Geschichte Scandio, Eigenschaften, Reaktionen, Risiken und Verwendung

Er Skandium Es ist ein Übergangsmetall, dessen chemisches Symbol der SC ist. Es ist das erste der Übergangsmetalle in der Periodenzüchter, aber es ist auch eines der am wenigsten häufigen Elemente seltener Erden; Obwohl seine Eigenschaften der der Lantanides ähneln, sind nicht alle Autoren zustimmend, es so zu klassifizieren.

Auf einer beliebten Ebene ist es ein chemisches Element, das unbemerkt bleibt. Sein Name, der von Mineralien aus Seltener erd aus Skandinavien geboren wurde, kann neben Kupfer, Eisen oder Gold aktuell sein. Es ist jedoch immer noch beeindruckend und die physikalischen Eigenschaften ihrer Legierungen können mit denen des Titans konkurrieren.

Ultrapure Elemental Scark Probe. Quelle: Hi-Res-Bilder von chemischen Elementen [CC von 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/bis/3.0)]]

Ebenso wird in der Welt der Technologie immer mehr Schritt eröffnet, insbesondere in Bezug auf Beleuchtung und Laser. Wer ein Leuchtturm beobachtet hat, das ein Licht ähnlich der der Sonne ausstrahlt, wird indirekt die Existenz der Skandio gesehen haben. Für den Rest ist es ein vielversprechendes Element für die Herstellung von Flugzeugen.

Das Hauptproblem für den Scandio -Markt ist, dass er sehr verteilt ist und es keine Mineralien oder reichhaltigen Quellen davon gibt. Die Extraktion ist also teuer, auch wenn es kein Metall mit geringer Häufigkeit in der Erdkruste ist. In der Natur ist es wie sein Oxid, ein Feststoff, der nicht leicht reduziert werden kann.

In weiten Teilen seiner Verbindungen beteiligt sich anorganische oder organische Verbindungen an der Verbindung mit einer Oxidationszahl von +3; das heißt unter der Annahme des Vorhandenseins des Cation³⁺. Der Skandio ist eine relativ starke Säure und kann sehr stabile Koordinationsverbindungen mit den Sauerstoffatomen von organischen Molekülen bilden.

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Geschichte

Der Skandio wurde 1879 als chemisches Element von dem Schweizer Chemiker Lars F anerkannt. Nilson. Ich habe mit Euxenita- und Gadolinita -Mineralien zusammengearbeitet, um zu erhalten. Er stellte fest, dass es in seinen Spuren ein unbekanntes Element in seinen Spuren gab, dank der Untersuchung der spektroskopischen Analyse (Atomemissionsspektrum).

Von den Mineralien, seinem Team und dem Erhalt des jeweiligen Scandio Oxids, ein Name, der für die Sammlung der Scandinavia -Proben sicherlich empfangen wurde; Mineralien, die für sie Seltene erd genannt wurden.

Acht Jahre zuvor, im Jahr 1871, hatte Dmitri Mendeleev die Existenz des Skandios vorhergesagt; Aber mit dem Namen Ekaboro, was bedeutete, dass seine chemischen Eigenschaften denen von Boro ähnlich waren. 

Und es war in der Tat der Schweizer Chemiker pro Teodor Cleve, der den Skandio dem Ekaboro zuschreibt und daher das gleiche chemische Element war. Speziell diejenige, die den Übergangsmetalle Block in der Periodenzüchter beginnt.

Viele Jahre vergingen, als Werner Fischer und seine Mitarbeiter im Jahr 1937 Metall (aber unrein) Scandio durch die Elektrolyse einer Mischung aus Kalium, Lithium und Scandy Chloriden isolieren konnten. Erst 1960 konnte er ihn endlich mit einer Reinheit um 99% erhalten.

Elektronische Struktur und Konfiguration

Der elementare (native und reine) Skandio kann in zwei Strukturen (Alotrope) kristallisieren: kompaktes sechseckiges (HCP) und der Kubikum im Körper (BCC) zentriert. Der erste nennt es normalerweise als Phase α und das zweite die β -Phase.

