СКАНДІЯ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, РЕАКЦІЇ, РИЗИКИ ТА ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Скандію являє собою перехідний метал, хімічний символ Sc є першим з перехідних металів в періодичній таблиці, але також є одним з найменш поширених рідкоземельних елементів.; Хоча його властивості можуть нагадувати властивості лантанідів, не всі автори схвалюють його класифікацію таким чином.

На популярному рівні це хімічний елемент, який залишається непоміченим. Його ім'я, народжене від рідкоземельних мінералів Скандинавії, може поширюватися поруч з міддю, залізом або золотом. Однак він все ще вражає, і фізичні властивості його сплавів можуть конкурувати з титановими.

Ультрачистий зразок елементарного скандію. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Також все більше кроків робиться у світі технологій, особливо щодо освітлення та лазерів. Кожен, хто спостерігав за маяком, що випромінює світло, подібне до сонця, буде опосередковано свідком існування скандію. В іншому випадку це перспективний предмет для виробництва літаків.

Основна проблема, з якою стикається ринок скандію, полягає в тому, що він широко розповсюджений, і на ньому немає мінералів або багатих джерел; тому його видобуток є дорогим, навіть якщо це не метал з низьким достатнім рівнем земної кори. У природі він зустрічається як його оксид - тверда речовина, яку не можна легко відновити.

Значна частина його сполук, неорганічних чи органічних, бере участь у зв’язку з окислювальним числом +3; тобто припускаючи наявність катіона Sc ³⁺ . Скандій є відносно сильною кислотою, і він може утворювати дуже стійкі координаційні зв’язки з атомами кисню органічних молекул.

Історія

Скандій був визнаний хімічним елементом у 1879 році швейцарським хіміком Ларсом Ф. Нілсоном. Він працював з мінералами еуксенітом і гадолінітом з наміром отримати ітрій, що міститься в них. Він виявив, що в їхніх слідах був невідомий елемент завдяки вивченню спектроскопічного аналізу (спектра атомної емісії).

З корисних копалин йому та його команді вдалося отримати відповідний оксид скандію, назва якого отримав за те, що напевно зібрав зразки зі Скандинавії; корисні копалини, які на той час називали рідкісними землями.

Однак на вісім років раніше, у 1871 році, Дмитро Менделєєв передбачив існування скандію; але з назвою екаборо, що означало, що його хімічні властивості були аналогічні властивостям бору.

І насправді швейцарський хімік Пер Теодор Клів приписував скандій екаборо, таким чином, це той же хімічний елемент. Зокрема, той, що починає блок перехідних металів у періодичній таблиці.

Минуло багато років, коли в 1937 році Вернеру Фішеру та його співробітникам вдалося виділити металевий скандій (але нечистий) за допомогою електролізу суміші хлоридів калію, літію та скандію. Лише в 1960 р. Його можна було нарешті отримати з чистотою близько 99%.

Структура та електронна конфігурація

Елементальний скандій (самородний і чистий) може кристалізуватися в дві структури (алотропи): компактний шестикутний (hcp) і кубічний центр (bcc). Перший зазвичай називається фазою α, а другий β фазою.

Більш щільна, шестикутна α фаза стабільна при температурі навколишнього середовища; тоді як менш щільна кубічна β фаза стабільна вище 1337 ºC. Таким чином, при цій останній температурі відбувається перехід між обома фазами або аллотропами (у випадку з металами).

Зауважте, що хоча скандій звичайно кристалізується у твердій температурі, але це не робить його дуже щільним металом; принаймні, так більше, ніж алюміній. З його електронної конфігурації можна зрозуміти, які електрони зазвичай беруть участь у його металевому зв’язку:

3d ¹ 4s ²

Тому три електрони 3d і 4s орбіталей втручаються в спосіб, в якому розташовані атоми Sc в кристалі.

Для ущільнення в гексагональний кристал притягання їх ядер повинно бути таким, щоб ці три електрони, слабо захищені електронами внутрішніх оболонок, не відходили занадто далеко від атомів Sc і, отже, відстані між ними звужуються.

