SCANDIO: STORIA, PROPRIETÀ, REAZIONI, RISCHI E USI - CHIMICA - 2024

Lo scandio è un metallo di transizione il cui simbolo chimico è Sc è il primo dei metalli di transizione nella tavola periodica, ma è anche uno degli elementi delle terre rare meno comuni .; Sebbene le sue proprietà possano assomigliare a quelle dei lantanidi, non tutti gli autori approvano la classificazione in questo modo.

A livello popolare, è un elemento chimico che passa inosservato. Il suo nome, nato dai minerali delle terre rare provenienti dalla Scandinavia, può essere corrente accanto al rame, al ferro o all'oro. Tuttavia, è ancora impressionante e le proprietà fisiche delle sue leghe possono competere con quelle del titanio.

Campione di scandio elementare ultrapuro. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

Inoltre, si stanno compiendo sempre più passi nel mondo della tecnologia, soprattutto in termini di illuminazione e laser. Chiunque abbia osservato un faro irradiare una luce simile a quella del sole, avrà assistito indirettamente all'esistenza dello scandio. Altrimenti, è un elemento promettente per la produzione di aeromobili.

Il problema principale che deve affrontare il mercato dello scandio è che è ampiamente disperso e non ci sono minerali o fonti ricche di esso; quindi la sua estrazione è costosa, anche quando non è un metallo con scarsa abbondanza nella crosta terrestre. In natura si trova come suo ossido, un solido che non si riduce facilmente.

In gran parte dei suoi composti, inorganici o organici, partecipa al legame con un numero di ossidazione di +3; cioè, assumendo la presenza del catione Sc ³⁺ . Lo scandio è un acido relativamente forte e può formare legami di coordinazione molto stabili con gli atomi di ossigeno delle molecole organiche.

Storia

Lo scandio è stato riconosciuto come elemento chimico nel 1879 dal chimico svizzero Lars F. Nilson. Ha lavorato con i minerali euxenite e gadolinite con l'intento di ottenere l'ittrio in essi contenuto. Ha scoperto che c'era un elemento sconosciuto nelle loro tracce grazie allo studio dell'analisi spettroscopica (spettro di emissione atomica).

Dai minerali, lui e il suo team sono riusciti ad ottenere il rispettivo ossido di scandio, nome ricevuto per aver sicuramente raccolto campioni dalla Scandinavia; minerali che a quel tempo erano chiamati terre rare.

Tuttavia, otto anni prima, nel 1871, Dmitri Mendeleev aveva predetto l'esistenza dello scandio; ma con il nome di ekaboro, che significava che le sue proprietà chimiche erano simili a quelle del boro.

Ed è stato infatti il ​​chimico svizzero Per Teodor Cleve ad attribuire lo scandio a ekaboro, essendo quindi lo stesso elemento chimico. Nello specifico, quello che inizia il blocco dei metalli di transizione nella tavola periodica.

Passarono molti anni quando nel 1937, Werner Fischer ed i suoi collaboratori, riuscirono ad isolare lo scandio metallico (ma impuro), mediante l'elettrolisi di una miscela di cloruri di potassio, litio e scandio. Non è stato fino al 1960 che è stato finalmente possibile ottenerlo con una purezza intorno al 99%.

Struttura e configurazione elettronica

Lo scandio elementare (nativo e puro) può cristallizzarsi in due strutture (allotropi): l'esagono compatto (hcp) e il cubico centrato sul corpo (bcc). La prima viene solitamente definita fase α e la seconda fase β.

La fase α esagonale più densa è stabile a temperatura ambiente; mentre la fase β cubica meno densa è stabile sopra i 1337 ºC. Pertanto, a quest'ultima temperatura avviene una transizione tra entrambe le fasi o allotropi (nel caso dei metalli).

Si noti che sebbene lo scandio cristallizzi normalmente in un solido hcp, non lo rende un metallo molto denso; almeno, sì più dell'alluminio. Dalla sua configurazione elettronica si può sapere quali elettroni partecipano normalmente al suo legame metallico:

3d ¹ 4 s ²

Pertanto, i tre elettroni degli orbitali 3d e 4s intervengono nel modo in cui gli atomi Sc si trovano nel cristallo.

