SCANDIUM: TARIHÇESI, ÖZELLIKLERI, REAKSIYONLARI, RISKLERI VE KULLANIMLARI - KIMYA - 2025

Skandiyum , kimyasal simgesi Sc Periyodik tabloda geçiş metallerinin ilk bir geçiş metali, aynı zamanda en az ortak bir nadir toprak elemanlarının biri .; Özellikleri lantanitlere benzese de, tüm yazarlar onu böyle bir şekilde sınıflandırmayı onaylamaz.

Popüler düzeyde, fark edilmeyen kimyasal bir elementtir. İskandinavya'dan gelen nadir toprak minerallerinden doğan adı bakır, demir veya altının yanında geçebilir. Ancak yine de etkileyicidir ve alaşımlarının fiziksel özellikleri titanyumunkilerle rekabet edebilir.

Ultra saf elemental skandiyum örneği. Kaynak: Kimyasal Elementlerin Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleri

Ayrıca teknoloji dünyasında özellikle aydınlatma ve lazerler açısından giderek daha fazla adım atılıyor. Güneşe benzer bir ışık yayan bir deniz fenerini gören herkes, dolaylı olarak skandiyumun varlığına şahit olmuş olacaktır. Aksi takdirde uçak üretimi için umut verici bir kalemdir.

Skandiyum pazarının karşı karşıya olduğu temel sorun, geniş bir alana yayılmış olması ve minerallerin veya zengin kaynakların bulunmamasıdır; bu nedenle, yer kabuğunda düşük bolluğa sahip bir metal olmadığında bile çıkarılması pahalıdır. Doğada, kolayca indirgenemeyen bir katı olan oksidi olarak bulunur.

İnorganik veya organik bileşiklerinin büyük bir bölümünde bağa +3 oksidasyon sayısı ile katılır; yani, Sc ³⁺ katyonunun varlığını varsayarak . Skandiyum nispeten güçlü bir asittir ve organik moleküllerin oksijen atomları ile çok kararlı koordinasyon bağları oluşturabilir.

Tarih

Scandium, 1879'da İsviçreli kimyager Lars F. Nilson tarafından kimyasal bir element olarak kabul edildi. İçlerinde bulunan itriyumun elde edilmesi amacıyla öjenit ve gadolinit mineralleri ile çalıştı. Spektroskopik analiz (atomik emisyon spektrumu) çalışması sayesinde izlerinde bilinmeyen bir element olduğunu keşfetti.

Minerallerden, kendisi ve ekibi, İskandinavya'dan örnekleri kesinlikle toplayan bir isim olan ilgili skandiyum oksidi elde etmeyi başardılar; o zamanlar nadir toprak olarak adlandırılan mineraller.

Bununla birlikte, sekiz yıl önce, 1871'de Dmitri Mendeleev skandiyumun varlığını önceden tahmin etmişti; ancak ekaboro adıyla, kimyasal özelliklerinin borunkilere benzer olduğu anlamına geliyordu.

Ve aslında skandiyumu ekaboro'ya bağlayan, dolayısıyla aynı kimyasal element olan İsviçreli kimyager Per Teodor Cleve idi. Spesifik olarak, periyodik tablodaki geçiş metalleri bloğunu başlatan.

1937'de Werner Fischer ve işbirlikçileri, potasyum, lityum ve skandiyum klorürlerin bir karışımının elektrolizi yoluyla metalik skandumu (ancak saf olmayan) izole etmeyi başardıklarında yıllar geçti. 1960 yılına kadar% 99 civarında bir saflıkla elde edilebilmesi mümkün değildi.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Elemental skandiyum (doğal ve saf) iki yapıya (allotroplar) kristalleşebilir: kompakt altıgen (hcp) ve vücut merkezli kübik (bcc). Birincisi genellikle α fazı ve ikincisi β fazı olarak adlandırılır.

Daha yoğun, altıgen α fazı, ortam sıcaklıklarında kararlıdır; daha az yoğun kübik β fazı ise 1337 ºC'nin üzerinde sabittir. Bu nedenle, bu son sıcaklıkta, her iki faz veya allotrop arasında (metaller durumunda) bir geçiş meydana gelir.

