СКАНДИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, РЕАКЦИИ, РИСКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Скандия представляет собой переходный металл, химический символ Sc является первым из переходных металлов в периодической таблице, но также является одним из наименее распространенных редкоземельных элементов .; Хотя его свойства могут напоминать свойства лантаноидов, не все авторы одобряют такую ​​классификацию.

На популярном уровне это химический элемент, который остается незамеченным. Его название происходит от редкоземельных минералов из Скандинавии, а также рядом с медью, железом или золотом. Тем не менее, он по-прежнему впечатляет, и по физическим свойствам его сплавы могут конкурировать с титаном.

Образец элементарного сверхчистого скандия. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Кроме того, в мире технологий делается все больше и больше шагов, особенно в области освещения и лазеров. Любой, кто наблюдал за маяком, излучающим свет, похожий на солнечный, косвенно стал свидетелем существования скандия. В остальном это перспективный объект для авиастроения.

Основная проблема, с которой сталкивается рынок скандия, заключается в том, что он широко рассредоточен и не содержит полезных ископаемых или богатых источников; поэтому его добыча обходится дорого, даже если это не металл с низким содержанием в земной коре. В природе он находится в виде оксида, твердого вещества, которое трудно восстановить.

В большей части своих соединений, неорганических или органических, он участвует в связи со степенью окисления +3; то есть в предположении присутствия катиона Sc ³⁺ . Скандий - относительно сильная кислота, которая может образовывать очень прочные координационные связи с атомами кислорода органических молекул.

история

Скандий был признан химическим элементом в 1879 году швейцарским химиком Ларсом Ф. Нильсоном. Он работал с минералами эвксенитом и гадолинитом с намерением получить содержащийся в них иттрий. Он обнаружил, что в их следах был неизвестный элемент, благодаря изучению спектрального анализа (спектр атомного излучения).

Из минералов ему и его команде удалось получить соответствующий оксид скандия - название, полученное за то, что несомненно собрали образцы из Скандинавии; минералы, которые к тому времени назывались редкими землями.

Однако восемь лет назад, в 1871 году, Дмитрий Менделеев предсказал существование скандия; но с названием экаборо, что означало, что его химические свойства аналогичны свойствам бора.

И на самом деле швейцарский химик Пер Теодор Клеве приписал скандий экаборо, таким образом, это тот же химический элемент. В частности, тот, с которого начинается блок переходных металлов в периодической таблице.

Прошло много лет, когда в 1937 году Вернеру Фишеру и его сотрудникам удалось выделить металлический скандий (но нечистый) с помощью электролиза смеси хлорида калия, лития и скандия. Только в 1960 году его удалось получить с чистотой около 99%.

Структура и электронная конфигурация

Элементарный скандий (природный и чистый) может кристаллизоваться в две структуры (аллотропы): компактную гексагональную (ГПУ) и объемно-центрированную кубическую (ОЦК). Первую обычно называют α-фазой, а вторую - β-фазой.

Более плотная гексагональная α-фаза стабильна при температуре окружающей среды; в то время как менее плотная кубическая β-фаза стабильна при температуре выше 1337 ºC. Таким образом, при этой последней температуре происходит переход между обеими фазами или аллотропами (в случае металлов).

Обратите внимание, что хотя скандий обычно кристаллизуется в твердое ГПУ, это не делает его очень плотным металлом; по крайней мере, да, больше, чем алюминий. Из его электронной конфигурации можно узнать, какие электроны обычно участвуют в его металлической связи:

3д ¹ 4с ²

Таким образом, три электрона на 3d- и 4s-орбиталях вмешиваются так, как атомы Sc расположены в кристалле.

Для уплотнения в гексагональный кристалл притяжение их ядер должно быть таким, чтобы эти три электрона, слабо экранированные электронами внутренних оболочек, не уходили слишком далеко от атомов Sc и, следовательно, расстояния между ними сужались.

