Plik skand jest to metal przejściowy, którego symbolem chemicznym jest Sc. Jest to pierwszy z metali przejściowych w układzie okresowym, ale jest również jednym z mniej powszechnych pierwiastków ziem rzadkich; chociaż jego właściwości mogą przypominać właściwości lantanowców, nie wszyscy autorzy zgadzają się na takie klasyfikowanie go.
Na popularnym poziomie jest to pierwiastek chemiczny, który pozostaje niezauważony. Jego nazwa, wywodząca się z minerałów ziem rzadkich ze Skandynawii, może współgrać z miedzią, żelazem czy złotem. Jednak nadal robi wrażenie, a właściwości fizyczne jego stopów mogą konkurować z właściwościami tytanu..
Podobnie robi się coraz więcej kroków w świecie technologii, zwłaszcza w zakresie oświetlenia i laserów. Ktokolwiek widział latarnię morską emitującą światło podobne do światła słonecznego, pośrednio był świadkiem istnienia skandu. W przeciwnym razie jest to obiecująca pozycja do produkcji samolotów.
Głównym problemem rynku skandu jest to, że jest on bardzo rozproszony i nie ma jego minerałów ani bogatych źródeł; więc jego wydobycie jest kosztowne, nawet jeśli nie jest to metal o niewielkiej zawartości w skorupie ziemskiej. W naturze występuje jako tlenek, ciało stałe, którego nie można łatwo zredukować.
W większości swoich związków nieorganicznych lub organicznych uczestniczy w wiązaniu o stopniu utlenienia +3; to znaczy zakładając obecność kationu Sc3+. Skand jest stosunkowo mocnym kwasem i może tworzyć bardzo stabilne wiązania koordynacyjne z atomami tlenu w cząsteczkach organicznych..
Indeks artykułów
Skand został uznany za pierwiastek chemiczny w 1879 roku przez szwajcarskiego chemika Larsa F. Nilsona. Pracował z minerałami euksenitem i gadolinitem z zamiarem uzyskania zawartego w nich itru. Odkrył, że w jego śladach był nieznany pierwiastek dzięki badaniu analizy spektroskopowej (atomowe widmo emisji).
Z minerałów, on i jego zespół zdołali uzyskać odpowiedni tlenek skandu, nazwę otrzymaną za z pewnością zebranie próbek ze Skandynawii; minerały, które do tej pory były nazywane ziemiami rzadkimi.
Jednak osiem lat wcześniej, w 1871 roku, Dmitri Mendelejew przewidział istnienie skandium; ale pod nazwą ekaboro, co oznaczało, że jego właściwości chemiczne były podobne do właściwości boru.
I faktycznie to szwajcarski chemik Per Teodor Cleve przypisał ekaboro skand, będąc tym samym pierwiastkiem chemicznym. W szczególności ten, który rozpoczyna blok metali przejściowych w układzie okresowym.
Minęło wiele lat, kiedy w 1937 roku Wernerowi Fischerowi i jego współpracownikom udało się wyodrębnić metaliczny skand (ale nieczysty) za pomocą elektrolizy mieszaniny chlorków potasu, litu i skandu. Dopiero w 1960 roku udało się ostatecznie uzyskać go o czystości około 99%..
Elementarny skand (natywny i czysty) może krystalizować w dwie struktury (alotropy): zwarty heksagonalny (hcp) i sześcienny wyśrodkowany na ciele (UDW). Pierwsza jest zwykle określana jako faza α, a druga jako faza β..
Gęstsza, heksagonalna faza α jest stabilna w temperaturach otoczenia; podczas gdy mniej gęsta sześcienna faza β jest stabilna powyżej 1337 ° C. Tak więc w tej ostatniej temperaturze następuje przejście między obiema fazami lub alotropami (w przypadku metali).
Należy zauważyć, że chociaż skand normalnie krystalizuje do postaci stałej hcp, nie oznacza to, że jest to bardzo gęsty metal; przynajmniej tak, bardziej niż aluminium. Z jego konfiguracji elektronicznej można dowiedzieć się, które elektrony zwykle uczestniczą w jego metalicznym wiązaniu:
[Ar] 3d1 4sdwa
Dlatego trzy elektrony z orbitali 3d i 4s interweniują w sposób, w jaki atomy Sc znajdują się w krysztale..