Skandiyum normalde bir hcp katısına kristalize olmasına rağmen, onu çok yoğun bir metal yapmaz; en azından evet alüminyumdan daha fazla. Elektronik konfigürasyonundan, normalde hangi elektronların metalik bağına katıldığı öğrenilebilir:

3d ¹ 4s ²

Bu nedenle, 3d ve 4s orbitallerinin üç elektronu, Sc atomlarının kristalde konumlanma şekline müdahale eder.

Altıgen bir kristale sıkıştırmak için, çekirdeğinin çekiciliği, iç kabukların elektronları tarafından zayıf bir şekilde korunan bu üç elektronun Akrep atomlarından çok fazla uzaklaşmaması ve dolayısıyla aralarındaki mesafelerin daralması gerekir.

Yüksek basınç fazı

Α ve β fazları sıcaklıktaki değişikliklerle ilişkilidir; bununla birlikte, metal niyobyum, Nb'ye benzer bir tetragonal faz vardır ve bu, metalik skandiyum 20 GPa'dan daha büyük bir basınca maruz kaldığında ortaya çıkar.

Oksidasyon numaraları

Scandium, maksimum üç değerlik elektronunu (3d ¹ 4s ² ) kaybedebilir . Teoride, ilk "giden" 4s yörüngesindekilerdir.

Böylece, bileşikte Sc ⁺ katyonunun var olduğu varsayıldığında, oksidasyon sayısı +1; 4s yörüngesinden bir elektron kaybettiğini söylemekle aynıdır (3d ¹ 4s ¹ ).

Sc ²⁺ ise, yükseltgenme sayısı +2 olacaktır ve iki elektron kaybetmiş olacaktır (3d ¹ 4s ⁰ ); ve bu katyonların en kararlı olanı Sc ^{3+ ise} , oksidasyon sayısı +3 olacaktır ve argona izoelektroniktir.

Kısacası oksidasyon sayıları: +1, +2 ve +3. Örneğin, Sc ₂ O _3'te skandiyumun oksidasyon sayısı + _3'tür , çünkü Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) varlığı varsayılır .

Özellikleri

Fiziksel görünüş

Yumuşak ve pürüzsüz bir dokuya sahip, saf ve elemental formda gümüşi beyaz bir metaldir. Bir oksit tabakasıyla (Sc ₂ O ₃ ) kaplanmaya başladığında sarımsı pembe tonlar kazanır .

Molar kütle

44.955 g / mol.

Erime noktası

1541 ° C

Kaynama noktası

2836 ° C

Molar ısı kapasitesi

25,52 J / (mol · K).

Füzyon ısısı

14.1 kJ / mol.

Buharlaşma ısısı

332.7 kJ / mol.

Termal iletkenlik

20 ° C'de 66 µ at · cm

Yoğunluk

2.985 g / mL, katı ve 2.80 g / mL, sıvı. Katı hal yoğunluğunun alüminyuma (2.70 g / mL) yakın olduğuna dikkat edin, bu her iki metalin de çok hafif olduğu anlamına gelir; ancak skandiyum daha yüksek bir sıcaklıkta erir (alüminyumun erime noktası 660.3 ºC'dir).

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 1.36.

İyonlaşma enerjileri

İlk: 633,1 kJ / mol (Sc ⁺ gaz).

İkinci: 1235.0 kJ / mol (Sc ²⁺ gaz).

Üçüncü: 2388,6 kJ / mol (Sc ³⁺ gaz).

Atomik radyo

162 pm.

Manyetik düzen

Paramanyetik.

izotopları

Tüm skandiyum izotoplarından ⁴⁵ Sc, toplam bolluğun neredeyse% 100'ünü kaplar (bu, 45 u'ya çok yakın atom ağırlığına yansır).