Фаза высокого давления

Фазы α и β связаны с изменениями температуры; однако существует тетрагональная фаза, подобная фазе металлического ниобия, Nb, которая возникает, когда металлический скандий подвергается давлению более 20 ГПа.

Числа окисления

Скандий может потерять максимум три валентных электрона (3d ¹ 4s ² ). Теоретически первыми «уходят» те, кто находится на орбите 4s.

Таким образом, если предположить наличие в соединении катиона Sc ⁺ , его степень окисления равна +1; это то же самое, что сказать, что он потерял электрон с орбитали 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Если это Sc ²⁺ , его степень окисления будет +2, и он потеряет два электрона (3d ¹ 4s ⁰ ); и если это Sc ³⁺ , самый стабильный из этих катионов, он будет иметь степень окисления +3 и изоэлектронен аргону.

Короче говоря, их степени окисления: +1, +2 и +3. Например, в Sc ₂ O ₃ степень окисления скандия равна +3, поскольку предполагается наличие Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ).

свойства

Внешность

Это серебристо-белый металл в своей чистой элементарной форме с мягкой и гладкой текстурой. Он приобретает желтовато-розовые тона, когда начинает покрываться слоем оксида (Sc ₂ O ₃ ).

Молярная масса

44,955 г / моль.

Температура плавления

1541 ° С.

Точка кипения

2836 ° С.

Молярная теплоемкость

25,52 Дж / (моль · К).

Теплота плавления

14,1 кДж / моль.

Теплота испарения

332,7 кДж / моль.

Теплопроводность

66 мкОм · см при 20 ° C.

плотность

2,985 г / мл твердого вещества и 2,80 г / мл жидкости. Обратите внимание, что его плотность в твердом состоянии близка к плотности алюминия (2,70 г / мл), что означает, что оба металла очень легкие; но скандий плавится при более высокой температуре (температура плавления алюминия 660,3 ºC).

Электроотрицательность

1,36 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

Первое: 633,1 кДж / моль (Sc ⁺ газообразный).

Второй: 1235,0 кДж / моль ( газообразный Sc ²⁺ ).

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

Атомное радио

162 вечера.

Магнитный заказ

Парамагнитного.

Изотопы

Из всех изотопов скандия ⁴⁵ Sc занимает почти 100% от общего содержания (это отражено в его атомном весе, очень близком к 45 u).

Остальные состоят из радиоизотопов с разным периодом полураспада; например ⁴⁶ сбн (t _1/2 = 83,8 дня), ⁴⁷ сбн (t _1/2 = 3,35 дня), ⁴⁴ сбн (t _1/2 = 4 часа) и ⁴⁸ сбн (t _1/2 = 43,7 часа). У других радиоизотопов t _1/2 менее 4 часов.

кислотность

Катион Sc ³⁺ - относительно сильная кислота. Например, в воде он может образовывать водный комплекс ³⁺ , который, в свою очередь, может изменить pH до значения ниже 7, потому что он генерирует ионы H ₃ O ⁺ как продукт своего гидролиза:

³⁺ (водн.) + H ₂ O (l) <=> ²⁺ (водн.) + H ₃ O ⁺ (водн.)

Кислотность скандия также можно интерпретировать согласно определению Льюиса: он имеет высокую тенденцию принимать электроны и, следовательно, образовывать координационные комплексы.

Координационный номер

Важным свойством скандия является то, что его координационное число в большинстве его неорганических соединений, структур или органических кристаллов равно 6; это означает, что Sc окружен шестью соседями (или образует шесть связей). Выше сложный водный ³⁺ является самым простым примером из всех.

В кристаллах центры Sc октаэдрические; либо взаимодействуя с другими ионами (в ионных твердых телах), либо с ковалентно связанными нейтральными атомами (в ковалентных твердых телах).

Примером последнего у нас есть al, который образует цепную структуру с группами AcO (ацетилокси или ацетокси), действующими как мосты между атомами Sc.