Phase α, hexagonal und dichter, ist in den Temperaturen der Umgebungen stabil; Während β, kubisch und weniger Phase über 1337 ºC stabil ist. Somit tritt bei dieser letzten Temperatur ein Übergang zwischen beiden Phasen oder Alotropen auf (im Fall von Metallen).

Beachten Sie, dass der Skandio zwar normalerweise in einem HCP -Feststoff kristallisiert, aber nicht bedeutet, dass es sich um ein sehr dichter Metall handelt. Zumindest mehr als Aluminium. Aus seiner elektronischen Konfiguration kann bekannt sein, welche Elektronen in ihrer Metallbindung gewöhnlich sind:

[Ar] 3d¹ 4s²

Daher sind die drei Elektronen der 3D- und 4S -Orbitale in die Art und Weise verwickelt, wie sich die SC -Atome im Glas befinden.

Um in einem hexagonalen Glas zu verdichten, muss die Anziehungskraft seiner Kerne so sein.

Hochdruckphase

Die α- und β -Phasen sind mit Temperaturänderungen verbunden; Es gibt jedoch eine tetragonale Phase, ähnlich der des Niobio -Metalls NB, was sich ergibt, wenn der Metallskandio einen Druck von mehr als 20 GPa erleidet.

Oxidationszahlen

Der Skandio kann seine drei Valenzelektronen bis zum Maximum verlieren (3D¹4s²). Theoretisch sind die ersten, die "verlassen", die des 4S -Orbitals.

Somit unter der Annahme der Existenz des Cation⁺ In der Verbindung beträgt seine Oxidationszahl +1; Das ist dasselbe wie zu sagen, dass er ein Elektron aus dem 4S -Orbital (3D) verloren hat¹4s¹).

Wenn es der SC ist²⁺, Ihre Oxidationsnummer beträgt +2 und Sie haben zwei Elektronen verloren (3D¹4s⁰); Und wenn es der SC ist³⁺, Die stabilste dieser Kationen wird die +3 -Oxidationszahl aufweisen und ist für Argon isoliert.

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Kurz gesagt, seine Oxidationszahlen sind: +1, +2 und +3. Zum Beispiel im SC₂ENTWEDER₃ Die Oxidationszahl des Scandio beträgt +3, weil die Existenz von SC angenommen wird³⁺ (SC₂³⁺ENTWEDER₃^2-).

Eigenschaften

Aussehen

Es handelt. Erwerbt gelblich-rod-Tonalitäten, wenn es mit einer Oxidschicht bedeckt ist (SC₂ENTWEDER₃).

Molmasse

44.955 g/mol.

Schmelzpunkt

1541 ºC.

Siedepunkt

2836 ºC.

Molarenwärmekapazität

25.52 J/(mol · k).

Fusionshitze

14.1 kJ/mol.

Verdampfungswärme

332.7 kJ/mol.

Wärmeleitfähigkeit

66 μω · cm bei 20 ºC.

Dichte

2.985 g/ml, fest und 2,80 g/ml, Flüssigkeit. Beachten Sie, dass seine Festkörperdichte der von Aluminium (2,70 g/ml) nähert, was bedeutet, dass beide Metalle sehr leicht sind; Der Skandio schmilzt jedoch bei einer höheren Temperatur (der Aluminiumfusionspunkt beträgt 660,3 ºC).

Elektronegativität

1.36 auf der Paulingskala.

Ionisationsenergien

Erstens: 633.1 kJ/mol (sc (sc)⁺ gasförmig).

Zweitens: 1235.0 kJ/mol (sc (sc)²⁺ gasförmig).

Dritter: 2388,6 KJ/Mol (SC (SC)³⁺ gasförmig).

Atomradio

162 Uhr.

Magnetische Ordnung

Paramagnetisch.

Isotope

Von allen Isotopen des Skandio ^{Vier fünf}SC nimmt fast 100% der Gesamthäufigkeit ein (dies spiegelt sich in seinem Atomgewicht sehr nahe bei 45 U).