Фаза високого тиску

Фази α і β пов'язані зі зміною температури; однак, існує тетрагональна фаза, подібна до металевої ніобію, Nb, в результаті якої металевий скандій зазнає тиску більше 20 ГПа.

Окислювальні числа

Скандій може втратити максимум своїх трьох валентних електронів (3d ¹ 4s ² ). Теоретично першими «поїхали» ті, що знаходяться на орбіталі 4-х.

Таким чином, якщо припустити існування катіона Sc ⁺ у сполуці, його число окислення дорівнює +1; це те саме, що говорити про те, що він втратив електрон з орбіталі 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Якщо це Sc ²⁺ , його число окислення складе +2, і він втратить два електрони (3d ¹ 4s ⁰ ); і якщо це Sc ³⁺ , найбільш стійкий з цих катіонів, він матиме окислювальне число +3, і він є ізоелектронним до аргону.

Коротше кажучи, їхні числа окислення: +1, +2 та +3. Наприклад, у Sc ₂ O ₃ число окиснення скандію дорівнює +3, оскільки передбачається існування Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ).

Властивості

Зовнішність

Це сріблясто-білий метал у чистому та стихійному вигляді, з м’якою та гладкою текстурою. Він набуває жовтувато-рожеві тони, коли починає покриватися шаром оксиду (Sc ₂ O ₃ ).

Молярна маса

44,955 г / моль.

Точка плавлення

1541 ° С.

Точка кипіння

2836 ° С.

Молярна теплоємність

25,52 Дж / (моль · К).

Тепло синтезу

14,1 кДж / моль.

Тепло випаровування

332,7 кДж / моль.

Теплопровідність

66 мкОм · см при 20 ° С.

Щільність

2,985 г / мл, твердий і 2,80 г / мл, рідкий. Зауважте, що щільність його твердого тіла близька до щільності алюмінію (2,70 г / мл), що означає, що обидва метали дуже легкі; але скандій плавиться при більш високій температурі (температура плавлення алюмінію - 660,3 ºC).

Електронегативність

1,36 за шкалою Полінга.

Енергії іонізації

По-перше: 633,1 кДж / моль (Sc ⁺ газоподібний).

Другий: 1235,0 кДж / моль (Sc ²⁺ газоподібний).

Третє: 2388,6 кДж / моль ( газ Sc ³⁺ ).

Атомне радіо

162 вечора.

Магнітний порядок

Парамагнітний.

Ізотопи

З усіх ізотопів скандію ⁴⁵ Sc займає майже 100% від загальної кількості (це відображається на його атомній вазі дуже близько 45 мкм).

Інші складаються з радіоізотопів з різним періодом напіврозпаду; наприклад ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 дня), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 дня), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 години) і ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 годин). Інші радіоізотопи мають t _1/2 менше 4 годин.

Кислотність

Катіон Sc ³⁺ є відносно сильною кислотою. Наприклад, у воді він може утворювати водний комплекс ³⁺ , який, у свою чергу, може перетворити pH до значення нижче 7, завдяки тому, що він генерує іони H ₃ O ⁺ як продукт його гідролізу:

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

Кислотність скандію також можна інтерпретувати відповідно до визначення Льюїса: він має високу тенденцію приймати електрони і, отже, утворювати координаційні комплекси.

Координаційний номер

Важливою властивістю скандію є те, що його координаційне число у більшості його неорганічних сполук, структур або органічних кристалів становить 6; це означає, що Ск оточений шістьма сусідами (або утворює шість зв’язків). Вище, складний водний ³⁺ - найпростіший приклад з усіх.

У кристалах центри Sc октаедричні; або взаємодіючи з іншими іонами (в іонних твердих тілах), або з ковалентно пов'язаними нейтральними атомами (у ковалентних твердих тілах).

Прикладом останнього є al, який утворює ланцюгову структуру з групами AcO (ацетилокси або ацетокси), які діють як мости між атомами Sc.