Номенклатура

Поскольку почти по умолчанию степень окисления скандия в большинстве его соединений равна +3, он считается уникальным, и поэтому номенклатура значительно упрощается; очень похоже, как это происходит с щелочными металлами или самим алюминием.

Например, рассмотрим его оксид Sc ₂ O ₃ . Та же химическая формула заранее указывает степень окисления скандия +3. Таким образом, для обозначения этого соединения скандий и других используются систематическая, стандартная и традиционная номенклатуры.

Sc ₂ O ₃ тогда представляет собой оксид скандия в соответствии с номенклатурой сырья, исключая (III) (хотя это не единственная возможная степень окисления); оксид скандина с суффиксом –ico в конце названия согласно традиционной номенклатуре; и триоксид диескандия, подчиняющийся правилам греческих числовых префиксов систематической номенклатуры.

Биологическая роль

На данный момент скандий не играет определенной биологической роли. То есть неизвестно, как организм может накапливать или ассимилировать ионы Sc ³⁺ ; какие конкретные ферменты могут использовать его в качестве кофактора, если он оказывает влияние на клетки, хотя и аналогично ионам Ca ²⁺ или Fe ³⁺ .

Однако известно, что ионы Sc ³⁺ оказывают антибактериальное действие, возможно, вмешиваясь в метаболизм ионов Fe ³⁺ .

Некоторые статистические исследования в медицине, возможно, связывают это с расстройствами желудка, ожирением, диабетом, церебральным лептоменингитом и другими заболеваниями; но без достаточно поучительных результатов.

Точно так же растения обычно накапливают заметное количество скандия не в листьях или стеблях, а в корнях и клубеньках. По этой причине можно утверждать, что его концентрация в биомассе низкая, что свидетельствует о незначительном участии в его физиологических функциях и, следовательно, в конечном итоге он больше накапливается в почвах.

Где найти и производство

Минералы и звезды

Скандий может быть не таким распространенным, как другие химические элементы, но его присутствие в земной коре превышает содержание ртути и некоторых драгоценных металлов. Фактически, его содержание приближается к содержанию кобальта и бериллия; Из каждой тонны горных пород можно извлечь 22 грамма скандия.

Проблема в том, что их атомы не расположены, а разбросаны; то есть нет минералов, которые по своему массовому составу точно богаты скандием. Поэтому считается, что он не предпочитает какие-либо типичные минералообразующие анионы (такие как карбонат, CO ₃ ^2- или сульфид, S ^2- ).

Это не в чистом виде. Не самый стабильный оксид Sc ₂ O ₃ , который соединяется с другими металлами или силикатами для определения минералов; такие как тортвейтит, эвксенит и гадолинит.

Эти три минерала (сами по себе редкие) представляют собой основные природные источники скандия и встречаются в регионах Норвегии, Исландии, Скандинавии и Мадагаскара.

В противном случае ионы Sc ³⁺ могут быть включены в качестве примесей в некоторые драгоценные камни, такие как аквамарин, или в урановые рудники. А на небе, среди звезд, этот элемент по изобилию занимает 23-е место; довольно высокая, если рассматривать весь Космос.

Промышленные отходы и отходы

Только что было сказано, что скандий также может быть найден в виде примеси. Например, он содержится в пигментах TiO ₂ ; в отходах переработки урана, а также его радиоактивных полезных ископаемых; и в остатках бокситов при производстве металлического алюминия.

Он также содержится в латеритах никеля и кобальта, которые в будущем могут стать многообещающим источником скандия.

Металлургическое восстановление

Огромные трудности, связанные с извлечением скандия, получение которого в естественном или металлическом состоянии занимало так много времени, были связаны с тем, что Sc ₂ O ₃ трудно восстановить; даже больше, чем TiO ₂ , поскольку Sc ^{3+ проявляет} большее сродство, чем Ti ^4+, к O ^2- (при условии 100% ионного характера в их соответствующих оксидах).