Diğerleri, farklı yarı ömürleri olan radyoizotoplardan oluşur; örneğin ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83.8 gün), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3.35 gün), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 saat) ve ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 saat). Diğer radyoizotopların t _{1/2 değeri} 4 saatten azdır.

asidite

Sc ³⁺ katyonu nispeten güçlü bir asittir. Örneğin, suda ³⁺ sulu kompleks oluşturabilir ve bu da hidrolizinin bir ürünü olarak H ₃ O ⁺ iyonları ürettiği için pH değerini 7'nin altına çevirebilir :

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

Skandiyumun asitliği, Lewis tanımına göre de yorumlanabilir: elektronları kabul etme ve dolayısıyla koordinasyon kompleksleri oluşturma eğilimi yüksektir.

Koordinasyon numarası

Skandiyumun önemli bir özelliği, inorganik bileşiklerinin, yapılarının veya organik kristallerinin çoğunda koordinasyon numarasının 6 olmasıdır; Akrep'in altı komşuyla çevrili olduğu (veya altı bağ oluşturduğu) anlamına gelir. Yukarıda, karmaşık sulu ³⁺ , hepsinin en basit örneğidir.

Kristallerde Akrep merkezleri oktahedraldir; ya diğer iyonlarla (iyonik katılarda) ya da kovalent olarak bağlı nötr atomlarla (kovalent katılarda) etkileşime girer.

AcO grupları (asetiloksi veya asetoksi) ile Sc atomları arasında köprü görevi gören bir zincir yapısı oluşturan ikincisine bir örnek.

terminoloji

Bileşiklerinin çoğundaki skandiyumun oksidasyon sayısının neredeyse varsayılan olarak +3 olması nedeniyle, benzersiz olduğu düşünülür ve bu nedenle isimlendirme önemli ölçüde basitleştirilir; alkali metallerde veya alüminyumun kendisinde olduğu gibi çok benzer.

Örneğin, oksidi Sc ₂ O _3'ü düşünün . Aynı kimyasal formül, skandiyum için +3 oksidasyon durumunu önceden gösterir. Bu nedenle, bu bileşik skandiyum ve diğerleri gibi, sistematik, stok ve geleneksel adlandırmalar kullanılır.

Sc ₂ O ₃ stok terminoloji, atlanması (III) 'ün (ki değildir, ancak bunun mümkün oksitlenme durumu)' e göre, daha sonra skandiyum oksittir; geleneksel terminolojiye göre ismin sonunda –ico sonekiyle birlikte skandik oksit; ve sistematik isimlendirmenin Yunan sayısal öneklerinin kurallarına uyan diescandium trioksit.

Biyolojik rol

Şu an için skandiyum tanımlanmış bir biyolojik role sahip değil. Yani vücudun Sc ³⁺ iyonlarını nasıl biriktirebileceği veya asimile edebileceği bilinmemektedir ; Ca ²⁺ veya Fe ³⁺ iyonlarına benzer olsa da hücreler üzerinde bir etki yaparsa, hangi spesifik enzimler onu bir kofaktör olarak kullanabilir .

Bununla birlikte, Sc ³⁺ iyonlarının muhtemelen Fe ³⁺ iyonlarının metabolizmasına müdahale ederek antibakteriyel etkiler sergilediği bilinmektedir .

Tıptaki bazı istatistiksel çalışmalar muhtemelen onu mide rahatsızlıkları, obezite, diyabet, serebral leptomenjit ve diğer hastalıklarla ilişkilendirir; ama yeterince aydınlatıcı sonuçlar olmadan.

Aynı şekilde, bitkiler genellikle yapraklarında veya saplarında değil, köklerinde ve yumrularında kayda değer miktarda skandiyum biriktirirler. Bu nedenle, biyokütle içindeki konsantrasyonunun zayıf olduğu, bunun fizyolojik işlevlerine çok az katılımının göstergesi olduğu ve sonuç olarak toprakta daha fazla birikmeye neden olduğu tartışılabilir.

