HISTOIRE SCANDIO, PROPRIÉTÉS, RÉACTIONS, RISQUES ET UTILISATIONS
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- Mlle Ambre Dumont
Il scandium C'est un métal de transition dont le symbole chimique est le SC. Il s'agit du premier des métaux de transition dans le tableau périodique, mais c'est aussi l'un des éléments les moins courants de terres rares; Bien que ses propriétés puissent ressembler à celle des Lantanides, tous les auteurs ne l'approuvent pas de la classer de cette manière.
À un niveau populaire, c'est un élément chimique qui passe inaperçu. Son nom, né des minéraux de terres rares de Scandinavie, peut être à côté du cuivre, du fer ou de l'or. Cependant, il est toujours impressionnant, et les propriétés physiques de leurs alliages peuvent rivaliser avec celles du titane.
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De même, de plus en plus de pas est ouvert dans le monde de la technologie, en particulier en termes d'éclairage et de lasers. Qui a observé un phare rayonnant une lumière similaire à celle du soleil, aura indirectement témoin de l'existence du scandio. Pour le reste, c'est un élément prometteur pour la fabrication d'avions.
Le principal problème auquel est confronté le marché Scandio est qu'il est très dispersé, et il n'y a pas de minéraux ou de sources riches; Donc son extraction est chère, même si ce n'est pas un métal à faible abondance dans la croûte terrestre. Dans la nature, c'est comme son oxyde, un solide qui ne peut pas être facilement réduit.
Dans la plupart de ses composés, inorganiques ou organiques, participe au lien avec un nombre d'oxydation de +3; c'est-à-dire en supposant la présence du cation3+. Le scandio est un acide relativement fort et peut former des liens de coordination très stables avec les atomes d'oxygène des molécules organiques.
[TOC]
Histoire
Le Scandio a été reconnu comme un élément chimique en 1879 par le chimiste suisse Lars F. Nilson. J'ai travaillé avec les minéraux Euxenita et Gadolinita avec l'intention d'obtenir. Il a découvert qu'il y avait un élément inconnu dans ses traces grâce à l'étude de l'analyse spectroscopique (spectre d'émission atomique).
Parmi les minéraux, son équipe et il a réussi à obtenir l'oxyde de scandio respectif, un nom reçu pour avoir sûrement collecté les échantillons de Scandinavie; minéraux appelés terres rares pour eux.
Cependant, huit ans auparavant, en 1871, Dmitri Mendeleev avait prédit l'existence du Scandio; Mais avec le nom d'Ekaboro, ce qui signifiait que ses propriétés chimiques étaient similaires à celles de Boro.
Et c'est en fait le chimiste suisse par Teodor Cleve qui a attribué le Scandio avec l'Ekaboro, étant donc le même élément chimique. Plus précisément celui qui commence le bloc des métaux de transition dans le tableau périodique.
De nombreuses années se sont écoulées lorsque, en 1937, Werner Fischer et ses collaborateurs ont réussi à isoler le Scandio métallique (mais impur), à travers l'électrolyse d'un mélange de potassium, de lithium et de chlorures scandy. Ce n'est qu'en 1960 qu'il pouvait enfin l'obtenir avec une pureté d'environ 99%.
Structure et configuration électroniques
Le scandio élémentaire (natif et pur) peut cristalliser dans deux structures (alotropes): hexagonal compact (HCP) et le cubique centré dans le corps (BCC). Le premier l'appelle généralement comme la phase α, et la seconde la phase β.
La phase α, hexagonale et plus dense, est stable aux températures des environnements; Tandis que le β, cubique et moins phase, est stable au-dessus de 1337 ºC. Ainsi, à cette dernière température, une transition entre les deux phases ou les alotropes se produit (dans le cas des métaux).
Notez que même si le Scandio cristallise normalement dans un solide HCP, cela ne signifie pas qu'il s'agit d'un métal très dense; Du moins, plus que l'aluminium. À partir de sa configuration électronique, on peut savoir quels électrons ordinaires dans leur liaison métallique:
[Ar] 3d1 4s2
Par conséquent, les trois électrons des orbitales 3D et 4S sont impliqués dans la façon dont les atomes SC dans le verre sont situés.
