ESCANDI: HISTÒRIA, PROPIETATS, REACCIONS, RISCOS I USOS - QUIMICA - 2026

L' escandi és un metall de transició el símbol químic és el Sc. És el primer dels metalls de transició en la taula periòdica, però també és un dels elements menys comuns de les terres rares; encara que si bé les seves propietats poden semblar-se a la dels lantànids, no tots els autors aproven classificar-lo de tal manera.

A nivell popular és un element químic que passa desapercebut. El seu nom, nascut dels minerals de terres rares provinents d'Escandinàvia, pot corrent a la banda de l'coure, ferro o or. No obstant això, no deixa de ser impressionant, i les propietats físiques dels seus aliatges poden competir amb les de l'titani.

Mostra de escandi elemental ultrapur. Font: Hi-Res Images ofChemical Elements

Així mateix, cada vegada s'obre més pas en el món de la tecnologia, especialment pel que il·luminació i làsers es refereix. Qui hagi observat un far irradiant una llum similar a la d'el sol, hi haurà presenciat indirectament l'existència de l'escandi. Per la resta, és un element prometedor per a la fabricació d'avions.

El principal problema que afronta el mercat de l'escandi és que es troba molt dispersat, i no hi ha minerals o fonts riques de la mateixa; pel que la seva extracció és costosa, tot i que pròpiament no sigui un metall amb baixa abundància en l'escorça terrestre. En la naturalesa es troba com el seu òxid, un sòlid que no pot reduir-se amb facilitat.

En gran part de la seva compostos, inorgànics o orgànics, participa a l'enllaç amb un nombre d'oxidació de +3; és a dir, assumint la presència de l'catió Sc ³⁺. L'escandi és un àcid relativament fort, i pot formar enllaços de coordinació molt estables amb els àtoms d'oxígens de molècules orgàniques.

història

El escandi va ser reconegut com a element químic en 1879, pel químic suís Lars F. Nilson. Treballava amb els minerals euxenita i gadolinita amb la intenció d'obtenir el itri contingut en ells. Va descobrir que hi havia un element desconegut en els seus rastres gràcies a l'estudi de anàlisis espectroscòpiques (espectre d'emissió atòmica).

Dels minerals, el seu equip i ell van aconseguir obtenir el respectiu òxid d'escandi, nom rebut per haver recol·lectat segurament les mostres d'Escandinàvia; minerals que per llavors se'ls deien terres rares.

No obstant això, vuit anys abans, el 1871, Dmitri Mendeleev havia predit l'existència de l'escandi; però amb el nom de ekaboro, la qual cosa significava que les seves propietats químiques eren similars a les de l'bor.

I va ser de fet el químic suís Per Teodor Cleve qui va atribuir l'escandi amb el ekaboro, sent doncs, el mateix element químic. Concretament el que comença el bloc dels metalls de transició en la taula periòdica.

Van transcórrer molts anys quan el 1937, Werner Fischer i els seus col·laboradors, van aconseguir aïllar escandi metàl·lic (però impur), mitjançant l'electròlisi d'una barreja de clorurs de potassi, liti i escandi. No va ser fins 1960 quan finalment va poder obtenérsele amb una puresa al voltant de l'99%.

Estructura i configuració electrònica

El escandi elemental (natiu i pur) pot cristal·litzar en dues estructures (al·lòtrops): l'hexagonal compacta (hcp) i la cúbica centrada en el cos (bcc). La primera solen denominar-la com la fase α, i la segona la fase β.

La fase α, hexagonal i més densa, és estable a temperatures ambients; mentre que la fase β, cúbica i menys densa, és estable per sobre dels 1337 ºC. Així doncs, a aquesta última temperatura ocorre una transició entre les dues fases o al·lòtrops (per al cas dels metalls).

Cal notar que si bé l'escandi cristal·litza normalment en un sòlid hcp, no vol dir que sigui un metall molt dens; a el menys, si més que l'alumini. A partir de la seva configuració electrònica pot conèixer-se què electrons participen d'ordinari en el seu enllaç metàl·lic:

3d ¹ 4s ²

Per tant, els tres electrons dels orbitals 3d i 4s, intervenen en la manera en com es localitzen els àtoms de Sc a la plataforma.