Nerede bulunur ve üretilir

Mineraller ve yıldızlar

Skandiyum, diğer kimyasal elementler kadar bol olmayabilir, ancak yer kabuğundaki varlığı cıva ve bazı değerli metallerden daha fazladır. Aslında, bolluğu kobalt ve berilyuma yakındır; Her ton kaya için 22 gram skandiyum çıkarılabilir.

Sorun, atomlarının konumlandırılmaması, dağılmış olmasıdır; yani, kütle bileşiminde tam olarak skandiyum açısından zengin mineraller yoktur. Nedenle, tipik bir mineral oluşturan anyonların bulunduğu için herhangi bir tercihi (karbonat gibi, CO olduğu söylenir ₃ ^2- ya da sülfür, S ^2- ).

Saf halinde değil. Mineralleri tanımlamak için diğer metaller veya silikatlarla birleşen en kararlı oksidi Sc ₂ O _{3 de değildir} ; tortveitit, ösenit ve gadolinit gibi.

Bu üç mineral (kendi başlarına nadir bulunur), Scandium'un ana doğal kaynaklarını temsil eder ve Norveç, İzlanda, İskandinavya ve Madagaskar bölgelerinde bulunur.

Aksi takdirde, Sc ³⁺ iyonları akuamarin gibi bazı değerli taşlarda veya uranyum madenlerinde safsızlık olarak dahil edilebilir. Ve gökyüzünde, yıldızların içinde, bu element bolca 23. sıradadır; tüm Cosmos dikkate alınırsa oldukça yüksektir.

Endüstriyel atık ve atık

Skandiyumun bir safsızlık olarak da bulunabileceği söylendi. Örneğin TiO ₂ pigmentlerinde bulunur ; uranyum işlemeden kaynaklanan atıkların yanı sıra radyoaktif minerallerinde; ve metalik alüminyum üretiminde boksit kalıntılarında.

Ayrıca nikel ve kobalt latitlerinde de bulunur, ikincisi gelecekte ümit verici bir skandiyum kaynağıdır.

Metalurjik indirgeme

Doğal veya metalik durumda elde edilmesi çok uzun süren skandiyumun çıkarılmasını çevreleyen muazzam zorluklar, Sc ₂ O _3'ün azaltılmasının zor olmasından kaynaklanıyordu ; daha TiO fazla ₂ , SC ^{3+ gösterir} Ti daha büyük bir afinite ⁴⁺ O doğru ^2- (kendi oksitler% 100 iyonik karaktere varsayılarak).

Yani, TiO oksijen de daha kolaydır, bir ₂ Sc daha ₂ O ₃ iyi bir indirgeyici madde (tipik olarak karbon ya da alkali ya da alkalin toprak metalleri) ile yıkanmıştır. Bu nedenle Sc ₂ O ₃ ilk olarak indirgenmesi daha az sorunlu olan bir bileşiğe dönüştürülür; skandiyum florür, ScF _{3 gibi} . Daha sonra ScF ₃ , metalik kalsiyum ile indirgenir:

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

Sc ₂ O ₃ ya daha önce bahsedilen minerallerden gelir ya da diğer elementlerin (uranyum ve demir gibi) ekstraksiyonlarının bir yan ürünüdür. Skandiyumun ticari şeklidir ve düşük yıllık üretimi (15 ton) kayalardan çıkarılmasının yanı sıra yüksek işleme maliyetlerini yansıtır.

Elektroliz

Üretmek skandiyum için diğer bir yöntem, ilk olarak, klorid tuzu, SCCL elde etmektir ₃ ve elektrolize maruz. Böylece bir elektrotta (sünger gibi) metalik skandiyum, diğerinde klor gazı üretilir.

Tepkiler

Amphotericism

Scandium, alüminyum ile sadece hafif metal olma özelliklerini paylaşmakla kalmaz, aynı zamanda amfoteriktir; yani asitler ve bazlar gibi davranırlar.