Aby uformować sześciokątny kryształ, przyciąganie jego jąder musi być takie, aby te trzy elektrony, słabo osłonięte elektronami z wewnętrznych powłok, nie oddalały się zbytnio od atomów Sc, a co za tym idzie, odległości między nimi były zawężone..
Fazy α i β są związane ze zmianami temperatury; Istnieje jednak faza tetragonalna, podobna do tej z metalicznego niobu, Nb, która powstaje, gdy metaliczny skand jest poddawany ciśnieniu wyższemu niż 20 GPa.
Skand może stracić maksymalnie trzy elektrony walencyjne (3d14sdwa). Teoretycznie pierwszymi, którzy „odchodzą” są te na orbicie 4s..
Zatem zakładając istnienie kationu Sc+ w związku jego stopień utlenienia wynosi +1; co oznacza to samo, co powiedzenie, że stracił elektron z orbity 4s (3d14s1).
Jeśli to jest Scdwa+, Twój stopień utlenienia wyniesie +2 i stracisz dwa elektrony (3d14s0); a jeśli to Sc3+, najbardziej stabilny z tych kationów będzie miał stopień utlenienia +3 i jest izoelektroniczny na argon.
Krótko mówiąc, ich stopnie utlenienia to: +1, +2 i +3. Na przykład w ScdwaLUB3 stopień utlenienia skandu wynosi +3, ponieważ zakłada się istnienie Sc3+ (Scdwa3+LUB3dwa-).
Jest to srebrzystobiały metal w swojej czystej i elementarnej formie, o miękkiej i gładkiej teksturze. Przybiera żółtawo-różowe odcienie, gdy zaczyna być pokryta warstwą tlenku (ScdwaLUB3).
44,955 g / mol.
1541 ºC.
2836 ºC.
25,52 J / (mol K).
14,1 kJ / mol.
332,7 kJ / mol.
66 μΩ cm przy 20 ºC.
2,985 g / ml ciała stałego i 2,80 g / ml cieczy. Zwróć uwagę, że jego gęstość w stanie stałym jest zbliżona do gęstości aluminium (2,70 g / ml), co oznacza, że oba metale są bardzo lekkie; ale skand topi się w wyższej temperaturze (temperatura topnienia aluminium wynosi 660,3 ºC).
1,36 w skali Paulinga.
Po pierwsze: 633,1 kJ / mol (Sc+ gazowy).
Po drugie: 1235,0 kJ / mol (Scdwa+ gazowy).
Po trzecie: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gazowy).
162 po południu.
Paramagnetyczny.
Ze wszystkich izotopów skandu, Cztery pięćSc zajmuje prawie 100% całkowitej obfitości (znajduje to odzwierciedlenie w jego masie atomowej bardzo bliskiej 45 u).
Pozostałe składają się z radioizotopów o różnych okresach półtrwania; Ponieważ 46Sc (t1/2 = 83,8 dni), 47Sc (t1/2 = 3,35 dnia), 44Sc (t1/2 = 4 godziny) i 48Sc (t1/2 = 43,7 godziny). Inne radioizotopy mają t1/2 mniej niż 4 godziny.
Kation Sc3+ jest to stosunkowo mocny kwas. Na przykład w wodzie może tworzyć kompleks wodny [Sc (HdwaLUB)6]3+, co z kolei może zmienić pH na wartość poniżej 7, ponieważ wytwarza jony H.3LUB+ jako produkt jego hydrolizy:
[Sc (H.dwaLUB)6]3+(ac) + HdwaO (l) <=> [Sc (H.dwaLUB)5O]dwa+(ac) + H3LUB+(ac)
Kwasowość skandu można również interpretować zgodnie z definicją Lewisa: ma on dużą tendencję do przyjmowania elektronów, a tym samym do tworzenia kompleksów koordynacyjnych.
Ważną właściwością skandu jest to, że jego liczba koordynacyjna, zarówno w większości jego nieorganicznych związków, struktur, jak i organicznych kryształów, wynosi 6; to znaczy Sc jest otoczony przez sześć sąsiadów (lub tworzy sześć wiązań). Powyżej złożony wodny [Sc (HdwaLUB)6]3+ to najprostszy przykład ze wszystkich.
