Das Scandium es ist ein Übergangsmetall, dessen chemisches Symbol Sc ist. Es ist das erste der Übergangsmetalle im Periodensystem, aber es ist auch eines der weniger verbreiteten Elemente der Seltenen Erden; Obwohl seine Eigenschaften denen von Lanthaniden ähneln können, sind nicht alle Autoren damit einverstanden, es so zu klassifizieren.
Auf der populären Ebene ist es ein chemisches Element, das unbemerkt bleibt. Sein Name, der aus den Seltenerdmineralien aus Skandinavien stammt, kann neben Kupfer, Eisen oder Gold vorkommen. Es ist jedoch immer noch beeindruckend und die physikalischen Eigenschaften seiner Legierungen können mit denen von Titan konkurrieren..
Ebenso werden in der Welt der Technik immer mehr Schritte unternommen, insbesondere in Bezug auf Beleuchtung und Laser. Wer einen Leuchtturm beobachtet hat, der ein der Sonne ähnliches Licht ausstrahlt, wird indirekt Zeuge der Existenz von Skandium geworden sein. Ansonsten ist es ein vielversprechender Artikel für den Flugzeugbau.
Das Hauptproblem des Scandium-Marktes besteht darin, dass er weit verbreitet ist und es keine Mineralien oder reichen Quellen dafür gibt. Daher ist seine Gewinnung teuer, selbst wenn es sich nicht um ein Metall mit geringem Vorkommen in der Erdkruste handelt. In der Natur wird es als sein Oxid gefunden, ein Feststoff, der nicht leicht reduziert werden kann.
In den meisten seiner anorganischen oder organischen Verbindungen ist es mit einer Oxidationszahl von +3 an der Bindung beteiligt; das heißt, unter der Annahme des Vorhandenseins des Sc-Kations3+. Scandium ist eine relativ starke Säure und kann sehr stabile Koordinationsbindungen mit den Sauerstoffatomen organischer Moleküle bilden..
Artikelverzeichnis
Scandium wurde 1879 vom Schweizer Chemiker Lars F. Nilson als chemisches Element anerkannt. Er arbeitete mit den Mineralien Euxenit und Gadolinit, um das darin enthaltene Yttrium zu erhalten. Er entdeckte, dass seine Spuren dank der Untersuchung der spektroskopischen Analyse (Atomemissionsspektrum) ein unbekanntes Element enthielten..
Aus den Mineralien gelang es ihm und seinem Team, das jeweilige Scandiumoxid zu erhalten, ein Name, der dafür erhalten wurde, dass er die Proben sicher aus Skandinavien gesammelt hatte. Mineralien, die bis dahin Seltene Erden genannt wurden.
Acht Jahre zuvor, 1871, hatte Dmitri Mendeleev jedoch die Existenz von Skandium vorhergesagt. aber mit dem Namen ekaboro, was bedeutete, dass seine chemischen Eigenschaften denen von Bor ähnlich waren.
Tatsächlich war es der Schweizer Chemiker Per Teodor Cleve, der Ekaboro Scandium zuschrieb und damit das gleiche chemische Element war. Insbesondere derjenige, der den Block der Übergangsmetalle im Periodensystem beginnt.
Viele Jahre vergingen, als es Werner Fischer und seinen Mitarbeitern 1937 gelang, metallisches Scandium (aber unrein) durch Elektrolyse eines Gemisches aus Kalium-, Lithium- und Scandiumchloriden zu isolieren. Erst 1960 war es endlich möglich, es mit einer Reinheit von etwa 99% zu erhalten..
Elementares Scandium (nativ und rein) kann in zwei Strukturen (Allotrope) kristallisieren: kompaktes hexagonales (hcp) und die körperzentrierte Kubik (bcc). Die erste wird üblicherweise als α-Phase und die zweite als β-Phase bezeichnet..
Die dichtere hexagonale α-Phase ist bei Umgebungstemperaturen stabil; während die weniger dichte kubische β-Phase oberhalb von 1337 ºC stabil ist. Somit tritt bei dieser letzten Temperatur ein Übergang zwischen beiden Phasen oder Allotropen auf (im Fall von Metallen).
Es ist zu beachten, dass Scandium zwar normalerweise zu einem hcp-Feststoff kristallisiert, dies jedoch nicht bedeutet, dass es ein sehr dichtes Metall ist. Zumindest ja mehr als Aluminium. Aus seiner elektronischen Konfiguration kann man erkennen, welche Elektronen normalerweise an seiner metallischen Bindung beteiligt sind:
[Ar] 3d1 4szwei
Daher intervenieren die drei Elektronen der 3d- und 4s-Orbitale so, wie sich die Sc-Atome im Kristall befinden..