Örneğin, diğer birçok geçiş metali gibi, tuzlar ve hidrojen gazı üretmek için güçlü asitlerle reaksiyona girer:

2Sc (k) + 6HCl (aq) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (g)

Bunu yaparken bir baz gibi davranır (HCl ile reaksiyona girer). Ancak, sodyum hidroksit gibi güçlü bazlarla aynı şekilde reaksiyona girer:

2SC (k) + 6NaOH (aq) + 6H ₂ O (I) => 2Na ₃ Sc (OH) ₆ (aq) + 3H ₂ (g)

Ve şimdi bir skandat tuzu oluşturmak için bir asit gibi davranır (NaOH ile reaksiyona girer); Na sodyum olduğu ₃ Sc (OH) ₆ ScanDate anyon ile, Sc (OH) ₆ ^3- .

Oksidasyon

Havaya maruz kaldığında, skandiyum ilgili oksitine oksitlenmeye başlar. Bir ısı kaynağı kullanılırsa reaksiyon hızlanır ve otomatik olarak katalize edilir. Bu reaksiyon aşağıdaki kimyasal denklem ile temsil edilir:

4Sc (k) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (k)

Halojenürler

Scandium, genel kimyasal formül ScX _3'ün (X = F, Cl, Br, vb.) Halojenürlerini oluşturmak için tüm halojenlerle reaksiyona girer .

Örneğin iyotla aşağıdaki denkleme göre reaksiyona girer:

2Sc (k) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (k)

Aynı şekilde klor, brom ve flor ile reaksiyona girer.

Hidroksit oluşumu

Metalik skandiyum, kendi hidroksitini ve hidrojen gazını üretmek için suda çözünebilir:

2Sc (k) + 6H ₂ O (l) => 2Sc (OH) ₃ (k) + H ₂ (g)

Asit hidrolizi

Sulu ³⁺ kompleksleri , üç skandiyum atomlu bir küme tanımlayana kadar Sc- (OH) -Sc köprüleri oluşturacak şekilde hidrolize edilebilir.

Riskler

Biyolojik rolüne ek olarak, skandiyumun kesin fizyolojik ve toksikolojik etkileri bilinmemektedir.

İnce bölünmüş katı solunmadıkça, böylece akciğerlere zarar vermedikçe, temel formunda toksik olmadığı düşünülmektedir. Benzer şekilde, bileşikleri sıfır toksisite olarak adlandırılır, bu nedenle teoride tuzlarının yutulması herhangi bir risk oluşturmamalıdır; doz yüksek olmadığı sürece (sıçanlarda test edilmiştir).

Ancak bu hususlarla ilgili veriler çok sınırlıdır. Bu nedenle, herhangi bir skandiyum bileşiğinin gerçekten toksik olmadığı varsayılamaz; daha da az, eğer metal toprakta ve sularda birikebilirse, o zaman bitkilere ve daha az ölçüde hayvanlara geçebilir.

Şu anda skandiyum, ağır metallere kıyasla hala aşikar bir risk oluşturmuyor; kadmiyum, cıva ve kurşun gibi.

Uygulamalar

alaşımlar

Skandiyumun fiyatı, titanyum veya itriyum gibi diğer metallere kıyasla yüksek olsa da, uygulamaları çabalara ve yatırımlara değer oluyor. Bunlardan biri, alüminyum alaşımları için katkı maddesi olarak kullanılmasıdır.

Bu şekilde, Sc-Al alaşımları (ve diğer metaller) hafifliklerini korurlar, ancak yüksek sıcaklıklarda korozyona karşı daha da dirençli hale gelirler (çatlamazlar) ve titanyum kadar güçlüdürler.

Öyle ki, skandiyumun bu alaşımlar üzerindeki etkisi, ağırlığında kayda değer bir artış gözlemlemeden özelliklerinin büyük ölçüde iyileştirilmesi için onu eser miktarlarda (kütlece% 0,5'ten az) eklemek yeterlidir. Bir gün yoğun kullanılırsa uçak ağırlığını% 15-20 azaltabileceği söyleniyor.