Per compattarsi in un cristallo esagonale, l'attrazione dei loro nuclei deve essere tale che questi tre elettroni, debolmente schermati dagli elettroni dei gusci interni, non si allontanino troppo dagli atomi Sc e, di conseguenza, le distanze tra di loro si restringano.

Fase ad alta pressione

Le fasi α e β sono associate a variazioni di temperatura; tuttavia esiste una fase tetragonale, simile a quella del niobio metallico, Nb, che si ha quando lo scandio metallico subisce una pressione maggiore di 20 GPa.

Numeri di ossidazione

Lo scandio può perdere fino a un massimo dei suoi tre elettroni di valenza (3d ¹ 4s ² ). In teoria, i primi ad "andare" sono quelli nell'orbitale 4s.

Quindi, assumendo l'esistenza del catione Sc ⁺ nel composto, il suo numero di ossidazione è +1; che equivale a dire che ha perso un elettrone dall'orbitale 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Se è Sc ²⁺ , il suo numero di ossidazione sarà +2 e avrà perso due elettroni (3d ¹ 4s ⁰ ); e se è Sc ³⁺ , il più stabile di questi cationi, avrà un numero di ossidazione di +3 ed è isoelettronico all'argon.

In breve, i loro numeri di ossidazione sono: +1, +2 e +3. Ad esempio, in Sc ₂ O ₃ il numero di ossidazione dello scandio è +3 perché si presume l'esistenza di Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ).

Proprietà

Aspetto fisico

È un metallo bianco argenteo nella sua forma pura ed elementare, con una consistenza morbida e liscia. Acquisisce tonalità rosa-giallastre quando inizia a coprirsi con uno strato di ossido (Sc ₂ O ₃ ).

Massa molare

44,955 g / mol.

Punto di fusione

1541 ° C.

Punto di ebollizione

2836 ° C.

Capacità termica molare

25,52 J / (mol · K).

Calore di fusione

14,1 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

332,7 kJ / mol.

Conduttività termica

66 µΩ · cm a 20 ° C.

Densità

2,985 g / mL, solido e 2,80 g / mL, liquido. Si noti che la sua densità allo stato solido è vicina a quella dell'alluminio (2,70 g / mL), il che significa che entrambi i metalli sono molto leggeri; ma lo scandio fonde a una temperatura più alta (il punto di fusione dell'alluminio è 660,3 ºC).

elettronegatività

1.36 della scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ gassoso).

Secondo: 1235,0 kJ / mol (Sc ²⁺ gassoso).

Terzo: 2388,6 kJ / mol ( gas Sc ³⁺ ).

Radio atomica

162 pm.

Ordine magnetico

Paramagnetica.

isotopi

Di tutti gli isotopi dello scandio, ⁴⁵ Sc occupa quasi il 100% dell'abbondanza totale (questo si riflette nel suo peso atomico molto vicino a 45 u).

Gli altri sono costituiti da radioisotopi con diverse emivite; come ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 giorni), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 giorni), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 ore) e ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 ore). Altri radioisotopi hanno t _{1/2 in} meno di 4 ore.

Acidità

Il catione Sc ³⁺ è un acido relativamente forte. Ad esempio, in acqua può formare il complesso acquoso ³⁺ , che a sua volta può portare il pH ad un valore inferiore a 7, per il fatto che genera ioni H ₃ O ⁺ come prodotto della sua idrolisi:

³⁺ (aq) + H ₂ O (l) <=> ²⁺ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

L'acidità dello scandio può essere interpretata anche secondo la definizione di Lewis: ha un'elevata tendenza ad accettare elettroni e, quindi, a formare complessi di coordinazione.

Numero di coordinazione

Una proprietà importante dello scandio è che il suo numero di coordinazione, nella maggior parte dei suoi composti, strutture o cristalli organici inorganici, è 6; significa che Sc è circondato da sei vicini (o forma sei legami). Sopra, il complesso acquoso ³⁺ è l'esempio più semplice di tutti.