Um sich zu einem hexagonalen Kristall zu verdichten, muss die Anziehungskraft seiner Kerne so sein, dass diese drei Elektronen, die durch die Elektronen der inneren Schalen schwach abgeschirmt sind, nicht zu weit von den Sc-Atomen entfernt sind und folglich die Abstände zwischen ihnen enger werden..
Die α- und β-Phasen sind mit Temperaturänderungen verbunden; Es gibt jedoch eine tetragonale Phase, ähnlich der des Metalls Niob Nb, die entsteht, wenn das metallische Scandium einem Druck von mehr als 20 GPa ausgesetzt wird.
Scandium kann maximal seine drei Valenzelektronen verlieren (3d14szwei). Theoretisch sind die ersten, die "gehen", diejenigen im 4s-Orbital..
Unter der Annahme der Existenz des Kations Sc+ in der Verbindung beträgt ihre Oxidationszahl +1; Das ist das gleiche wie zu sagen, dass er ein Elektron aus dem 4s-Orbital verloren hat (3d14s1).
Wenn es der Sc istzwei+, Ihre Oxidationszahl ist +2 und Sie haben zwei Elektronen verloren (3d14s0); und wenn es der Sc ist3+, Das stabilste dieser Kationen hat eine Oxidationszahl von +3 und ist für Argon isoelektronisch.
Kurz gesagt, ihre Oxidationszahlen sind: +1, +2 und +3. Zum Beispiel in der SczweiODER3 Die Oxidationszahl von Scandium beträgt +3, da die Existenz von Sc angenommen wird3+ (Sczwei3+ODER3zwei-).
Es ist ein silberweißes Metall in seiner reinen und elementaren Form mit einer weichen und glatten Textur. Es erhält gelblich-rosa Töne, wenn es mit einer Oxidschicht bedeckt wird (SczweiODER3).
44,955 g / mol.
1541 ºC.
2836 ºC.
25,52 J / (mol K).
14,1 kJ / mol.
332,7 kJ / mol.
66 μΩ cm bei 20 ºC.
2,985 g / ml, fest und 2,80 g / ml, flüssig. Beachten Sie, dass seine Festkörperdichte nahe an der von Aluminium (2,70 g / ml) liegt, was bedeutet, dass beide Metalle sehr leicht sind. Scandium schmilzt jedoch bei einer höheren Temperatur (der Schmelzpunkt von Aluminium beträgt 660,3 ºC)..
1,36 auf der Pauling-Skala.
Erstens: 633,1 kJ / mol (Sc+ gasförmig).
Zweitens: 1235,0 kJ / mol (Sczwei+ gasförmig).
Drittens: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gasförmig).
162 Uhr.
Paramagnetisch.
Von allen Isotopen des Scandiums Vier fünfSc nimmt fast 100% der gesamten Häufigkeit ein (dies spiegelt sich in seinem Atomgewicht nahe 45 u wider)..
Die anderen bestehen aus Radioisotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten; Als die 46Sc (t1/2 = 83,8 Tage), 47Sc (t1/2 = 3,35 Tage), 44Sc (t1/2 = 4 Stunden) und 48Sc (t1/2 = 43,7 Stunden). Andere Radioisotope haben t1/2 weniger als 4 Stunden.
Das Kation Sc3+ es ist eine relativ starke Säure. Beispielsweise kann es in Wasser den wässrigen Komplex bilden [Sc (H.zweiODER)6]]3+, Dies kann wiederum den pH-Wert auf einen Wert unter 7 bringen, da H-Ionen erzeugt werden3ODER+ als Produkt seiner Hydrolyse:
[Sc (H.zweiODER)6]]3+(ac) + H.zweiO (l) <=> [Sc (H.zweiODER)5OH]zwei+(ac) + H.3ODER+(ac)
Der Säuregehalt von Scandium kann auch nach der Lewis-Definition interpretiert werden: Es hat eine hohe Tendenz, Elektronen aufzunehmen und daher Koordinationskomplexe zu bilden.
Eine wichtige Eigenschaft von Scandium ist, dass seine Koordinationszahl sowohl in den meisten anorganischen Verbindungen, Strukturen als auch in organischen Kristallen 6 beträgt; Das heißt, der Sc ist von sechs Nachbarn umgeben (oder bildet sechs Bindungen). Oben ist der Komplex wässrig [Sc (H.zweiODER)6]]3+ ist das einfachste Beispiel von allen.