Per compactar-se en un vidre hexagonal, l'atracció dels seus nuclis ha de ser tal que aquests tres electrons, feblement apantallats pels electrons de les capes internes, no s'allunyen massa dels àtoms de Sc i, conseqüentment, s'estrenyen les distàncies entre ells.

Fase a alta pressió

Les fases α i β estan associades a canvis de temperatura; però, hi ha una fase tetragonal, semblant a la de l'metall niobi, Nb, que resulta quan l'escandi metàl·lic pateix una pressió superior als 20 GPa.

Números d'oxidació

El escandi pot perdre fins màxim els seus tres electrons de valència (3d ¹ 4s ²). En teoria, els primers a "anar-se'n" són els de l'orbital 4s.

Així, assumint l'existència d'el catió Sc ⁺ en el compost, el seu nombre d'oxidació és +1; el que és igual a dir a que va perdre un electró de l'orbital 4s (3d ¹ 4s ¹).

Si es tracta del Sc ²⁺, el seu nombre d'oxidació serà +2, i haurà perdut dos electrons (3d ¹ 4s ⁰); i si és el Sc ³⁺, el més estable d'aquests cations, tindrà per nombre d'oxidació el +3, i és isoelectrónico a l'argó.

En resum, els seus números d'oxidació són: +1, +2 i +3. Per exemple, en el Sc ₂ O ₃ el nombre d'oxidació de l'escandi és +3 perquè s'assumeix l'existència d'el Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2-).

propietats

aparença física

És un metall blanc platejat en la seva forma pura i elemental, de textura suau i llisa. Adquireix tonalitats groguenques-rosades quan comença a cobrir-se amb una capa d'òxid (Sc ₂ O ₃).

massa molar

44,955 g / mol.

Punt de fusió

1541 ºC.

Punt d'ebullició

2836 ºC.

Capacitat calorífica molar

25,52 J / (mol · K).

Calor de fusió

14,1 kJ / mol.

Calor de vaporització

332,7 kJ / mol.

conductivitat tèrmica

66 μΩ · cm a 20 ° C.

densitat

2,985 g / ml, sòlid, i 2,80 g / ml, líquid. Cal notar que la seva densitat en estat sòlid s'aproxima a la de l'alumini (2,70 g / ml), el que significa que tots dos metalls són molt lleugers; però l'escandi fon a major temperatura (el punt de fusió de l'alumini és 660,3 ºC).

electronegativitat

1,36 en l'escala de Pauling.

Energies d'ionització

Primera: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ gasós).

Segona: 1235,0 kJ / mol (Sc ^{2 +} gasós).

Tercera: 2388,6 kJ / mol (Sc ³⁺ gasós).

ràdio atòmic

162 pm.

ordre magnètic

Paramagnètic.

isòtops

De tots els isòtops de l'escandi, el ⁴⁵ Sc ocupa gairebé el 100% de l'abundància total (això es reflecteix en el seu pes atòmic molt proper a 45 o).

Els altres, consisteixen de radioisòtops amb diferents temps de vida mitjana; com el ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 dies), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 dies), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 hores), i ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 hores). Altres radioisòtops tenen t _1/2 menors a 4 hores.

acidesa

El catió Sc ³⁺ és un àcid relativament fort. Per exemple, en l'aigua pot formar el complex aquós ³⁺, el qual pot al seu torn tornar el pH a un valor per sota de 7, pel fet que genera ions H ₃ O ⁺ com a producte de la seva hidròlisi:

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

L'acidesa de l'escandi també pot interpretar-se d'acord a la definició de Lewis: té una alta tendència a acceptar electrons i, per tant, a formar complexos de coordinació.

Nombre de coordinació

Una propietat important de l'escandi és que el seu nombre de coordinació, tant en la majoria dels seus compostos inorgànics, estructures o vidres orgànics, es 6; vol dir, que el Sc està envoltat de sis veïns (o forma 6 enllaços). A dalt, el va encunyar complex ³⁺ és l'exemple més simple de tots.

En els vidres, els centres de Sc són octaèdrics; ja sigui interaccionant amb altres ions (en sòlids iònics), o amb àtoms neutres enllaçat covalentment (en sòlids covalents).

Exemple d'aquests últims tenim al, el qual forma estructura de cadena amb els grups ACO (acetiloxi o acetoxi) actuant com a ponts entre els àtoms de Sc.