Nei cristalli, i centri di Sc sono ottaedrici; interagendo con altri ioni (nei solidi ionici) o con atomi neutri legati in modo covalente (nei solidi covalenti).

Un esempio di quest'ultimo abbiamo al, che forma una struttura a catena con i gruppi AcO (acetilossi o acetossi) che agiscono come ponti tra gli atomi di Sc.

Nomenclatura

Poiché quasi per impostazione predefinita il numero di ossidazione dello scandio nella maggior parte dei suoi composti è +3, è considerato unico e la nomenclatura è quindi notevolmente semplificata; molto simile come accade con i metalli alcalini o l'alluminio stesso.

Ad esempio, considera il suo ossido, Sc ₂ O ₃ . La stessa formula chimica indica in anticipo lo stato di ossidazione di +3 per lo scandio. Pertanto, per chiamare questo composto scandio, e come altri, vengono utilizzate le nomenclature sistematiche, stock e tradizionali.

Sc ₂ O ₃ è quindi ossido di scandio, secondo la nomenclatura stock, omettendo (III) (sebbene non sia il suo unico possibile stato di ossidazione); ossido scandico, con il suffisso –ico alla fine del nome secondo la nomenclatura tradizionale; e triossido di diescandium, obbedendo alle regole dei prefissi numerici greci della nomenclatura sistematica.

Ruolo biologico

Lo scandio, per il momento, manca di un ruolo biologico definito. Cioè, non è noto come il corpo possa accumulare o assimilare gli ioni Sc ³⁺ ; quali specifici enzimi possono utilizzarlo come cofattore, se esercita un'influenza sulle cellule, seppur simile, agli ioni Ca ²⁺ o Fe ³⁺ .

È noto, tuttavia, che gli ioni Sc ³⁺ esercitano effetti antibatterici possibilmente interferendo con il metabolismo degli ioni Fe ³⁺ .

Alcuni studi statistici all'interno della medicina possono collegarlo a disturbi di stomaco, obesità, diabete, leptomeningite cerebrale e altre malattie; ma senza risultati sufficientemente illuminanti.

Allo stesso modo, le piante di solito non accumulano quantità apprezzabili di scandio nelle foglie o negli steli, ma nelle radici e nei noduli. Pertanto, si può sostenere che la sua concentrazione nella biomassa è scarsa, indice di una scarsa partecipazione alle sue funzioni fisiologiche e, di conseguenza, finisce per accumularsi di più nei suoli.

Dove trovare e produzione

Minerali e stelle

Lo scandio potrebbe non essere abbondante come altri elementi chimici, ma la sua presenza nella crosta terrestre supera quella del mercurio e di alcuni metalli preziosi. In effetti, la sua abbondanza si avvicina a quella del cobalto e del berillio; Per ogni tonnellata di rocce si possono estrarre 22 grammi di scandio.

Il problema è che i loro atomi non sono localizzati ma sparsi; cioè, non ci sono minerali che siano precisamente ricchi di scandio nella loro composizione di massa. Pertanto, si dice che non abbia preferenze per nessuno dei tipici anioni che formano minerali (come carbonato, CO ₃ ^2- o solfuro, S ^2- ).

Non è allo stato puro. Né è il suo ossido più stabile, Sc ₂ O ₃ , che si combina con altri metalli o silicati per definire i minerali; come thortveitite, euxenite e gadolinite.

Questi tre minerali (di per sé rari) rappresentano le principali fonti naturali di scandio e si trovano nelle regioni della Norvegia, Islanda, Scandinavia e Madagascar.

Altrimenti, gli ioni Sc ³⁺ possono essere incorporati come impurità in alcune pietre preziose, come l'acquamarina, o nelle miniere di uranio. E nel cielo, all'interno delle stelle, questo elemento è classificato al numero 23 in abbondanza; abbastanza alto se si considera l'intero Cosmo.

Rifiuti industriali e rifiuti

È stato appena detto che lo scandio può anche essere trovato come impurità. Ad esempio, si trova nei pigmenti TiO ₂ ; nei rifiuti della lavorazione dell'uranio, nonché dei suoi minerali radioattivi; e nei residui di bauxite nella produzione di alluminio metallico.

