HISTOIRE SCANDIO, PROPRIÉTÉS, RÉACTIONS, RISQUES ET UTILISATIONS

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.

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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.

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En 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⁺SOIT₃^2-).

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 cinq}SC 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 (T_1/2 = 83,8 jours), ⁴⁷SC (t_1/2 = 3,35 jours), ⁴⁴SC (t_1/2 = 4 heures), et ⁴⁸SC (T_1/2 = 43,7 heures). D'autres radio-isotopes ont t_1/2 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.

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Le 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 CO₃^2-, ou sulfure, s^2-).

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 o^2- (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)₆^3-.

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).

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Cependant, 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'AL_vingtLi_vingtMg_dixSC_vingtToi₃₀, 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

Les lumières de la lumière dans les étapes imitent la lumière du soleil grâce à l'action de l'iodure de scandio à côté des vapeurs de mercure. Source: Pexels.

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

1. Irina shtngeeva. (2004). Scandium. Université d'État de Saint-Pétersbourg Saint-Pétersbourg. Récupéré de: Researchgate.filet
2. Wikipédia. (2019). Scandium. Récupéré de: dans.Wikipédia.org
3. Les éditeurs d'Enyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Récupéré de: Britannica.com
4. Docteur. Doug Stewart. (2019). Faits d'élément de scandium. Chimicool. Récupéré de: Chemicool.com
5. Escalader. (2018). Scandium. Récupéré de: projection d'échelle.UE
6. Helmestine, Anne Marie, Ph.D. (3 juillet 2019). Un aperçu du scandium. Récupéré de: Thoughtco.com
7. Kist, un.POUR., Zhuk, L.Toi., Danilova, e.POUR., & Makhmudov, et.POUR. (2012). Sur la question du rôle biologique du scandium. Récupéré de: inis.AIEA.org
8. W.POUR.Grosshans, et.K.Vohra & w.B.Holzapfel. (1982). Transports de phase à haute pression dans Yttrium et Scandium: Relation avec les terres rares et les actinides Structures cristallines. Journal of Magnétisme et Matériaux magnétiques Volume 29, numéros 1-3, pages 282-286 DOI.org / 10.1016 / 0304-8853 (82) 90251-7
9. Marina ou. Barsukova et al. (2018). Cadres scandium-organiques: progrès et perspectives. Russ. Chem. Tour. 87 1139.
10. Réseau d'investissement. (11 novembre 2014). Applications de scandium: un aperçu. Aime Medium Inc. Récupéré de: InvestirNews.com