Nomenclatura

A causa de que gairebé per defecte el nombre d'oxidació de l'escandi en gran part dels seus compostos és +3, aquest es considera com a únic i la nomenclatura per tant es simplifica notablement; molt similar com succeeix amb els metalls alcalins o el mateix alumini.

Per exemple, consideri la seva òxid, Sc ₂ O ₃. La mateixa fórmula química indica per avançat l'estat d'oxidació de +3 per l'escandi. Així doncs, per cridar a aquest compost d'escandi, i a l'igual que d'altres, es recorre a les nomenclatures sistemàtica, estoc i tradicional.

El Sc ₂ O ₃ és llavors l'òxid d'escandi, d'acord a la nomenclatura estoc, ometent el (III) (encara que no sigui el seu únic estat d'oxidació possible); òxid escándico, amb el sufix -ic a la fi de el nom segons la nomenclatura tradicional; i triòxid de diescandio, obeint les regles dels prefixos numèrics grecs de la nomenclatura sistemàtica.

paper biològic

El escandi, de moment, no té paper biològic definit. És a dir, es desconeix com l'organisme pot acumular o assimilar els ions Sc ³⁺; quins enzims en específic poden utilitzar-lo com a cofactor, si s'exerceix en les cèl·lules una influència, encara que semblant, als ions Ca ²⁺ o Fe ³⁺.

Se sap, però, que els ions Sc ³⁺ exerceixen efectes antibacterians possiblement a l'interferir amb el metabolisme dels ions Fe ³⁺.

Alguns estudis estadístics dins de la medicina el vinculen possiblement a trastorns de l'estómac, obesitat, diabetis, leptomeningitis cerebral i altres malalties; però sense resultats prou aclaridors.

Així mateix, les plantes no solen acumular quantitats apreciables d'escandi en les seves fulles o tiges sinó en les seves arrels i nòduls. Per això, es pot argumentar que la seva concentració en la biomassa és pobre, indicatiu d'escassa participació en les seves funcions fisiològiques i, en conseqüència, acaba acumulant-se més en els sòls.

On es troba i producció

Minerals i estrelles

El escandi podrà no ser tan abundant com altres elements químics, però la seva presència en l'escorça terrestre sobrepassa a la de l'mercuri i alguns metalls preciosos. De fet, la seva abundància s'aproxima a la de l'cobalt i beril·li; per cada tona de roques, es poden extreure 22 grams d'escandi.

El problema, és que els seus àtoms no es troben localitzats sinó dispersats; és a dir, no existeixen minerals precisament rics en escandi en la seva composició màssica. Per tant, es diu que no té preferència per cap dels anions típics formadors de minerals (com el carbonat, CO ₃ ^2-, o sulfur, S ^2-).

No es troba en estat pur. Tampoc la seva òxid més estable, Sc ₂ O ₃, el qual es combina amb altres metalls o silicats per definir minerals; com ara la thortveitita, la euxenita i la gadolinita.

Aquests tres minerals (rars de per si) representen les principals fonts naturals d'escandi, i es troben en regions de Noruega, Islàndia, Escandinava i Madagascar.

Per la resta, els ions Sc ³⁺ poden estar incorporats com a impureses en algunes pedres precioses, com la aiguamarina, o en mines d'urani. I en el cel, dins de les estrelles, aquest element ocupa el lloc número 23 en abundància; bastant alt si es considera el Cosmos sencer.

Residus i deixalles industrials

Recentment acaba de dir-se que l'escandi també pot trobar-se com a impuresa. Per exemple, es troba en els pigments de TiO ₂; en les deixalles de processaments d'urani, així com en els seus minerals radioactius; i en els residus de la bauxita en la producció d'alumini metàl·lic.

Així mateix, es troba en lateritas de níquel i cobalt, sent aquestes últimes una prometedora font d'escandi en el futur.

reducció metal·lúrgica

Les tremendes dificultats entorn a l'extracció de l'escandi, i que van demorar tant la seva obtenció en l'estat natiu o metàl·lic, es van deure al fet que el Sc ₂ O ₃ és ardu de reduir; encara més que el TiO ₂, per mostrar el Sc ³⁺ una afinitat més gran que la de l'Tu ⁴⁺ cap a l'O ^2- (assumint un caràcter 100% iònic en els seus òxids respectius).