Номенклатура

Оскільки майже за замовчуванням кількість окиснення скандію у більшості його сполук становить +3, це вважається унікальним, і тому номенклатура значно спрощується; дуже схоже, як це відбувається з лужними металами або самим алюмінієм.

Наприклад, розглянемо його оксид, Sc ₂ O ₃ . Ця ж хімічна формула заздалегідь вказує на стан окислення для скандію +3. Таким чином, для називання цього складного скандію, як і інших, використовуються систематичні, фондові та традиційні номенклатури.

Sc ₂ O ₃ - це оксид скандію, відповідно до номенклатури запасів, опускаючи (III) (хоча це не єдиний його можливий стан окислення); скандичний оксид із суфіксом –ico в кінці назви відповідно до традиційної номенклатури; і діоскадієвий триоксид, дотримуючись правил грецьких числових префіксів систематичної номенклатури.

Біологічна роль

На даний момент скандію бракує визначеної біологічної ролі. Тобто невідомо, як організм може накопичувати або засвоювати іони Sc ³⁺ ; які конкретні ферменти можуть використовувати його як кофактор, якщо він чинить вплив на клітини, хоч і схожі на іони Са ²⁺ або Fe ³⁺ .

Однак відомо, що іони Sc ³⁺ чинять антибактеріальні ефекти, можливо, втручаючись у метаболізм іонів Fe ³⁺ .

Деякі статистичні дослідження в медицині, можливо, пов'язують це з розладами шлунка, ожирінням, діабетом, церебральним лептомінгітом та іншими захворюваннями; але без достатньо освітніх результатів.

Так само рослини зазвичай накопичують помітну кількість скандію в своїх листках або стеблах, а в коренях і вузликах. Тому можна стверджувати, що його концентрація в біомасі є поганою, що свідчить про незначну участь у його фізіологічних функціях і, отже, в кінцевому підсумку накопичується більше.

Де знайти і виробництво

Мінерали та зірки

Скандій може бути не таким рясним, як інші хімічні елементи, але його присутність у земній корі перевищує кількість ртуті та деяких дорогоцінних металів. Насправді його чисельність наближається до кількості кобальту та берилію; На кожну тонну гірських порід можна витягти 22 грами скандію.

Проблема полягає в тому, що їхні атоми не розташовані, а розсіяні; тобто не існує мінералів, які точно б багаті скандієм за своїм масовим складом. Тому, як кажуть, немає переваг перед типовими мінералообразующими аніонами (такими як карбонат, CO ₃ ^2- або сульфід, S ^2- ).

Це не в чистому стані. Не є також його найбільш стійким оксидом, Sc ₂ O ₃ , який поєднується з іншими металами або силікатами для визначення мінералів; такі як тортвейтит, ексеніт і гадолініт.

Ці три корисні копалини (рідкісні самі по собі) являють собою основні природні джерела Скандію і є в регіонах Норвегії, Ісландії, Скандинавії та Мадагаскару.

В іншому випадку іони Sc ³⁺ можуть бути включені як домішки в деякі дорогоцінні камені, наприклад, аквамарин або в уранові шахти. А на небі, в межах зірок, цей елемент по численності займає номер 23; досить високий, якщо розглядати весь Космос.

Промислові відходи та відходи

Щойно було сказано, що скандій також може бути визнаний домішкою. Наприклад, він міститься в пігментах TiO ₂ ; у відходи від переробки урану, а також його радіоактивні мінерали; і в залишках бокситу при виробництві металевого алюмінію.

Він також міститься в нікелевих і кобальтових латеритах, останній є перспективним джерелом скандію в майбутньому.

Металургійне скорочення

Величезні труднощі, пов'язані з видобуванням скандію, що знадобилося стільки часу, щоб отримати його в рідному або металевому стані, були пов'язані з тим, що Sc ₂ O ₃ важко зменшити; навіть більше, ніж TiO ₂ , оскільки Sc ^{3+ виявляє} більшу спорідненість, ніж Ti ⁴⁺ до O ^2- (припускаючи 100% іонний характер у відповідних оксидах).