То есть с помощью хорошего восстановителя (обычно углерода, щелочных или щелочноземельных металлов) удалить кислород из TiO ₂ легче, чем из Sc ₂ O ₃ . Вот почему Sc ₂ O ₃ сначала превращается в соединение, восстановление которого менее проблематично; такой как фторид скандия, ScF ₃ . Затем ScF ₃ восстанавливается металлическим кальцием:

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

Sc ₂ O ₃ поступает либо из уже упомянутых минералов, либо является побочным продуктом экстракции других элементов (таких как уран и железо). Это коммерческая форма скандия, и его низкое годовое производство (15 тонн) отражает высокие затраты на переработку в дополнение к затратам на его извлечение из горных пород.

электролиз

Другой способ получения скандия состоит в том, что сначала получают его хлоридную соль ScCl ₃ , а затем подвергают ее электролизу. Таким образом, металлический скандий образуется в одном электроде (как губка), а газообразный хлор - в другом.

Реакции

Amphotericism

Скандий не только разделяет с алюминием характеристики легких металлов, но также является амфотерным; то есть они ведут себя как кислоты и основания.

Например, он реагирует, как и многие другие переходные металлы, с сильными кислотами с образованием солей и газообразного водорода:

2Sc (т.) + 6HCl (водн.) => 2ScCl ₃ (водн.) + 3H ₂ (г)

При этом он ведет себя как основание (реагирует с HCl). Но точно так же он реагирует с сильными основаниями, такими как гидроксид натрия:

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

И теперь он ведет себя как кислота (реагирует с NaOH), образуя скандатную соль; натрий Na ₃ Sc (OH) ₆ со скандат-анионом Sc (OH) ₆ ^3- .

оксидирование

При контакте с воздухом скандий начинает окисляться до соответствующего оксида. Реакция ускоряется и автокатализируется, если используется источник тепла. Реакция представлена ​​следующим химическим уравнением:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Галогениды

Скандий реагирует со всеми галогенами с образованием галогенидов общей химической формулы ScX ₃ (X = F, Cl, Br и т. Д.).

Например, он реагирует с йодом по следующему уравнению:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Таким же образом он реагирует с хлором, бромом и фтором.

Образование гидроксида

Металлический скандий может растворяться в воде с образованием соответствующего гидроксида и газообразного водорода:

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

Кислотный гидролиз

Водные комплексы ³⁺ могут быть гидролизованы таким образом, что они в конечном итоге образуют мосты Sc- (OH) -Sc, пока они не образуют кластер с тремя атомами скандия.

риски

Помимо его биологической роли, точные физиологические и токсикологические эффекты скандия неизвестны.

Считается, что в своей элементарной форме он нетоксичен, если его мелкодисперсное твердое вещество не вдыхается, что приводит к повреждению легких. Точно так же его соединениям приписывают нулевую токсичность, поэтому проглатывание их солей теоретически не должно представлять никакого риска; до тех пор, пока доза не будет высокой (проверено на крысах).

Однако данные по этим аспектам очень ограничены. Следовательно, нельзя предполагать, что какое-либо из соединений скандия действительно нетоксично; тем более, если металл может накапливаться в почвах и водах, а затем передаваться растениям и, в меньшей степени, животным.

В настоящее время скандий все еще не представляет ощутимого риска по сравнению с более тяжелыми металлами; такие как кадмий, ртуть и свинец.

Приложения

сплавы

Хотя цена скандия высока по сравнению с другими металлами, такими как сам титан или иттрий, его применение в конечном итоге стоит усилий и инвестиций. Один из них - использовать его в качестве добавки к алюминиевым сплавам.

Таким образом, сплавы Sc-Al (и другие металлы) сохраняют свою легкость, но становятся еще более устойчивыми к коррозии при высоких температурах (не трескаются) и по прочности не уступают титану.