Si trova anche nelle lateriti di nichel e cobalto, essendo quest'ultima una promettente fonte di scandio in futuro.

Riduzione metallurgica

Le enormi difficoltà che circondano l'estrazione dello scandio, che impiegò così tanto tempo per ottenere allo stato nativo o metallico, erano dovute al fatto che Sc ₂ O ₃ è difficile da ridurre; anche più di TiO ₂ , poiché Sc ^{3+ mostra} una maggiore affinità di Ti ⁴⁺ verso O ^2- (assumendo il 100% di carattere ionico nei rispettivi ossidi).

Cioè, è più facile deossigenare TiO ₂ rispetto a Sc ₂ O ₃ con un buon agente riducente (tipicamente carbonio o metalli alcalini o alcalino terrosi). Ecco perché Sc ₂ O ₃ viene prima trasformato in un composto la cui riduzione è meno problematica; come fluoruro di scandio, ScF ₃ . Successivamente, ScF ₃ viene ridotto con calcio metallico:

2ScF ₃ (s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaF ₂ (s)

Sc ₂ O ₃ o proviene dai minerali già menzionati, oppure è un sottoprodotto delle estrazioni di altri elementi (come l'uranio e il ferro). È la forma commerciale dello scandio, e la sua bassa produzione annua (15 tonnellate) riflette gli alti costi di lavorazione, oltre alla sua estrazione dalle rocce.

Elettrolisi

Un altro metodo per produrre scandio consiste nell'ottenere prima il suo sale cloruro, ScCl ₃ , e poi sottoporlo a elettrolisi. Pertanto, lo scandio metallico viene prodotto in un elettrodo (come una spugna) e il gas cloro viene prodotto nell'altro.

reazioni

Amphotericism

Lo scandio non solo condivide con l'alluminio le caratteristiche di essere metalli leggeri, ma è anche anfotero; cioè si comportano come acidi e basi.

Ad esempio, reagisce, come molti altri metalli di transizione, con acidi forti per produrre sali e idrogeno gassoso:

2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (g)

In tal modo, si comporta come una base (reagisce con HCl). Ma, allo stesso modo reagisce con basi forti, come l'idrossido di sodio:

2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6H ₂ O (l) => 2Na ₃ Sc (OH) ₆ (aq) + 3H ₂ (g)

E ora si comporta come un acido (reagisce con NaOH), per formare un sale scandato; quello del sodio, Na ₃ Sc (OH) ₆ , con l'anione scandato, Sc (OH) ₆ ^3- .

Ossidazione

Quando esposto all'aria, lo scandio inizia a ossidarsi nel suo rispettivo ossido. La reazione viene accelerata e autocatalizzata se viene utilizzata una fonte di calore. Questa reazione è rappresentata dalla seguente equazione chimica:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

alogenuri

Lo scandio reagisce con tutti gli alogeni per formare alogenuri della formula chimica generale ScX ₃ (X = F, Cl, Br, ecc.).

Ad esempio, reagisce con lo iodio secondo la seguente equazione:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Allo stesso modo reagisce con cloro, bromo e fluoro.

Formazione di idrossido

Lo scandio metallico può dissolversi in acqua per produrre i suoi rispettivi idrossido e idrogeno gassoso:

2Sc (s) + 6H ₂ O (l) => 2Sc (OH) ₃ (s) + H ₂ (g)

Idrolisi acida

I complessi acquosi ³⁺ possono essere idrolizzati in modo tale da formare ponti Sc- (OH) -Sc, per definire un cluster con tre atomi di scandio.

rischi

Oltre al suo ruolo biologico, gli esatti effetti fisiologici e tossicologici dello scandio sono sconosciuti.

Nella sua forma elementare si ritiene che non sia tossico, a meno che il suo solido finemente suddiviso non venga inalato, causando così danni ai polmoni. Allo stesso modo, ai suoi composti viene attribuita una tossicità zero, quindi l'ingestione dei loro sali in teoria non dovrebbe rappresentare alcun rischio; fintanto che la dose non è elevata (testata sui ratti).