Тобто, де-кисневий TiO ₂ легше знежирити, ніж Sc ₂ O _3, з хорошим відновлювачем (як правило, вуглецем або лугом або лужноземельними металами). Ось чому Sc ₂ O ₃ спочатку перетворюється на сполуку, відновлення якої менш проблематично; наприклад фторид скандію, ScF ₃ . Далі, ScF ₃ знижується металевим кальцієм:

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

Sc ₂ O ₃ походить від уже згаданих мінералів, або є побічним продуктом видобутку інших елементів (таких як уран та залізо). Це комерційна форма скандію, і його низький річний видобуток (15 тонн) відображає високі витрати на переробку, крім видобутку з гірських порід.

Електроліз

Інший спосіб отримання скандію полягає в тому, щоб спочатку отримати його хлоридну сіль ScCl ₃ , а потім піддавати її електролізу. Таким чином, металевий скандій утворюється в одному електроді (як губка), а хлор - в іншому.

Реакції

Амфотеризм

Scandium не тільки поділяє з алюмінієм характеристики легких металів, але вони також є амфотерними; тобто вони поводяться як кислоти та основи.

Наприклад, він реагує, як і багато інших перехідних металів, із сильними кислотами з утворенням солей та водню:

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

При цьому він поводиться як основа (реагує з HCl). Але, таким же чином, він реагує з сильними основами, такими як гідроксид натрію:

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

І тепер він поводиться, як кислота (реагує з NaOH), утворюючи скандальну сіль; вміст натрію, Na ₃ Sc (OH) ₆ , аніон скандату, Sc (OH) ₆ ^3- .

Окислення

Піддаючись впливу повітря, скандій починає окислюватися до відповідного оксиду. Реакцію прискорюють і автокаталізують, якщо використовується джерело тепла. Ця реакція представлена ​​наступним хімічним рівнянням:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Галіди

Скандій реагує з усіма галогенами, утворюючи галогеніди загальної хімічної формули ScX ₃ (X = F, Cl, Br та ін.).

Наприклад, він реагує з йодом згідно з наступним рівнянням:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Таким же чином він реагує з хлором, бромом і фтором.

Утворення гідроксиду

Металевий скандій може розчинятися у воді для отримання відповідного гідроксиду та водню:

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

Кислотний гідроліз

Водні ³⁺ комплекси можна гідролізувати таким чином, що вони закінчують утворювати мости Sc- (OH) -Sc, аж до визначення кластеру з трьома атомами скандію.

Ризики

Окрім його біологічної ролі, невідомі точні фізіологічні та токсикологічні ефекти скандію.

В своїй стихійній формі він вважається нетоксичним, якщо не вдихати його дрібнодисперсну тверду речовину, тим самим спричиняючи пошкодження легенів. Так само його сполукам приписується нульова токсичність, тому прийом їх солей теоретично не повинен становити ніякого ризику; до тих пір, поки доза не буде високою (випробувана на щурах).

Однак дані щодо цих аспектів дуже обмежені. Тому не можна припустити, що будь-яке з сполук скандію є справді нетоксичним; тим більше, якщо метал може накопичуватися у ґрунтах та водах, то передаючи рослинам, а меншою мірою - тваринам.

На даний момент скандій все ще не становить відчутного ризику порівняно з важчими металами; наприклад, кадмію, ртуті та свинцю.

Програми

Сплави

Хоча ціна скандію висока в порівнянні з іншими металами, такими як титан або ітрій, його застосування в кінцевому рахунку варте зусиль та інвестицій. Один з них - використовувати його як добавку до алюмінієвих сплавів.

Таким чином, сплави Sc-Al (та інші метали) зберігають свою легкість, але стають ще більш стійкими до корозії, при високих температурах (вони не тріскаються), і настільки ж міцні, як титан.