Pour compacter dans un verre hexagonal, l'attraction de ses noyaux doit être telle que ces trois électrons, faiblement protégées par les électrons des couches internes, ne se déplacent pas trop loin des atomes SC et, par conséquent, les distances entre elles sont rétrécies.
Phase à haute pression
Les phases α et β sont associées à des changements de température; Cependant, il y a une phase tétragonale, similaire à celle du Niobio Metal, NB, qui se traduit lorsque le scandio métallique subit une pression supérieure à 20 GPa.
Nombres d'oxydation
Le scandio peut perdre ses trois électrons de valence jusqu'au maximum (3d14s2). En théorie, les premiers à "partir" sont ceux de l'orbital 4S.
Ainsi, en supposant l'existence du cation+ Dans le composé, son nombre d'oxydation est +1; Ce qui est la même chose que de dire qu'il a perdu un électron de l'orbital 4S (3D14s1).
Si c'est le SC2+, Votre numéro d'oxydation sera de +2, et vous aurez perdu deux électrons (3D14s0)); Et si c'est le SC3+, Le plus stable de ces cations aura le numéro d'oxydation de +3 et est isoléctronique à l'argon.
Peut vous servir: caramélisationEn bref, ses numéros d'oxydation sont: +1, +2 et +3. Par exemple, dans le SC2SOIT3 Le nombre d'oxydation du scandio est +3 car l'existence de SC est supposée3+ (SC23+SOIT32-).
Propriétés
Apparence physique
C'est un métal blanc argenté sous sa forme pure et élémentaire, une texture douce et lisse. Acquiert des tonalités de rod jaunâtre lorsqu'elle commence à être recouverte d'une couche d'oxyde (SC2SOIT3).
Masse molaire
44 955 g / mol.
Point de fusion
1541 ºC.
Point d'ébullition
2836 ºC.
Capacité thermique molaire
25,52 J / (mol · k).
Chaleur de fusion
14.1 kJ / mol.
Chaleur de vaporisation
332.7 kJ / mol.
Conductivité thermique
66 μΩ · cm à 20 ºC.
Densité
2 985 g / ml, solide et 2,80 g / ml, liquide. Notez que sa densité à l'état solide s'approche de celle de l'aluminium (2,70 g / ml), ce qui signifie que les deux métaux sont très légers; Mais le scandio fond à une température plus élevée (le point de fusion en aluminium est de 660,3 ºC).
Électronégativité
1.36 sur l'échelle de Pauling.
Énergies d'ionisation
Premièrement: 633.1 kJ / mol (SC+ gazeux).
Deuxième: 1235.0 kJ / mol (SC2+ gazeux).
Troisième: 2388,6 kJ / mol (SC3+ gazeux).
Radio atomique
162 h.
Ordre magnétique
Paramagnétique.
Isotopes
De tous les isotopes du scandio, le Quatre cinqSC occupe près de 100% de l'abondance totale (cela se reflète dans son poids atomique très proche de 45 u).
Les autres sont constitués de radio-isotopes avec des temps de demi-vie différents; comme lui 46SC (T1/2 = 83,8 jours), 47SC (t1/2 = 3,35 jours), 44SC (t1/2 = 4 heures), et 48SC (T1/2 = 43,7 heures). D'autres radio-isotopes ont t1/2 moins de 4 heures.
Acidité
Le cation sc3+ C'est un acide relativement fort. Par exemple, dans l'eau, vous pouvez former le complexe aqueux [SC (H2SOIT)6]]3+, qui peut également transformer le pH en une valeur inférieure à 7, car il génère des ions H3SOIT+ comme produit de son hydrolyse:
[SC (H2SOIT)6]]3+(AC) + H2Ou (l) [sc (h2SOIT)5Oh]2+(AC) + H3SOIT+(AC)
L'acidité du Scandio peut également être interprétée en fonction de la définition de Lewis: elle a une forte tendance à accepter les électrons et, par conséquent, à former des complexes de coordination.
Numéro de coordination
Une propriété importante du Scandio est que son numéro de coordination, à la fois dans la plupart de ses composés inorganiques, structures ou cristaux organiques, est de 6; Cela signifie que le SC est entouré de six voisins (ou forme six liens). Ci-dessus, l'Acuo complexe [SC (H2SOIT)6]]3+ C'est l'exemple le plus simple de tous.