Die anderen bestehen aus Radioisotopen mit verschiedenen halben Leben; Als die ⁴⁶SC (t_1/2 = 83,8 Tage), ⁴⁷SC (t_1/2 = 3,35 Tage), ⁴⁴SC (t_1/2 = 4 Stunden) und ⁴⁸SC (t_1/2 = 43,7 Stunden). Andere Radioisotope haben t_1/2 Weniger als 4 Stunden.

Säure

Das Kation Sc³⁺ Es ist eine relativ starke Säure. Zum Beispiel können Sie in Wasser den wässrigen Komplex bilden [SC (H)₂ENTWEDER)₆]³⁺, Dies kann auch den pH auf einen Wert unter 7 verwandeln, da er Hionen erzeugt₃ENTWEDER⁺ Als Produkt seiner Hydrolyse:

[SC (h₂ENTWEDER)₆]³⁺(Ac)+h₂Oder (l) [sc (h₂ENTWEDER)₅Oh]²⁺(Ac)+h₃ENTWEDER⁺(Ac)

Die Säure des Skandio kann auch nach Lewis 'Definition interpretiert werden.

Koordinationsnummer

Eine wichtige Eigenschaft des Skandios ist, dass seine Koordinationszahl, beide in den meisten seiner anorganischen Verbindungen, Strukturen oder organischen Kristalle, 6 beträgt; Dies bedeutet, dass der SC von sechs Nachbarn umgeben ist (oder sechs Links bilden). Oben der komplexe ACUO [SC (h)₂ENTWEDER)₆]³⁺ Es ist das einfachste Beispiel von allen.

In den Kristallen sind die SC -Zentren Oktaedralen; entweder mit anderen Ionen (in ionischen Feststoffen) oder mit neutralen Atomen kovalent (in kovalenten Feststoffen) interagieren (in kovalenten Feststoffen).

Beispiel für letztere haben wir den [SC (OAC)₃], die Kettenstruktur mit den Acotiloxi- oder Acetoxi -Gruppen bilden, die als Brücken zwischen SC -Atomen fungieren.

Nomenklatur

Da die Oxidationszahl des Skandio in weiten Teilen seiner Verbindungen fast standardmäßig +3 ist, wird dies als einzigartig angesehen und die Nomenklatur ist daher erheblich vereinfacht. Sehr ähnlich wie bei alkalischen Metallen oder Aluminium selbst.

Betrachten Sie zum Beispiel Ihr Oxid, SC₂ENTWEDER₃. Die gleiche chemische Formel zeigt im Voraus den Oxidationsstatus von +3 für den Skandio an. So werden systematische und traditionelle Nomenklaturen verwendet, um diese Skandio -Verbindung zu nennen, und wie andere werden systematische, Lagerbestände und traditionelle Nomenklaturen verwendet.

Der sc₂ENTWEDER₃ Es handelt sich dann gemäß der Aktiennomenklatur um Scandiooxid, wobei (iii) weggelassen wird (obwohl es nicht sein einziger möglicher Oxidationszustand ist); Oxid -skandisch, mit dem Suffix -ICO am Ende des Namens nach der traditionellen Nomenklatur; und Diecondio -Trioxid, die den Regeln der griechischen numerischen Präfixe der systematischen Nomenklatur befolgen.

Biologisches Papier

Dem Skandio fehlt im Moment definiertes biologisches Papier. Das heißt, es ist nicht bekannt, wie sich der Körper ansammeln oder die SC -Ionen aufnehmen kann³⁺; Welche spezifischen Enzyme können es als Cofaktor verwenden, wenn es einen Einfluss ausübt, wenn auch ähnlich wie CA -Ionen²⁺ oder Glaube³⁺.

Es ist jedoch bekannt, dass SC -Ionen³⁺ Sie üben möglicherweise antibakterielle Wirkungen aus, wenn sie den Metabolismus von Glaubenionen beeinträchtigen³⁺.