Настільки настільки ефект, який скандій має на ці сплави, що його достатньо додати в мікроелементах (менше 0,5 мас.%), Щоб його властивості різко покращилися, не спостерігаючи помітного збільшення ваги. Кажуть, що якщо використовувати його масово один день, це може зменшити вагу літака на 15-20%.

Так само сплави скандію використовували для каркасів револьверів або для виготовлення спортивних виробів, таких як бейсбольні бити, спеціальні велосипеди, вудки, клуби для гольфу тощо; хоча титанові сплави, як правило, замінюють їх, оскільки вони дешевші.

Найбільш відомий з цих сплавів - Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , який міцний як титан, легкий як алюміній і твердий, як керамічний.

3D-друк

Сплави Sc-Al використовувались для виготовлення металевих 3D-відбитків, щоб розмістити або додати їх шари на попередньо вибране тверде тіло.

Ілюмінація стадіону

Маяки на стадіонах імітують сонячне світло завдяки дії йодиду скандію разом із парами ртуті. Джерело: Пікселі.

Йодид скандію, ScI ₃ , додається (разом з йодидом натрію) до ламп з ртутними парами для створення штучних вогнів, що імітують сонце. Ось чому на стадіонах або на деяких спортивних майданчиках, навіть вночі, освітлення всередині них таке, що вони забезпечують відчуття перегляду гри при денному світлі.

Подібні ефекти використовувались для електричних пристроїв, таких як цифрові камери, телевізійні екрани або комп'ютерні монітори. Так само фари з такими _3- Hg ScI-лампами розміщувались у кіно- і телевізійних студіях.

Тверді оксидні паливні елементи

SOFC для своєї абревіатури англійською мовою (твердий оксидний паливний елемент) використовують оксид або кераміку як електролітичне середовище; у цьому випадку тверда речовина, яка містить іони скандію. Його використання в цих пристроях пояснюється великою електропровідністю і здатністю стабілізувати підвищення температури; тому вони працюють без перегріву.

Прикладом одного такого твердого оксиду є стабілізований скандієм цирконіт ( знову ж таки Sc ₂ O ₃ ).

Кераміка

Карбід і титан скандію складають кераміку виняткової твердості, поступаючись лише алмазу. Однак його використання обмежується лише матеріалами з дуже розвиненим застосуванням.

Органічні кристали координації

Іони Sc ³⁺ можуть координувати декілька органічних лігандів, особливо якщо вони є молекулами з киснем.

Це тому, що утворені зв'язки Sc-O дуже стійкі, і тому в результаті утворюються кристали з дивовижними структурами, в порах яких можуть бути запущені хімічні реакції, ведучи себе як гетерогенні каталізатори; або для розміщення нейтральних молекул, ведучи себе як міцне сховище.

Аналогічно, такі органічні кристали координації скандію можуть бути використані для проектування сенсорних матеріалів, молекулярних сит або іонних провідників.

Список літератури

1. Ірина Штангеєва. (2004). Скандія. Санкт-Петербурзький державний університет Санкт-Петербург. Відновлено з: researchgate.net
2. Вікіпедія. (2019). Скандія. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Редактори Encyclopeedia Britannica. (2019). Скандія. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
4. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти скандієвих елементів. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
5. Масштаб. (2018). Скандія. Відновлено з: scale-project.eu
6. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (03 липня 2019 р.). Огляд скандію. Відновлено з: thinkco.com
7. Кіст, А.А., Жук, Л.І., Данилова, Е.А., та Махмудов, Е.А. (2012). До питання про біологічну роль скандію. Відновлено: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Фазові перетворення високого тиску в ітрію та скандії: відношення до рідкісних земель та кристалічних структур актинідів. Журнал магнетизму та магнітних матеріалів Том 29, Випуски 1–3, Сторінки 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Барсукова Марина О. та ін. (2018). Скандійно-органічні рамки: прогрес та перспективи. Русь. Хім., Об. 87 1139.
10. Інвестування мережі новин. (11 листопада 2014 р.). Програми скандію: огляд. Dig Media Inc. Відновлено: investingnews.com