Dans les cristaux, les centres SC sont les octaédrales; Interagissant avec d'autres ions (dans des solides ioniques), soit avec des atomes neutres liés de manière covalente (en solides covalents).
Exemple de ce dernier, nous avons le [SC (OAC)3], qui forme la structure de la chaîne avec les groupes acotiloxi ou acétoxi) agissant comme des ponts entre les atomes SC.
Nomenclature
Parce que presque par défaut, le nombre d'oxydation du scandio dans une grande partie de ses composés est de +3, cela est considéré comme unique et la nomenclature est donc significativement simplifiée; Très similaire à celle des métaux alcalins ou de l'aluminium lui-même.
Par exemple, considérez votre oxyde, SC2SOIT3. La même formule chimique indique à l'avance l'état d'oxydation de +3 pour le scandio. Ainsi, pour appeler ce composé de scandio, et comme d'autres, des nomenclatures systématiques, en stock et traditionnelles sont utilisées.
Le SC2SOIT3 Il s'agit alors d'oxyde de scandio, selon la nomenclature des stocks, omettant le (iii) (bien qu'il ne s'agisse pas de son seul état d'oxydation possible); Oxyde Scandic, avec le suffixe -ico à la fin du nom selon la nomenclature traditionnelle; et le trioxyde diescondio, obéissant aux règles des préfixes numériques grecs de la nomenclature systématique.
Papier biologique
Le scandio, pour le moment, manque de papier biologique défini. C'est-à-dire qu'on ne sait pas comment le corps peut s'accumuler ou assimiler les ions SC3+; Quelles enzymes spécifiques peuvent l'utiliser comme cofacteur, s'il exerce une influence, bien que similaire, aux ions CA2+ ou la foi3+.
Il est connu, cependant, que les ions scolaires3+ Ils exercent des effets antibactériens éventuellement lorsqu'ils interfèrent avec le métabolisme des ions de foi3+.
Certaines études statistiques au sein de la médecine la relie éventuellement aux troubles de l'estomac, à l'obésité, au diabète, à la leptoméningite cérébrale et à d'autres maladies; Mais sans résultats.
De plus, les plantes n'accumulent généralement pas des quantités appréciables de scandio dans leurs feuilles ou leurs tiges, mais dans leurs racines et nodules. Par conséquent, on peut faire valoir que sa concentration dans la biomasse est médiocre, indiquant peu de participation à ses fonctions physiologiques et, par conséquent, finit par s'accumuler davantage dans les sols.
Où est et la production
Minéraux et étoiles
Le scandio n'est peut-être pas aussi abondant que d'autres éléments chimiques, mais sa présence dans la croûte terrestre dépasse celle du mercure et de certains métaux précieux. En fait, son abondance s'approche de celle de Cobalt et de Beryllium; Pour chaque tonne de rochers, 22 grammes de scandio peuvent être extraits.
Peut vous servir: solides cristallins: structure, propriétés, types, exemplesLe problème est que leurs atomes ne sont pas localisés mais dispersés; c'est-à-dire qu'il n'y a pas de minéraux précisément riches en scandio dans sa composition de masse. Par conséquent, il est dit qu'il n'a aucune préférence pour aucun des formateurs minéraux typiques (comme le carbonate, le CO32-, ou sulfure, s2-).
Ce n'est pas dans son état le plus pur. Votre oxyde le plus stable, SC n'est pas non plus2SOIT3, qui est combiné avec d'autres métaux ou silicates pour définir les minéraux; comme Thortveitita, Euxenita et Gadolinita.
Ces trois minéraux (rares en eux-mêmes) représentent les principales sources naturelles de Scandio et se trouvent dans les régions de Norvège, d'Islande, de Scandinave et de Madagascar.
Pour le reste, SC ions3+ Ils peuvent être incorporés en tant qu'impuretés dans certaines pierres précieuses, comme l'quiamarine, ou dans les mines d'uranium. Et dans le ciel, dans les étoiles, cet élément occupe le numéro 23 en abondance; assez haut si vous considérez le cosmos entier.
Déchets et déchets industriels
Il vient juste de dire que le scandio peut également être trouvé comme impureté. Par exemple, il se trouve dans les pigments Tio2; dans les déchets de traitement de l'uranium, ainsi que dans ses minéraux radioactifs; et dans le gaspillage de la bauxite dans la production d'aluminium métallique.
