Scandio, e sua baixa produção anual (15 toneladas) reflete os altos custos de processamento, além dos de sua extração das rochas.

Eletrólise

Outro método para produzir Scandio é primeiro obter seu sal de cloreto, SCCL₃, e depois envie -o para a eletrólise. Assim, em um eletrodo, existe um escândio de metal (como uma esponja) e no outro cloro gasoso.

Reações

Anfoterismo

O Scandio não apenas compartilha com o alumínio as características de serem metais leves, mas também anfotéricos; isto é, eles se comportam como ácidos e bases.

Por exemplo, reage, como muitos outros metais de transição, com ácidos fortes para produzir sais e gás de hidrogênio:

2SC (s) +6HCl (AC) => 2SCCl₃(AC) +3h₂(g)

Ao fazer isso, ele se comporta como base (reage com o HCl). Mas, da mesma maneira, reage com bases fortes, como o hidróxido de sódio:

2SC (s) +6naoh (AC) +6h₂Ou (l) => 2Na₃SC (OH)₆(AC) +3h₂(g)

E agora se comporta como um ácido (reage com o NaOH), para formar um sal de escândalo; O sódio, na₃SC (OH)₆, Com o ânion escândalo, SC (OH)₆^3-.

Oxidação

Quando exposto ao ar, o Scandio começa a oxidar seu respectivo óxido. A reação é acelerada e auto -estilizada se uma fonte de calor for usada. Esta reação é representada com a seguinte equação química:

4Sc (s) +3o₂(g) => 2SC₂QUALQUER₃(S)

Halogenuros

O Scandio reage com todos os halogênios para formar halogenuros da fórmula de química geral SCX₃ (X = f, cl, br, etc.).

Por exemplo, reaja com iodo de acordo com a seguinte equação:

2SC (s) +3i₂(g) => 2sci₃(S)

Da mesma maneira que reage com cloro, bromo e fluoreto.

Formação de hidróxido

O Scandio Metallic pode se dissolver na água para causar seu respectivo hidróxido e gás de hidrogênio:

2SC (s) +6h₂Ou (L) => 2SC (OH)₃(s) + h₂(g)

Hidrólise ácida

Complexos aquosos [sc (h₂QUALQUER)₆]³⁺ Eles podem hidrolizar de tal maneira que acabam formando SC- (OH) -SC, até definir um cluster com três átomos de Scandio.

Riscos

Não se sabe, além de seu papel biológico, quais são exatamente os efeitos fisiológicos e toxicológicos do escândalo.

Em sua forma elementar, acredita -se que não seja tóxico, a menos que seu sólido finamente dividido seja inalado e, portanto, causar danos aos pulmões. Da mesma forma, seus compostos são atribuídos a toxicidade nula, portanto a ingestão de seus sais em teoria não deve representar nenhum risco; contanto que a dose não seja alta (testada em ratos).

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No entanto, os dados relacionados a esses aspectos são muito limitados. Portanto, não se pode supor que nenhum dos compostos do Scandio seja verdadeiramente não -tóxico; Menos ainda se o metal puder se acumular em solos e águas, depois se mudar para as plantas e, em menor grau, para os animais.

Nos momentos, o Scandio ainda não representa um risco palpável se comparado aos metais mais pesados; como cádmio, mercúrio e chumbo.

Formulários

Ligas

Embora o preço do Scandio seja alto em comparação com outros metais como Titanium ou Ittrio, suas aplicações acabam usando esforços e investimentos. Um deles é usá -lo como um aditivo para ligas de alumínio.

Dessa forma, as ligas SC-A (e outros metais) mantêm sua leveza, mas se tornam ainda mais resistentes à corrosão e altas temperaturas (elas não racham) e são tão fortes quanto o titânio.

Tanto é o efeito que o Scandio tem sobre essas ligas, que é suficiente para adicioná -lo em quantidades de traços (menos de 0,5% em massa), para que suas propriedades melhorem drasticamente sem observar um aumento apreciável em seu peso. Dizem que, se usado massivamente um dia, pode reduzir o peso dos aviões em 15 a 20%.

Da mesma forma, as ligas do Scandio foram usadas para os quadros dos revólveres, ou para a fabricação de artigos esportivos, como morcegos de beisebol, bicicletas especiais, juncos de pesca, palitos de golfe, etc.; Embora as ligas de titânio geralmente as substituam por serem mais baratas.

O mais conhecido dessas ligas é o Al_vinteLi_vinteMg₁₀Sc_vinteVocê₃₀, o que é igualmente forte como o titânio, tão leve quanto o alumínio e difícil como a cerâmica.

Impressões 3D

As ligas SC-AL foram usadas para fazer impressões em 3D metal, com o objetivo de colocar ou adicionar camadas delas em um sólido pré-eleito.

Iluminações do estádio

As luzes da luz nos estágios imitam a luz do sol graças à ação do iodeto de Scandio ao lado dos vapores de Mercúrio. Fonte: pexels.

Scandio Yoduro, SCI₃, É adicionado (junto com iodeto de sódio) às lâmpadas de vapor de mercúrio para criar luzes artificiais que imitam a do sol. É por isso que nos estádios ou em alguns tribunais esportivos, mesmo à noite, a iluminação dentro deles é tal que eles fornecem a sensação de observar um jogo em dia inteiro.

Efeitos semelhantes foram alocados para dispositivos elétricos, como câmeras digitais, telas de televisão ou monitores de computador. Além disso, os faróis com essas lâmpadas de Sci₃-HG está em estúdios de cinema e televisão.

Baterias de combustível de óxido sólido

O SOFC, para seu acrônimo em inglês (célula a combustível de óxido sólido), usa um óxido ou cerâmica como meio eletrolítico; Nesse caso, um sólido que contém íons de escândalo. Seu uso nesses dispositivos se deve à sua grande condutividade elétrica e capacidade de estabilizar aumentos de temperatura; Então eles trabalham sem aquecimento em alto grau.

Exemplo de um desses óxidos sólidos é a zirconita estabilizada com Scandio (em Sc -Shapeed₂QUALQUER₃, outra vez).

Cerâmica

Scandio e Titanium Carbide compõem uma cerâmica excepcional de dureza, apenas superada pela dos diamantes. No entanto, seu uso é restrito a materiais com aplicações muito avançadas.

Cristais de coordenação orgânica

Íons sc³⁺ Eles podem coordenar com vários ligantes orgânicos, especialmente se forem moléculas oxigenadas.

Isso ocorre porque as ligações SC-O formadas são muito estáveis ​​e, portanto, acabam construindo cristais com estruturas incríveis, cujos poros podem ser acionados reações químicas, comportando-se como catalisadores heterogêneos; ou moléculas neutras do hospedeiro, comportando -se como um armazenamento sólido.

Da mesma forma, esses cristais de cristal orgânicos podem ser usados ​​para projetar materiais sensoriais, peneiras moleculares ou condutores de íons.

Referências

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