W kryształach centra Sc są oktaedryczne; oddziałujące z innymi jonami (w jonowych ciałach stałych) lub z obojętnymi atomami związanymi kowalencyjnie (w kowalencyjnych ciałach stałych).
Przykład tego ostatniego mamy [Sc (OAc)3], który tworzy strukturę łańcuchową z grupami AcO (acetyloksy lub acetoksy) działającymi jako mostki między atomami Sc.
Ponieważ prawie domyślnie stopień utlenienia skandu w większości jego związków wynosi +3, jest on uważany za unikalny i dlatego nazewnictwo jest znacznie uproszczone; bardzo podobny, jak to ma miejsce w przypadku metali alkalicznych lub samego aluminium.
Weźmy na przykład pod uwagę twoją rdzę, ScdwaLUB3. Ten sam wzór chemiczny wskazuje z góry stopień utlenienia +3 dla skandu. Tak więc, aby nazwać ten związek skandem, i podobnie jak inne, stosuje się nazewnictwo systematyczne, standardowe i tradycyjne..
ScdwaLUB3 Jest to zatem tlenek skandu, zgodnie z nomenklaturą zapasów, z pominięciem (III) (choć nie jest to jedyny możliwy jego stopień utlenienia); tlenek skandu, z przyrostkiem -ico na końcu nazwy zgodnie z tradycyjną nomenklaturą; i trójtlenek diescandium, przestrzegając zasad greckich przedrostków liczbowych systematycznej nomenklatury.
Na razie skand nie ma określonej roli biologicznej. Oznacza to, że nie wiadomo, w jaki sposób organizm może gromadzić lub asymilować jony Sc3+; jakie konkretne enzymy mogą go używać jako kofaktora, jeśli wywiera on wpływ na komórki, choć podobny do jonów Cadwa+ o Wiara3+.
Wiadomo jednak, że jony Sc3+ wywierają działanie przeciwbakteryjne, prawdopodobnie poprzez zakłócanie metabolizmu jonów Fe3+.
Niektóre badania statystyczne w medycynie prawdopodobnie łączą to z zaburzeniami żołądka, otyłością, cukrzycą, mózgowym zapaleniem opon mózgowo-rdzeniowych i innymi chorobami; ale bez dostatecznie pouczających wyników.
Podobnie rośliny zwykle nie gromadzą znacznych ilości skandu w liściach lub łodygach, ale raczej w korzeniach i guzkach. W związku z tym można argumentować, że jego stężenie w biomasie jest słabe, co wskazuje na niewielki udział w jej funkcjach fizjologicznych, a co za tym idzie, w konsekwencji gromadzi się bardziej w glebach..
Skand może nie być tak bogaty jak inne pierwiastki chemiczne, ale jego obecność w skorupie ziemskiej przewyższa rtęć i niektóre metale szlachetne. W rzeczywistości jego obfitość jest zbliżona do kobaltu i berylu; z każdej tony skał można wydobyć 22 gramy skandu.
Problem w tym, że jego atomy nie są zlokalizowane, ale rozproszone; to znaczy, że nie ma minerałów, które w swoim składzie masowym byłyby dokładnie bogate w skand. Dlatego mówi się, że nie preferuje żadnego z typowych anionów tworzących minerały (takich jak węglan, CO3dwa-, lub siarka, S.dwa-).
Nie jest w stanie czystym. Nie jest też najbardziej stabilnym tlenkiem ScdwaLUB3, który łączy się z innymi metalami lub krzemianami, definiując minerały; takie jak thortveitite, euxenite i gadolinite.
Te trzy minerały (same w sobie rzadkie) stanowią główne naturalne źródła skandu i występują w regionach Norwegii, Islandii, Skandynawii i Madagaskaru..
W przeciwnym razie jony Sc3+ mogą być wprowadzane jako zanieczyszczenia do niektórych kamieni szlachetnych, takich jak akwamaryn lub w kopalniach uranu. A na niebie, w gwiazdach, ten pierwiastek zajmuje 23. miejsce w obfitości; dość wysokie, jeśli wziąć pod uwagę cały Kosmos.