És a dir, és més fàcil treure-li l'oxigen a l'TiO ₂ que a l'Sc ₂ O ₃ amb un bon agent reductor (típicament carbó o metalls alcalins o alcalinoterris). És per això que el Sc ₂ O ₃ es transforma primer en un compost la reducció sigui menys problemàtica; com el fluorur d'escandi, SCF ₃. Seguidament, el SCF ₃ es redueix amb calci metàl·lic:

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

El Sc ₂ O ₃ o bé prové dels minerals ja esmentats, o és un subproducte de les extraccions d'altres elements (com l'urani i el ferro). És la forma comercial d'l'escandi, i la seva baixa producció anual (15 tones) reflecteix els alts costos de processaments, a més dels de la seva extracció a partir de les roques.

electròlisi

Un altre mètode per produir escandi consisteix el d'obtenir primer la seva sal de clorur, sccl ₃, i després sotmetre-la a electròlisi. Així, en un elèctrode es produeix escandi metàl·lic (com una esponja), i en l'altre clor gasós.

reaccions

Anfoterismo

El escandi no només comparteix amb l'alumini les característiques de ser metalls lleugers, sinó que a més són anfotéricos; és a dir, es comporten com a àcids i bases.

Per exemple, reacciona, a l'igual que molts altres metalls de transició, amb àcids forts per produir sals i gas hidrogen:

2SC (s) + 6HCl (ac) => 2ScCl ₃ (ac) + 3H ₂ (g)

A el fer-ho, es comporta com una base (reacciona amb el HCl). Però, de la mateixa manera reacciona amb les bases fortes, com l'hidròxid de sodi:

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

I ara es comporta com un àcid (reacciona amb el NaOH), per formar una sal de escandato; la de l'sodi, Na ₃ Sc (OH) ₆, amb l'anió escandato, Sc (OH) ₆ ^3-.

oxidació

Quan s'exposa a l'aire, l'escandi comença a oxidar-al seu respectiu òxid. La reacció s'accelera i autocataliza si es fa servir una font de calor. Aquesta reacció es representa amb la següent equació química:

4SC (s) + 3O ₂ (g) => 2SC ₂ O ₃ (s)

halogenurs

El escandi reacciona amb tots els halògens per formar halogenurs de fórmula química general SCX ₃ (X = F, Cl, Br, etc.).

Per exemple, reacciona amb el iode d'acord a la següent equació:

2SC (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

De la mateixa manera reacciona amb el clor, brom i fluor.

Formació d'hidròxid

El escandi metàl·lic pot dissoldre en l'aigua per originar seu respectiu hidròxid i gas hidrogen:

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

hidròlisi àcida

Els complexos aquosos ³⁺ poden hidrolitzar-se de tal manera que acaben formant ponts SC- (OH) -sc, fins a definir un clúster amb tres àtoms d'escandi.

Riscos

Es desconeix, a més del seu paper biològic, quins són exactament els efectes fisiològics i toxicològics de l'escandi.

En la seva forma elemental es creu que no és tòxic, llevat que es inhali el seu sòlid finament dividit i provoqui així danys en els pulmons. Així mateix, als seus compostos se'ls atribueixen nul·la toxicitat, de manera que la ingesta de les seves sals en teoria no hauria de representar cap risc; sempre que la dosi no sigui elevada (provada en rates).

No obstant això, les dades referents a aquests aspectes són molt limitats. Per tant, no es pot donar per suposat que cap dels compostos d'escandi sigui veritablement no tòxic; encara menys si el metall pot acumular-se en els sòls i aigües, passant després a les plantes, i en menor grau, als animals.

Pels moments, l'escandi encara no representa un risc palpable si se li compara amb metalls més pesats; com ara el cadmi, mercuri i plom.

usos

aliatges

Si bé el preu de l'escandi és elevat en comparació a altres metalls com el titani o el mateix itri, les seves aplicacions acaben valent els esforços i inversions. Una d'elles consisteix a utilitzar com a additiu per als aliatges d'alumini.

D'aquesta manera, els aliatges Sc-A l'(i altres metalls) conserven la seva lleugeresa, però es tornen encara més resistents a la corrosió, a les altes temperatures (no s'esquerden), i són tan forts com el titani.