Einige statistische Studien innerhalb der Medizin verknüpfen sie möglicherweise mit Magenerkrankungen, Fettleibigkeit, Diabetes, zerebraler Leptomeningitis und anderen Krankheiten; Aber ohne Ergebnisse.

Außerdem sammeln Pflanzen in ihren Blättern oder Stielen auch in der Regel nicht nennenswerte Mengen an Skandio, sondern in ihren Wurzeln und Knötchen. Daher kann argumentiert werden, dass seine Konzentration auf Biomasse schlecht ist, was auf eine geringe Beteiligung an ihren physiologischen Funktionen hinweist und folglich mehr in Böden ansammelt.

Wo ist und Produktion

Mineralien und Sterne

Der Skandio ist möglicherweise nicht so reichlich vorhanden wie andere chemische Elemente, sondern seine Anwesenheit in der Erdkruste übertrifft die von Quecksilber und einigen Edelmetallen. Tatsächlich nähert sich seine Fülle der von Kobalt und Beryllium; Für jede Tonne Felsen können 22 Gramm Skandio extrahiert werden.

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Das Problem ist, dass ihre Atome nicht lokalisiert, sondern verteilt sind. Das heißt, es gibt keine Mineralien, die in Skandio in seiner Massenzusammensetzung genau reich sind. Daher wird gesagt, dass es keinen der typischen Mineralforscher bevorzugt (wie Carbonat, Co₃^2-, oder Sulfid, s^2-).

Es ist nicht in seinem reinsten Zustand. Ihr stabilstes Oxid auch nicht, SC₂ENTWEDER₃, was mit anderen Metallen oder Silikaten kombiniert wird, um Mineralien zu definieren; wie Thortveitita, Euxenita und Gadolinita.

Diese drei Mineralien (selten an sich) stellen die wichtigsten natürlichen Quellen von Skandio dar und befinden sich in Regionen Norwegens, Islands, Skandinaviers und Madagaskars.

Für den Rest SC -Ionen³⁺ Sie können als Verunreinigungen in einigen kostbaren Steinen wie Aquamarin oder in Uranminen eingebaut werden. Und am Himmel, in den Sternen, nimmt dieses Element die Zahl 23 in Überfluss ein; ziemlich hoch, wenn Sie den gesamten Kosmos betrachten.

Industrieverschwendung und Abfall

Es hat nur gesagt, dass der Skandio auch als Unreinheit gefunden werden kann. Zum Beispiel wird es in Tio -Pigmenten gefunden₂; in Uranverarbeitungsabfällen sowie in seinen radioaktiven Mineralien; und in der Verschwendung des Bauxits bei der Herstellung von metallischem Aluminium.

Ebenso ist es im späten Nickel und Kobalt, wobei letztere in Zukunft eine vielversprechende Quelle von Skandio ist.

Metallurgische Reduktion

Die enormen Schwierigkeiten um die Extraktion des Skandio und die Verspätung so sehr, dass sie im einheimischen oder metallischen Zustand erhalten wurden, waren auf den SC zurückzuführen₂ENTWEDER₃ Es ist mühsam zu reduzieren; Noch mehr als der Onkel₂, für den Zeig der SC³⁺ Eine größere Affinität als ti⁴⁺ in Richtung o^2- (Annahme eines 100% ionischen Charakters in seinen jeweiligen Oxiden).

Das heißt, es ist einfacher, den Sauerstoff vom Onkel zu entfernen₂ als zu Sc₂ENTWEDER₃ Mit einem guten Reduktionsmittel (typischerweise Kohle- oder Alkalin- oder Alkaliner -Metalle). Deshalb der SC₂ENTWEDER₃ Es verwandelt sich zuerst in eine Verbindung, deren Reduktion weniger problematisch ist. Wie Scandio Fluorid, SCF₃. Als nächstes die SCF₃ Es ist mit metallischem Kalzium reduziert:

2SCF₃(s) +3ca (s) => 2sc (s) +3caf₂(S)

Der sc₂ENTWEDER₃ oder es stammt aus den oben genannten Mineralien oder ist ein Nebenprodukt der Extraktionen anderer Elemente (wie Uran und Eisen). Es ist die kommerzielle Form des Scandio, und seine niedrige jährliche Produktion (15 Tonnen) spiegelt die hohen Verarbeitungskosten zusätzlich zu denen der Extraktion aus den Felsen wider.