In Kristallen sind die Zentren von Sc oktaedrisch; entweder mit anderen Ionen (in ionischen Festkörpern) oder mit neutralen Atomen, die kovalent gebunden sind (in kovalenten Festkörpern).
Beispiel für letzteres haben wir [Sc (OAc)3], die eine Kettenstruktur bildet, wobei die AcO-Gruppen (Acetyloxy oder Acetoxy) als Brücken zwischen den Sc-Atomen wirken.
Da die Oxidationszahl von Scandium in den meisten seiner Verbindungen fast standardmäßig +3 beträgt, wird es als einzigartig angesehen und die Nomenklatur wird daher erheblich vereinfacht. sehr ähnlich wie bei Alkalimetallen oder Aluminium selbst.
Betrachten Sie zum Beispiel Ihren Rost, SczweiODER3. Die gleiche chemische Formel gibt im Voraus die Oxidationsstufe von +3 für Scandium an. Um diese Verbindung als Scandium zu bezeichnen, werden wie bei anderen die systematischen, Standard- und traditionellen Nomenklaturen verwendet..
Der SczweiODER3 Es ist dann Scandiumoxid, gemäß der Stammnomenklatur, wobei (III) weggelassen wird (obwohl es nicht seine einzige mögliche Oxidationsstufe ist); Scandic Oxide mit dem Suffix -ico am Ende des Namens gemäß traditioneller Nomenklatur; und Diescandiumtrioxid unter Befolgung der Regeln der griechischen numerischen Präfixe der systematischen Nomenklatur.
Scandium fehlt derzeit eine definierte biologische Rolle. Das heißt, es ist nicht bekannt, wie der Körper Sc-Ionen akkumulieren oder assimilieren kann3+;; Welche spezifischen Enzyme können es als Cofaktor verwenden, wenn es einen Einfluss auf Zellen ausübt, wenn auch ähnlich wie Ca-Ionenzwei+ o Glaube3+.
Es ist jedoch bekannt, dass Sc-Ionen3+ antibakterielle Wirkungen ausüben, möglicherweise durch Störung des Fe-Ionen-Metabolismus3+.
Einige statistische Studien in der Medizin verbinden es möglicherweise mit Magenstörungen, Fettleibigkeit, Diabetes, zerebraler Leptomeningitis und anderen Krankheiten; aber ohne ausreichend aufschlussreiche Ergebnisse.
Ebenso sammeln Pflanzen normalerweise keine nennenswerten Mengen an Scandium in ihren Blättern oder Stängeln an, sondern in ihren Wurzeln und Knötchen. Daher kann argumentiert werden, dass seine Konzentration in der Biomasse gering ist, was auf eine geringe Beteiligung an seinen physiologischen Funktionen hinweist, und folglich, dass es sich mehr in Böden ansammelt..
Scandium ist möglicherweise nicht so häufig wie andere chemische Elemente, aber seine Anwesenheit in der Erdkruste übersteigt die von Quecksilber und einigen Edelmetallen. Tatsächlich kommt seine Häufigkeit der von Kobalt und Beryllium nahe; Für jede Tonne Steine können 22 Gramm Scandium gewonnen werden.
Das Problem ist, dass seine Atome nicht lokalisiert, sondern verstreut sind; Das heißt, es gibt keine Mineralien, die in ihrer Massenzusammensetzung genau reich an Scandium sind. Daher wird gesagt, dass es keine der typischen mineralbildenden Anionen (wie Carbonat, CO) bevorzugt3zwei-, oder Schwefel, S.zwei-).
Es ist nicht in seinem reinen Zustand. Es ist auch nicht das stabilste Oxid, SczweiODER3, die sich mit anderen Metallen oder Silikaten verbindet, um Mineralien zu definieren; wie Thortveitit, Euxenit und Gadolinit.
Diese drei Mineralien (an sich selten) stellen die wichtigsten natürlichen Quellen von Scandium dar und kommen in Regionen Norwegens, Islands, Skandinaviens und Madagaskars vor..
Ansonsten sind die Ionen Sc3+ Sie können als Verunreinigungen in einigen Edelsteinen wie Aquamarin oder in Uranminen enthalten sein. Und am Himmel, innerhalb der Sterne, steht dieses Element im Überfluss auf Platz 23; ziemlich hoch, wenn der gesamte Kosmos betrachtet wird.
Es wurde gerade gesagt, dass Scandium auch als Verunreinigung gefunden werden kann. Beispielsweise findet man es in TiO-Pigmentenzwei;; in den Abfällen aus der Uranverarbeitung sowie deren radioaktiven Mineralien; und in Bauxitrückständen bei der Herstellung von metallischem Aluminium.