Przed chwilą powiedziano, że jako zanieczyszczenie można również znaleźć skand. Na przykład występuje w pigmentach TiOdwa; w odpadach z przetwarzania uranu, a także w jego radioaktywnych minerałach; oraz w pozostałościach boksytu przy produkcji metalicznego aluminium.
Występuje również w laterytach niklu i kobaltu, przy czym ten ostatni jest obiecującym źródłem skandu w przyszłości..
Ogromne trudności związane z wydobyciem skandu, którego uzyskanie w stanie rodzimym lub metalicznym trwało tak długo, wynikały z faktu, że ScdwaLUB3 trudno jest zmniejszyć; nawet bardziej niż TiOdwa, za pokazanie Sc3+ powinowactwo większe niż Ti4+ w kierunku Odwa- (zakładając 100% charakter jonowy w odpowiednich tlenkach).
Oznacza to, że łatwiej jest usunąć tlen z TiOdwa niż ScdwaLUB3 z dobrym środkiem redukującym (zazwyczaj węgiel lub metale alkaliczne lub metale ziem alkalicznych). Dlatego ScdwaLUB3 najpierw przekształca się w związek, którego redukcja jest mniej problematyczna; takie jak fluorek skandu, ScF3. Następnie plik ScF3 jest redukowany metalicznym wapniem:
2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFdwa(s)
ScdwaLUB3 Albo pochodzi ze wspomnianych już minerałów, albo jest produktem ubocznym ekstrakcji innych pierwiastków (takich jak uran i żelazo). Jest handlową formą skandu, a jego niska roczna produkcja (15 ton) odzwierciedla wysokie koszty przerobu, oprócz wydobycia ze skał..
Inną metodą produkcji skandu jest najpierw otrzymanie jego soli chlorkowej, ScCl3, a następnie poddać elektrolizie. W ten sposób metaliczny skand jest wytwarzany w jednej elektrodzie (jak gąbka), a chlor gazowy w drugiej.
Skand nie tylko ma cechy metali lekkich, ale jest również amfoteryczny; to znaczy zachowują się jak kwasy i zasady.
Na przykład reaguje, podobnie jak wiele innych metali przejściowych, z mocnymi kwasami, tworząc sole i wodór:
2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Hdwa(sol)
Zachowuje się przy tym jak zasada (reaguje z HCl). Ale reaguje w ten sam sposób z mocnymi zasadami, takimi jak wodorotlenek sodu:
2Sc (s) + 6 NaOH (aq) + 6HdwaO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Hdwa(sol)
A teraz zachowuje się jak kwas (reaguje z NaOH), tworząc sól skandatu; że sodu, Na3Sc (OH)6, z anionem skandianowym, Sc (OH)63-.
Po wystawieniu na działanie powietrza skand zaczyna utleniać się do odpowiedniego tlenku. Reakcja jest przyspieszana i autokatalizowana, jeśli używane jest źródło ciepła. Ta reakcja jest reprezentowana przez następujące równanie chemiczne:
4Sc (s) + 3Odwa(g) => 2ScdwaLUB3(s)
Skand reaguje ze wszystkimi halogenami, tworząc halogenki o ogólnym wzorze chemicznym ScX3 (X = F, Cl, Br itp.).
Na przykład reaguje z jodem zgodnie z następującym równaniem:
2Sc (s) + 3 I.dwa(g) => 2ScI3(s)
W ten sam sposób reaguje z chlorem, bromem i fluorem.
Metaliczny skand może rozpuszczać się w wodzie, powodując powstanie odpowiedniego wodorotlenku i wodoru:
2Sc (s) + 6HdwaO (l) => 2Sc (OH)3(s) + H.dwa(sol)
Wodne kompleksy [Sc (HdwaLUB)6]3+ można hydrolizować w taki sposób, że ostatecznie tworzą mostki Sc- (OH) -Sc, aż do zdefiniowania klastra z trzema atomami skandu.
Poza biologiczną rolą nie wiadomo, jakie dokładnie są fizjologiczne i toksykologiczne skutki skandu.
Uważa się, że w swojej elementarnej postaci jest nietoksyczny, chyba że jego drobno rozdrobniona substancja stała jest wdychana, powodując w ten sposób uszkodzenie płuc. Podobnie, jego związkom przypisuje się zerową toksyczność, więc spożycie ich soli teoretycznie nie powinno stanowić żadnego ryzyka; o ile dawka nie jest wysoka (testowano na szczurach).