De même, c'est en nickel et en cobalt tardif, ce dernier étant une source prometteuse de Scandio à l'avenir.
Réduction métallurgique
Les énormes difficultés autour de l'extraction du Scandio, et qu'ils ont retardé tant que leur objet à l'état indigène ou métallique était due au SC2SOIT3 Il est difficile de réduire; encore plus que l'oncle2, pour montrer le SC3+ Une plus grande affinité que TI4+ vers le o2- (en supposant un caractère ionique à 100% dans ses oxydes respectifs).
C'est-à-dire qu'il est plus facile d'éliminer l'oxygène de l'oncle2 que à SC2SOIT3 avec un bon agent réducteur (généralement du charbon ou des métaux alcalins ou alcaliner). C'est pourquoi le SC2SOIT3 Il se transforme d'abord en un composé dont la réduction est moins problématique; Comme le fluorure de scandio, SCF3. Ensuite, le SCF3 Il est réduit avec du calcium métallique:
2SCF3(s) + 3ca (s) => 2sc (s) + 3Caf2(S)
Le SC2SOIT3 ou il provient des minéraux susmentionnés, ou c'est un sous-produit des extractions d'autres éléments (comme l'uranium et le fer). C'est la forme commerciale du Scandio, et sa faible production annuelle (15 tonnes) reflète les coûts de traitement élevés, en plus de ceux de son extraction des roches.
Électrolyse
Une autre méthode pour produire Scandio consiste d'abord à obtenir votre sel de chlorure, SCCL3, puis le soumettre à l'électrolyse. Ainsi, dans une électrode, il y a un scandio métallique (comme une éponge), et dans l'autre chlore gazeux.
Réactions
Anfotérisme
Le Scandio partage non seulement avec l'aluminium les caractéristiques d'être des métaux légers, mais aussi un anfotérique; c'est-à-dire qu'ils se comportent comme des acides et des bases.
Par exemple, il réagit, comme de nombreux autres métaux de transition, avec des acides forts pour produire des sels et des gaz hydrogène:
2sc (s) + 6hcl (ac) => 2sccl3(AC) + 3H2(g)
Ce faisant, il se comporte comme une base (réagit avec le HCL). Mais, de la même manière qu'il réagit avec des bases fortes, comme l'hydroxyde de sodium:
2sc (s) + 6naoh (ac) + 6H2Ou (l) => 2na3SC (OH)6(AC) + 3H2(g)
Et maintenant, il se comporte comme un acide (il réagit avec le NaOH), pour former un sel de scandale; Le sodium, na3SC (OH)6, Avec l'anion scandale, SC (OH)63-.
Oxydation
Lorsqu'il est exposé à l'air, le scandio commence à oxyder son oxyde respectif. La réaction est accélérée et auto-formée si une source de chaleur est utilisée. Cette réaction est représentée avec l'équation chimique suivante:
4sc (s) + 3o2(g) => 2SC2SOIT3(S)
Halogénuros
Le scandio réagit avec tous les halogènes pour former des halogénuros de formule de chimie générale SCX3 (X = f, cl, br, etc.).
Par exemple, réagissez avec l'iode selon l'équation suivante:
2sc (s) + 3i2(g) => 2SCI3(S)
De la même manière qu'il réagit avec le chlore, le brome et le fluorure.
Formation d'hydroxyde
Le scandio métallique peut se dissoudre dans l'eau pour provoquer son hydroxyde respectif et son hydrogène gazeux:
2SC (S) + 6H2Ou (l) => 2sc (oh)3(s) + h2(g)
Hydrolyse acide
Complexes aqueux [SC (H2SOIT)6]]3+ Ils peuvent hydrolyser de telle manière qu'ils finissent par former SC- (OH) -SC, jusqu'à définir un cluster avec trois atomes de scandio.
Des risques
Il est inconnu, en plus de son rôle biologique, quels sont exactement les effets physiologiques et toxicologiques du Scandio.
Dans sa forme élémentaire, on pense qu'elle n'est pas toxique, à moins que son solide finement divisé ne soit inhalé et endommage ainsi les poumons. De même, leurs composés sont attribués à la toxicité nulle, donc l'apport de leurs sels en théorie ne devrait représenter aucun risque; tant que la dose n'est pas élevée (testée chez le rat).