Es kommt auch in Nickel- und Kobaltlateriten vor, wobei letztere in Zukunft eine vielversprechende Quelle für Scandium darstellen..
Die enormen Schwierigkeiten bei der Gewinnung von Scandium, die im nativen oder metallischen Zustand so lange dauerten, waren auf die Tatsache zurückzuführen, dass SczweiODER3 es ist schwer zu reduzieren; noch mehr als TiOzwei, für die Darstellung der Sc3+ eine Affinität größer als die von Ti4+ in Richtung O.zwei- (unter der Annahme eines 100% igen ionischen Charakters in ihren jeweiligen Oxiden).
Das heißt, es ist einfacher, Sauerstoff aus TiO zu entfernenzwei als zu SczweiODER3 mit einem guten Reduktionsmittel (typischerweise Kohlenstoff- oder Alkali- oder Erdalkalimetalle). Deshalb ist der SczweiODER3 es wird zuerst in eine Verbindung umgewandelt, deren Reduktion weniger problematisch ist; wie Scandiumfluorid, ScF3. Als nächstes der ScF3 wird mit metallischem Kalzium reduziert:
2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFzwei(s)
Der SczweiODER3 Entweder stammt es aus den bereits erwähnten Mineralien oder es ist ein Nebenprodukt der Extraktion anderer Elemente (wie Uran und Eisen). Es ist die kommerzielle Form von Scandium, und seine niedrige Jahresproduktion (15 Tonnen) spiegelt die hohen Verarbeitungskosten wider, zusätzlich zu seiner Gewinnung aus Gesteinen..
Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Scandium besteht darin, zuerst sein Chloridsalz ScCl zu erhalten3, und dann einer Elektrolyse unterziehen. Somit wird metallisches Scandium in einer Elektrode (wie ein Schwamm) und Chlorgas in der anderen Elektrode erzeugt.
Scandium teilt mit Aluminium nicht nur die Eigenschaften von Leichtmetallen, sondern ist auch amphoter. Das heißt, sie verhalten sich wie Säuren und Basen.
Beispielsweise reagiert es wie viele andere Übergangsmetalle mit starken Säuren unter Bildung von Salzen und Wasserstoffgas:
2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Hzwei(G)
Dabei verhält es sich wie eine Base (reagiert mit HCl). Es reagiert jedoch auf die gleiche Weise mit starken Basen wie Natriumhydroxid:
2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6HzweiO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Hzwei(G)
Und jetzt verhält es sich wie eine Säure (reagiert mit NaOH), um ein Scandatsalz zu bilden; das von Natrium, Na3Sc (OH)6, mit dem Scandatanion Sc (OH)63-.
Wenn Scandium Luft ausgesetzt wird, beginnt es zu seinem jeweiligen Oxid zu oxidieren. Die Reaktion wird beschleunigt und autokatalysiert, wenn eine Wärmequelle verwendet wird. Diese Reaktion wird durch die folgende chemische Gleichung dargestellt:
4Sc (s) + 3Ozwei(g) => 2SczweiODER3(s)
Scandium reagiert mit allen Halogenen unter Bildung von Halogeniden der allgemeinen chemischen Formel ScX3 (X = F, Cl, Br usw.).
Zum Beispiel reagiert es mit Jod gemäß der folgenden Gleichung:
2Sc (s) + 3Izwei(g) => 2ScI3(s)
Ebenso reagiert es mit Chlor, Brom und Fluor.
Metallisches Scandium kann sich in Wasser lösen und zu seinem jeweiligen Hydroxid- und Wasserstoffgas führen:
2Sc (s) + 6HzweiO (l) => 2Sc (OH)3(s) + H.zwei(G)
Die wässrigen Komplexe [Sc (H.zweiODER)6]]3+ können so hydrolysiert werden, dass sie Sc- (OH) -Sc-Brücken bilden, bis ein Cluster mit drei Scandiumatomen definiert wird.
Zusätzlich zu seiner biologischen Rolle ist nicht bekannt, was genau die physiologischen und toxikologischen Wirkungen von Scandium sind.
In seiner elementaren Form wird angenommen, dass es nicht toxisch ist, es sei denn, sein feinteiliger Feststoff wird eingeatmet, wodurch die Lunge geschädigt wird. Ebenso wird seinen Verbindungen eine Toxizität von Null zugeschrieben, so dass die Aufnahme ihrer Salze theoretisch kein Risiko darstellen sollte; solange die Dosis nicht hoch ist (an Ratten getestet).