Elektrolyse

Eine andere Methode zur Herstellung von Scandio besteht darin, zuerst Ihr Chloridsalz zu erhalten, SCCL₃, und dann es an die Elektrolyse einreichen. In einer Elektrode gibt es also ein Metallskandio (wie ein Schwamm) und im anderen gasförmigen Chlor.

Reaktionen

Anfoterismus

Der Skandio teilt nicht nur Aluminium mit Aluminium, leichte Metalle zu sein, sondern auch anfoterisch; Das heißt, sie verhalten sich wie Säuren und Basen.

Zum Beispiel reagiert es wie viele andere Übergangsmetalle mit starken Säuren, um Salze und Wasserstoffgas herzustellen:

2SC (s) +6HCl (AC) => 2SCCL₃(Ac) +3h₂(G)

Dabei verhält es sich als Basis (reagiert mit der HCL). Auf die gleiche Weise reagiert es mit starken Basen wie Natriumhydroxid:

2SC (S) +6NaOH (AC) +6H₂Oder (l) => 2na₃SC (OH)₆(Ac) +3h₂(G)

Und jetzt verhält es sich wie eine Säure (sie reagiert mit dem NaOH), um ein Salz des Skandals zu bilden; Das Natrium, na₃SC (OH)₆, Mit dem Skandalanion, SC (OH)₆^3-.

Oxidation

Wenn der Skandio der Luft ausgesetzt ist, beginnt er sein jees Oxid zu oxidieren. Die Reaktion wird beschleunigt und selbst ausgestattet, wenn eine Wärmequelle verwendet wird. Diese Reaktion wird mit der folgenden chemischen Gleichung dargestellt:

4sc (s) +3o₂(g) => 2SC₂ENTWEDER₃(S)

Halogenuros

Der Scandio reagiert mit allen Halogenen, um Halogenuros der allgemeinen Chemie -Formel SCX zu bilden₃ (X = F, Cl, Br usw.).

Reagieren Sie beispielsweise mit Jod gemäß der folgenden Gleichung:

2SC (s) +3i₂(g) => 2Sci₃(S)

Ebenso reagiert es mit Chlor, Brom und Fluorid.

Hydroxidbildung

Der metallische Skandio kann sich im Wasser auflösen, um seinen jeweiligen Hydroxid und Wasserstoffgas zu verursachen:

2SC (s) +6h₂Oder (l) => 2SC (OH)₃(s) + h₂(G)

Säurehydrolyse

Wässrige Komplexe [SC (H)₂ENTWEDER)₆]³⁺ Sie können so hydrolyisieren, dass sie SC- (OH) -SC bilden, bis sie einen Cluster mit drei Scandio -Atomen definieren.

Risiken

Es ist neben seiner biologischen Rolle unbekannt, was genau die physiologischen und toxikologischen Wirkungen des Skandios sind.

In seiner elementaren Form wird angenommen, dass es nicht toxisch ist, es sei denn. Ebenso werden ihre Verbindungen Null -Toxizität zugeschrieben, sodass die Aufnahme ihrer Salze theoretisch kein Risiko darstellen sollte. Solange die Dosis nicht hoch ist (getestet bei Ratten).

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Die Daten zu diesen Aspekten sind jedoch sehr begrenzt. Daher kann nicht angenommen werden, dass keiner der Scandio -Verbindungen wirklich nicht -toxisch ist; Noch weniger, wenn sich das Metall in Böden und Gewässern ansammeln kann, dann in Pflanzen und in geringerem Maße zu Tieren bewegen kann.

In den Momenten stellt der Skandio im Vergleich zu schwereren Metallen noch kein spürbares Risiko dar. wie Cadmium, Quecksilber und Blei.