Tuttavia, i dati relativi a questi aspetti sono molto limitati. Pertanto, non si può presumere che nessuno dei composti di scandio sia veramente non tossico; ancor meno se il metallo può accumularsi nel suolo e nelle acque, passando poi alle piante e, in misura minore, agli animali.

Al momento, lo scandio non rappresenta ancora un rischio palpabile rispetto ai metalli più pesanti; come cadmio, mercurio e piombo.

applicazioni

leghe

Sebbene il prezzo dello scandio sia elevato rispetto ad altri metalli come il titanio o l'ittrio stesso, le sue applicazioni finiscono per valere gli sforzi e gli investimenti. Uno di questi è usarlo come additivo per le leghe di alluminio.

In questo modo le leghe Sc-Al (e altri metalli) mantengono la loro leggerezza, ma diventano ancora più resistenti alla corrosione, alle alte temperature (non si incrinano), e sono forti come il titanio.

Tanto è l'effetto che lo scandio ha su queste leghe che è sufficiente aggiungerlo in tracce (meno dello 0,5% in massa) perché le sue proprietà migliorino drasticamente senza osservare un apprezzabile aumento del suo peso. Si dice che se utilizzato in modo massiccio un giorno, potrebbe ridurre il peso dell'aereo del 15-20%.

Allo stesso modo, le leghe di scandio sono state utilizzate per i telai di revolver, o per la fabbricazione di articoli sportivi, come mazze da baseball, biciclette speciali, canne da pesca, mazze da golf, ecc .; anche se le leghe di titanio tendono a sostituirle perché sono più economiche.

La più nota di queste leghe è Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , che è forte come il titanio, leggera come l'alluminio e dura come la ceramica.

Stampa 3D

Le leghe Sc-Al sono state utilizzate per realizzare stampe 3D metalliche, al fine di posizionarne o aggiungerne strati su un solido preselezionato.

Illuminazioni dello stadio

I fari negli stadi imitano la luce solare grazie all'azione dello ioduro di scandio insieme ai vapori di mercurio. Fonte: Pexels.

Lo ioduro di scandio, ScI ₃ , viene aggiunto (insieme allo ioduro di sodio) alle lampade a vapori di mercurio per creare luci artificiali che imitano il sole. Ecco perché negli stadi o in alcuni campi sportivi, anche di notte, l'illuminazione al loro interno è tale da dare la sensazione di guardare una partita in pieno giorno.

Effetti simili sono stati utilizzati per dispositivi elettrici come fotocamere digitali, schermi televisivi o monitor di computer. Allo stesso modo, i fari con tali lampade _3- Hg ScI sono stati posizionati negli studi cinematografici e televisivi.

Celle a combustibile ad ossido solido

SOFC, per il suo acronimo in inglese (solid oxide fuel cell) utilizza un ossido o una ceramica come mezzo elettrolitico; in questo caso, un solido che contiene ioni scandio. Il suo utilizzo in questi dispositivi è dovuto alla sua grande conduttività elettrica e alla capacità di stabilizzare gli aumenti di temperatura; quindi funzionano senza surriscaldarsi.

Un esempio di uno di questi ossidi solidi è la zirconite stabilizzata con scandio (come Sc ₂ O ₃ , ancora una volta).

Ceramica

Il carburo di scandio e il titanio compongono una ceramica di eccezionale durezza, seconda solo a quella dei diamanti. Tuttavia, il suo utilizzo è limitato a materiali con applicazioni molto avanzate.

Cristalli organici di coordinazione

Gli ioni Sc ³⁺ possono coordinarsi con più ligandi organici, specialmente se sono molecole ossigenate.

Questo perché i legami Sc-O che si formano sono molto stabili, e quindi finiscono per costruire cristalli con strutture sorprendenti, nei cui pori si possono innescare reazioni chimiche, comportandosi come catalizzatori eterogenei; o per ospitare molecole neutre, comportandosi come un solido deposito.

Allo stesso modo, tali cristalli di coordinazione di scandio organico possono essere utilizzati per progettare materiali sensoriali, setacci molecolari o conduttori di ioni.

Riferimenti

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