Tant és així l'efecte que té l'escandi sobre aquests aliatges, que n'hi ha prou amb afegir en quantitats traces (menors a l'0,5% en massa) perquè les seves propietats milloren dràsticament sense observar-se un augment apreciable en el seu pes. Es diu que, si s'utilitza massivament algun dia, podria reduir el pes dels avions en un 15-20%.

Així mateix, els aliatges d'escandi s'han emprat per als marcs dels revòlvers, o per a la fabricació d'articles esportius, com ara bats de beisbol, bicicletes especials, canyes de pescar, pals de golf, etc.; encara que els aliatges de titani solen substituir-les per ser més econòmiques.

La més coneguda d'aquestes aliatges és l'A el ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Tu ₃₀, la qual és igual de fort que el titani, tan lleugera com l'alumini i dura com la ceràmica.

impressions 3D

Els aliatges Sc-A l's'han utilitzat per realitzar impressions 3D metàl·liques, amb el propòsit de situar o afegir capes de les mateixes sobre un sòlid preseleccionat.

Il·luminacions d'estadi

Els fars de llum en els estadis mimetitzen la llum de el sol gràcies a l'acció de l'iodur d'escandi costat dels vapors de mercuri. Font: Pexels.

El iodur d'escandi, SCI ₃, s'agrega (juntament amb el iodur de sodi) a les llums de vapors de mercuri per crear llums artificials que mimetitzen la de el sol. És per això que en els estadis o algunes pistes esportives, encara que sigui de nit, la il·luminació dins d'ells és tal que brinden la sensació d'observar un joc a ple dia.

Efectes similars s'han destinat per a artefactes elèctrics com les càmeres digitals, les pantalles dels televisors, o per als monitors de les computadores. Així mateix, els fars amb aquestes llums de SCI ₃ -Hg s'han situat en els estudis de cinema i televisió.

Piles de combustible d'òxid sòlid

SOFC, per les seves sigles en anglès (solid s'oxidi fuel cell) utilitzen un òxid o ceràmica com a mitjà electrolític; en aquest cas, un sòlid que conté ions de escandi. El seu ús en aquests dispositius s'ha de la seva gran conductivitat elèctrica i capacitat per estabilitzar els increments de temperatura; per la qual cosa funcionen sense escalfar-se en summe grau.

Exemple d'un tals òxids sòlids és la zirconita estabilitzada amb escandi (en forma de Sc ₂ O ₃, una altra vegada).

ceràmiques

El carbur de escandi i titani componen una ceràmica d'una duresa excepcional, únicament superada per la dels diamants. No obstant això, el seu ús està restringit a materials amb aplicacions molt avançades.

Vidres orgànics de coordinació

Els ions Sc ³⁺ poden coordinar-se amb múltiples lligands orgànics, especialment, si es tracten de molècules oxigenades.

Això es deu al fet que els enllaços Sc-O formats són molt estables, i per tant acaben edificant vidres amb estructures sorprenents, en els porus poden desencadenar-reaccions químiques, comportant-se com a catalitzadors heterogenis; o allotjar molècules neutres, comportant-se com un sòlid emmagatzemador.

Així mateix, com vidres orgànics de coordinació d'escandi poden utilitzar per a dissenyar materials sensorials, tamisos moleculars, o conductors d'ions.

referències

1. Irina Shtangeeva. (2004). Scandium. Sant Petersburg State University Sant Petersburg. Recuperat de: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Scandium. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2019). Scandium. Encyclopædia Britannica. Recuperat de: britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Scandium Element Facts. Chemicool. Recuperat de: chemicool.com
5. Scale. (2018). Scandium. Recuperat de: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (3 juliol 2019). Panorama general of Scandium. Recuperat de: thoughtco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA, & Makhmudov, EA (2012). On question of biological rol dels Scandium. Recuperat de: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). High pressure phase transformations in yttrium and Scandium: Relation to rare Earths and actinides crystal structures. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, Issues 1-3, Pages 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova et al. (2018). Scandium-organic frameworks: progress and prospects. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Investing News Network. (11 de novembre de 2014). Scandium Applications: An Overview. Dig Mitjana Inc Recuperat de: investingnews.com