Die Daten zu diesen Aspekten sind jedoch sehr begrenzt. Daher kann nicht angenommen werden, dass eine der Scandiumverbindungen wirklich ungiftig ist; Noch weniger, wenn sich das Metall in Böden und Gewässern ansammeln kann und dann auf Pflanzen und in geringerem Maße auf Tiere übergeht.
Derzeit stellt Scandium im Vergleich zu schwereren Metallen noch kein spürbares Risiko dar; wie Cadmium, Quecksilber und Blei.
Obwohl der Preis für Scandium im Vergleich zu anderen Metallen wie Titan oder Yttrium selbst hoch ist, sind seine Anwendungen die Anstrengungen und Investitionen wert. Eine davon ist die Verwendung als Additiv für Aluminiumlegierungen..
Auf diese Weise behalten Sc-Al-Legierungen (und andere Metalle) ihre Leichtigkeit, werden jedoch bei hohen Temperaturen (sie reißen nicht) noch korrosionsbeständiger und sind so stark wie Titan.
Die Wirkung von Scandium auf diese Legierungen ist so groß, dass es ausreicht, es in Spurenmengen (weniger als 0,5 Massen-%) zuzusetzen, damit sich seine Eigenschaften drastisch verbessern, ohne dass eine merkliche Gewichtszunahme beobachtet wird. Es wird gesagt, dass bei einer massiven Nutzung eines Tages das Gewicht von Flugzeugen um 15 bis 20% reduziert werden könnte.
Ebenso wurden Scandiumlegierungen für die Rahmen von Revolvern oder für die Herstellung von Sportartikeln wie Baseballschlägern, Spezialfahrrädern, Angelruten, Golfschlägern usw. Verwendet. obwohl Titanlegierungen dazu neigen, sie zu ersetzen, weil sie billiger sind.
Die bekannteste dieser Legierungen ist AlzwanzigLizwanzigMg10SczwanzigSie30, Das ist so stark wie Titan, so leicht wie Aluminium und so hart wie Keramik.
Sc-Al-Legierungen wurden verwendet, um metallische 3D-Drucke herzustellen, mit dem Ziel, Schichten davon auf einem vorgewählten Feststoff zu platzieren oder hinzuzufügen.
Scandiumiodid, ScI3, Es wird (zusammen mit Natriumiodid) Quecksilberdampflampen zugesetzt, um künstliches Licht zu erzeugen, das die Sonne nachahmt. Aus diesem Grund ist die Beleuchtung in Stadien oder auf einigen Sportplätzen auch nachts so, dass sie das Gefühl vermitteln, ein Spiel am helllichten Tag zu verfolgen..
Ähnliche Effekte wurden für elektrische Geräte wie Digitalkameras, Fernsehbildschirme oder Computermonitore vorgesehen. Auch Scheinwerfer mit solchen Lampen von ScI3-Hg wurden in Film- und Fernsehstudios untergebracht.
SOFC verwendet für sein Akronym im Englischen (Festoxid-Brennstoffzelle) ein Oxid oder eine Keramik als Elektrolytmedium; in diesem Fall ein Feststoff, der Scandiumionen enthält. Die Verwendung in diesen Geräten beruht auf seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und der Fähigkeit, Temperaturerhöhungen zu stabilisieren. So arbeiten sie, ohne zu heiß zu werden.
Ein Beispiel für ein solches festes Oxid ist Scandium-stabilisierter Zirkonit (in Form von SczweiODER3, nochmal).
Scandiumcarbid und Titan bilden eine Keramik von außergewöhnlicher Härte, die nur von Diamanten übertroffen wird. Seine Verwendung ist jedoch auf Materialien mit sehr fortgeschrittenen Anwendungen beschränkt..
Sc-Ionen3+ kann mit mehreren organischen Liganden koordinieren, insbesondere wenn es sich um sauerstoffhaltige Moleküle handelt.
Dies liegt daran, dass die gebildeten Sc-O-Bindungen sehr stabil sind und daher Kristalle mit erstaunlichen Strukturen bilden, in deren Poren chemische Reaktionen ausgelöst werden können, die sich wie heterogene Katalysatoren verhalten. oder neutrale Moleküle aufzunehmen, die sich wie ein fester Speicher verhalten.
Ebenso können solche organischen Scandium-Koordinationskristalle verwendet werden, um sensorische Materialien, Molekularsiebe oder Ionenleiter zu entwerfen..
Bisher hat noch niemand einen Kommentar zu diesem Artikel abgegeben.