Эффект, который скандий оказывает на эти сплавы, настолько велик, что достаточно добавить его в следовых количествах (менее 0,5% по массе), чтобы его свойства резко улучшились, не наблюдая заметного увеличения его веса. Говорят, что при массовом использовании однажды он может снизить вес самолета на 15-20%.

Точно так же сплавы скандия использовались для рам револьверов или для производства спортивных товаров, таких как бейсбольные биты, специальные велосипеды, удочки, клюшки для гольфа и т.д .; хотя титановые сплавы, как правило, заменяют их, потому что они дешевле.

Наиболее известным из этих сплавов является Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , который по прочности, как титан, легок, как алюминий, и тверд, как керамика.

3D печать

Сплавы Sc-Al использовались для изготовления металлических 3D-отпечатков, чтобы размещать или добавлять их слои на предварительно выбранном твердом теле.

Освещение стадиона

Маяки на стадионах имитируют солнечный свет благодаря действию йодида скандия вместе с парами ртути. Источник: Pexels.

Йодид скандия, ScI ₃ , добавляется (вместе с йодидом натрия) в ртутные лампы для создания искусственного света, имитирующего солнце. Вот почему на стадионах или некоторых спортивных площадках, даже ночью, освещение внутри них такое, что создается ощущение просмотра игры средь бела дня.

Подобные эффекты использовались для электрических устройств, таких как цифровые камеры, телевизионные экраны или компьютерные мониторы. Точно так же фары с такими лампами _3- Hg ScI используются в кино- и телестудиях.

Твердооксидные топливные элементы

SOFC, аббревиатура на английском языке (твердооксидный топливный элемент), использует оксид или керамику в качестве электролитической среды; в данном случае твердое тело, содержащее ионы скандия. Его использование в этих устройствах связано с его большой электропроводностью и способностью стабилизировать повышение температуры; так они работают без перегрева.

Примером одного такого твердого оксида является цирконит, стабилизированный скандием (опять же Sc ₂ O ₃ ).

керамика

Карбид скандия и титан составляют керамику исключительной твердости, уступающую только алмазу. Однако его использование ограничено материалами для очень сложных приложений.

Органические координационные кристаллы

Ионы Sc ³⁺ могут координироваться с несколькими органическими лигандами, особенно если это кислородсодержащие молекулы.

Это связано с тем, что образующиеся связи Sc-O очень стабильны и, следовательно, приводят к образованию кристаллов с удивительной структурой, в порах которых могут запускаться химические реакции, ведущие себя как гетерогенные катализаторы; или для размещения нейтральных молекул, ведущих себя как твердое хранилище.

Аналогичным образом, такие органические координационные кристаллы скандия можно использовать для создания сенсорных материалов, молекулярных сит или ионных проводников.

Ссылки

1. Ирина Штангеева. (2004). Скандий. Санкт-Петербургский государственный университет Санкт-Петербург. Получено с: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Скандий. Получено с: en.wikipedia.org
3. Редакторы энциклопедии Британника. (2019). Скандий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
4. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе скандия. Chemicool. Получено с: chemicool.com
5. Масштаб. (2018). Скандий. Получено с: scale-project.eu
6. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 июля 2019 г.). Обзор скандия. Получено с: thinkco.com
7. Кисть А.А., Жук Л.И., Данилова Е.А., Махмудов Е.А. (2012). К вопросу о биологической роли скандия. Получено с: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Фазовые превращения под высоким давлением в иттрии и скандии: отношение к кристаллическим структурам редкоземельных элементов и актинидов. Журнал магнетизма и магнитных материалов, том 29, выпуски 1–3, страницы 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Марина Олеговна Барсукова и др. (2018). Скандий-органические каркасы: успехи и перспективы. Russ. Chem.Rev.87 1139.
10. Инвестиционная сеть новостей. (11 ноября 2014 г.). Применение скандия: обзор. Dig Media Inc. Получено с: investingnews.com