Jednak dane dotyczące tych aspektów są bardzo ograniczone. Dlatego nie można zakładać, że którykolwiek ze związków skandu jest naprawdę nietoksyczny; jeszcze mniej, jeśli metal może gromadzić się w glebach i wodach, a następnie przenosić się na rośliny, aw mniejszym stopniu na zwierzęta.
W tej chwili skand nadal nie stanowi wyczuwalnego zagrożenia w porównaniu z cięższymi metalami; takie jak kadm, rtęć i ołów.
Chociaż cena skandu jest wysoka w porównaniu z innymi metalami, takimi jak sam tytan czy itr, jego zastosowania są warte wysiłku i inwestycji. Jednym z nich jest zastosowanie go jako dodatku do stopów aluminium..
W ten sposób stopy Sc-Al (i inne metale) zachowują swoją lekkość, ale stają się jeszcze bardziej odporne na korozję w wysokich temperaturach (nie pękają) i są tak wytrzymałe jak tytan.
Wpływ skandu na te stopy jest tak duży, że wystarczy dodać go w śladowych ilościach (mniej niż 0,5% masowego), aby jego właściwości uległy znacznej poprawie bez zauważalnego wzrostu masy. Mówi się, że masowe użycie jednego dnia mogłoby zmniejszyć masę samolotu o 15-20%.
Podobnie, stopy skandu były używane do konstrukcji rewolwerów lub do produkcji artykułów sportowych, takich jak kije baseballowe, specjalne rowery, wędki, kije golfowe itp .; chociaż stopy tytanu mają tendencję do ich zastępowania, ponieważ są tańsze.
Najbardziej znanym z tych stopów jest AldwadzieściaLidwadzieściaMg10Scdwadzieściaty30, która jest mocna jak tytan, lekka jak aluminium i twarda jak ceramika.
Stopy Sc-Al są używane do wykonywania metalicznych wydruków 3D w celu umieszczenia lub dodania ich warstw na wcześniej wybranej bryle.
Jodek skandu, ScI3, jest dodawany (wraz z jodkiem sodu) do lamp rtęciowych, aby stworzyć sztuczne światła naśladujące słońce. Dlatego na stadionach czy niektórych boiskach nawet w nocy oświetlenie w ich wnętrzu jest takie, że daje wrażenie oglądania meczu w biały dzień..
Podobne efekty przewidziano dla urządzeń elektrycznych, takich jak aparaty cyfrowe, ekrany telewizyjne czy monitory komputerowe. Również reflektory z takimi lampami firmy ScI3-Hg zostały zlokalizowane w studiach filmowych i telewizyjnych.
SOFC, ze względu na swój akronim w języku angielskim (ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem), wykorzystuje tlenek lub ceramikę jako medium elektrolityczne; w tym przypadku ciało stałe zawierające jony skandu. Jego zastosowanie w tych urządzeniach wynika z jego dużej przewodności elektrycznej i zdolności do stabilizacji wzrostu temperatury; więc działają bez zbytniego nagrzewania się.
Przykładem takiego stałego tlenku jest cyrkonit stabilizowany skandem (w postaci ScdwaLUB3, jeszcze raz).
Węglik skandu i tytan tworzą ceramikę o wyjątkowej twardości, przewyższającej jedynie diamenty. Jednak jego użycie jest ograniczone do materiałów o bardzo zaawansowanych zastosowaniach..
Jony sc3+ mogą koordynować się z wieloma organicznymi ligandami, zwłaszcza jeśli są to cząsteczki utlenione.
Dzieje się tak, ponieważ utworzone wiązania Sc-O są bardzo stabilne, a zatem kończą się budową kryształów o niesamowitych strukturach, w których porach można wyzwolić reakcje chemiczne, zachowując się jak heterogeniczne katalizatory; lub do przechowywania neutralnych cząsteczek, zachowując się jak stały magazyn.
Podobnie, takie organiczne kryształy koordynacyjne skandu można stosować do projektowania materiałów sensorycznych, sit molekularnych lub przewodników jonów..
Jeszcze bez komentarzy