Peut vous servir: pression de vapeur: concept, exemples et exercices résolusCependant, les données liées à ces aspects sont très limitées. Par conséquent, on ne peut pas supposer qu'aucun des composés de scandio n'est vraiment non toxique; Encore moins si le métal peut s'accumuler dans les sols et les eaux, puis se déplacer vers les plantes, et dans une moindre mesure, vers les animaux.
Pour les moments, le Scandio ne représente pas encore un risque palpable par rapport aux métaux plus lourds; comme le cadmium, le mercure et le plomb.
Applications
Alliages
Bien que le prix du Scandio soit élevé par rapport à d'autres métaux tels que Titanium ou Ittrio, ses applications finissent par utiliser les efforts et les investissements. L'un d'eux est de l'utiliser comme additif pour les alliages d'aluminium.
De cette façon, les alliages SC-A (et autres métaux) conservent leur légèreté, mais ils deviennent encore plus résistants à la corrosion et à des températures élevées (elles ne se fissurent pas) et sont aussi fortes que le titane.
Il est possible que le Scandio ait sur ces alliages, qu'il suffit de l'ajouter en quantités de traces (moins de 0,5% en masse) afin que ses propriétés s'améliorent considérablement sans observer une augmentation appréciable de son poids. On dit que, s'il est utilisé massivement un jour, cela pourrait réduire le poids des avions de 15 à 20%.
De même, les alliages de scandio ont été utilisés pour les cadres des revolvers, ou pour la fabrication d'articles de sport, tels que les chauves-souris de baseball, les vélos spéciaux, les anches de pêche, les bâtons de golf, etc.; Bien que les alliages de titane les remplacent généralement par être moins cher.
Le plus connu de ces alliages est l'ALvingtLivingtMgdixSCvingtToi30, qui est tout aussi fort que le titane, aussi léger que l'aluminium et dur que la céramique.
Impressions 3D
Les alliages SC-Al ont été utilisés pour faire des impressions 3D métalliques, dans le but de placer ou d'ajouter des couches d'entre elles sur un solide prééché.
Illuminations du stade
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Scandio Yoduro, Sci3, Il est ajouté (avec l'iodure de sodium) aux lampes de vapeur de mercure pour créer des lumières artificielles qui imitent celle du soleil. C'est pourquoi dans les stades ou certains terrains de sport, même la nuit, l'éclairage en eux est tel qu'ils donnent le sentiment d'observer un jeu en pleine journée.
Des effets similaires ont été alloués aux appareils électriques tels que les caméras numériques, les écrans de télévision ou les moniteurs informatiques. Aussi, les phares avec ces lampes de science3-HG a été dans des studios de cinéma et de télévision.
Batteries de carburant à oxyde solide
SOFC, pour son acronyme en anglais (pile à combustible à oxyde solide) utilise un oxyde ou une céramique comme milieu électrolytique; Dans ce cas, un solide qui contient des ions scandio. Son utilisation dans ces appareils est due à sa grande conductivité électrique et à sa capacité à stabiliser les augmentations de température; Ils travaillent donc sans chauffer à haut degré.
Un exemple de de ces oxydes solides est la zirconite stabilisée avec Scandio (en forme de SC2SOIT3, encore une fois).
Céramique
Scandio et Titanium Carbide constituent une céramique de dureté exceptionnelle, uniquement surmontée par celle des diamants. Cependant, son utilisation est limitée aux matériaux avec des applications très avancées.
Cristaux de coordination organique
Ions scolaires3+ Ils peuvent se coordonner avec plusieurs ligands organiques, surtout s'ils sont des molécules oxygénées.
En effet, les liaisons SC-O formées sont très stables, et finissent donc par construire des cristaux avec des structures incroyables, dont les pores peuvent être déclenchés des réactions chimiques, se comportant comme des catalyseurs hétérogènes; ou hôte des molécules neutres, se comportant comme un stockage solide.
De même, de tels cristaux de cristal de cristal de pleurs organiques peuvent être utilisés pour concevoir des matériaux sensoriels, des tamis moléculaires ou des conducteurs d'ions.
Les références
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- Historique, structure, propriétés, réactions et utilisations du strontium »