Anwendungen

Legierungen

Obwohl der Preis für den Skandio im Vergleich zu anderen Metallen wie Titan oder Ittrio hoch ist, verwenden seine Anwendungen Bemühungen und Investitionen. Eine von ihnen ist es, es als Additiv für Aluminiumlegierungen zu verwenden.

Auf diese Weise behalten die SC-A- (und andere Metall-) Legierungen ihre Leichtigkeit, aber sie werden noch korrosionsfeste, hohe Temperaturen (sie knacken nicht) und sind so stark wie Titanium.

So viel ist der Effekt, den der Skandio auf diese Legierungen hat, dass es ausreicht, es in Spurenmengen (weniger als 0,5% in der Masse) hinzuzufügen. Es wird gesagt, dass es, wenn es eines Tages massiv verwendet wird, das Gewicht von Flugzeugen um 15 bis 20% verringern könnte.

Ebenso wurden Scandio -Legierungen für die Rahmen der Revolver oder für die Herstellung von Sportartikeln wie Baseballschlägen, speziellen Fahrrädern, Fischereischützen, Golfstangen usw. verwendet.; Obwohl Titanlegierungen sie normalerweise durch billigeres Ersetzen ersetzen.

Das bekannteste dieser Legierungen ist der Al_zwanzigLi_zwanzigMg₁₀SC_zwanzigDu₃₀, das ist ebenso stark wie Titan, so Licht wie Aluminium und hart wie Keramik.

3D -Impressionen

SC-Al-Legierungen wurden verwendet, um Metall-3D.

Stadionbeleuchtung

Die Lichtlichter in den Phasen nachahmen das Sonnenlicht dank der Wirkung des Skandio -Iodids neben den Quecksilberdämpfen nach. Quelle: Pexels.

Scandio Yoduro, Sci₃, Es wird (zusammen mit Natriumiodid) zu Quecksilberdampflampen hinzugefügt, um künstliche Lichter zu erzeugen, die die der Sonne nachahmt. Aus diesem Grund ist in den Stadien oder einigen Sportplätzen, selbst nachts, die Beleuchtung in ihnen so, dass sie das Gefühl vermitteln, ein Spiel an ganz Tag zu beobachten.

Ähnliche Effekte wurden für elektrische Geräte wie Digitalkameras, Fernsehbildschirme oder für Computermonitore zugewiesen. Auch die Scheinwerfer mit diesen SCI -Lampen₃-HG waren in Film- und Fernsehstudios.

Feste Oxid -Brennstoffbatterien

SOFC verwenden für sein Akronym in englischer Sprache (Festoxid -Brennstoffzelle) ein Oxid oder Keramik als elektrolytisches Medium; In diesem Fall enthält ein Feststoff, der Skandio -Ionen enthält. Die Verwendung in diesen Geräten ist auf seine große elektrische Leitfähigkeit und Fähigkeit zurückzuführen, die Temperaturerhöhungen zu stabilisieren. Sie arbeiten also ohne Erhitzen in hohem Maße.

Beispiel eines solchen festen Oxide ist der stabilisierte Zirkonit mit Scandio (in SC -Shaped₂ENTWEDER₃, nochmal).

Keramik

Skandio und Titankarbid bilden eine außergewöhnliche Härtekeramik, die nur durch die von Diamanten überwunden wird. Die Verwendung ist jedoch auf Materialien mit sehr fortschrittlichen Anwendungen beschränkt.

Organische Koordinationskristalle

SC Ionen³⁺ Sie können mit mehreren organischen Liganden koordinieren, insbesondere wenn sie sauerstoffhaltige Moleküle sind.

Dies liegt daran, dass die gebildeten SC-O-Bindungen sehr stabil sind und daher Kristalle mit erstaunlichen Strukturen bauen, deren Poren chemische Reaktionen ausgelöst werden können und sich als heterogene Katalysatoren verhalten; oder neutrale Moleküle Wirt, sich wie eine solide Speicherung verhalten.

Ebenso können solche organischen Weinenkristallkristalle verwendet werden.

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