Benzer şekilde, skandiyum alaşımları, revolverlerin çerçevelerinde veya beyzbol sopaları, özel bisikletler, oltalar, golf sopaları, vb. Gibi spor eşyalarının üretiminde kullanılmıştır; titanyum alaşımları daha ucuz oldukları için bunların yerini alma eğiliminde olmasına rağmen.

Bu alaşımlardan en iyi bilineni titanyum kadar güçlü, alüminyum kadar hafif ve seramik kadar sert olan Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti _30'dur .

3D baskı

Sc-Al alaşımları, önceden seçilmiş bir katı üzerine bunların katmanlarını yerleştirmek veya eklemek için metalik 3D baskılar yapmak için kullanılmıştır.

Stadyum aydınlatmaları

Stadyumlardaki fenerler, cıva buharları ile birlikte skandiyum iyodürün hareketi sayesinde güneş ışığını taklit ediyor. Kaynak: Pexels.

Güneşi taklit eden yapay ışıklar oluşturmak için cıva buharlı lambalara skandiyum iyodür, ScI ₃ (sodyum iyodür ile birlikte) eklenir. Bu yüzden stadyumlarda ya da bazı spor sahalarında gece bile içlerindeki aydınlatma, gün ışığında maç izleme hissini verecek kadar güçlüdür.

Dijital kameralar, televizyon ekranları veya bilgisayar monitörleri gibi elektrikli cihazlar için benzer efektler kullanılmıştır. Aynı şekilde, bu tür ₃ Hg ScI lambalı farlar film ve televizyon stüdyolarına yerleştirilmiştir.

Katı oksit yakıt hücreleri

SOFC, İngilizce kısaltması için (katı oksit yakıt hücresi) elektrolitik ortam olarak bir oksit veya seramik kullanır; bu durumda, skandiyum iyonları içeren bir katı. Bu cihazlarda kullanımı, yüksek elektrik iletkenliği ve sıcaklık artışlarını stabilize etme kabiliyetinden kaynaklanmaktadır; bu yüzden aşırı ısınmadan çalışırlar.

Böyle bir katı oksit örneği, skandiyum stabilize zirkonit (Sc gibidir ₂ O ₃ , tekrar).

Seramik

Skandiyum karbür ve titanyum, sırf elmaslardan sonra ikinci sırada olağanüstü sertlikte bir seramiği oluşturur. Ancak kullanımı çok gelişmiş uygulamalara sahip malzemelerle sınırlıdır.

Organik koordinasyon kristalleri

Sc ³⁺ iyonları , özellikle oksijenli moleküller ise, çoklu organik ligandlarla koordine olabilir.

Bunun nedeni, oluşan Sc-O bağlarının çok kararlı olmasıdır ve bu nedenle, gözeneklerinde kimyasal tepkimeler tetiklenebilen, heterojen katalizörler gibi davranan şaşırtıcı yapılara sahip kristaller oluşturur; veya katı bir depo gibi davranan nötr molekülleri barındırmak için

Benzer şekilde, bu tür organik skandiyum koordinasyon kristalleri, duyusal malzemeler, moleküler elekler veya iyon iletkenleri tasarlamak için kullanılabilir.

Referanslar

1. Irina Shtangeeva. (2004). Skandiyum. Saint Petersburg Eyalet Üniversitesi Saint Petersburg. Researchgate.net adresinden kurtarıldı
2. Vikipedi. (2019). Skandiyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. Encyclopaedia Britannica'nın Editörleri. (2019). Skandiyum. Encyclopædia Britannica. Britannica.com'dan kurtarıldı
4. Doug Stewart. (2019). Scandium Element Gerçekleri. Chemicool. Chemicool.com'dan kurtarıldı
5. Ölçek. (2018). Skandiyum. Kurtarıldı: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Temmuz 2019). Scandium'a Genel Bakış. Kurtarıldı: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA ve Makhmudov, EA (2012). Skandiyumun biyolojik rolü konusunda. Inis.iaea.org adresinden kurtarıldı
8. WAGrosshans, YKVohra ve WBHolzapfel. (1982). Yitriyum ve skandiyumda yüksek basınçlı faz dönüşümleri: Nadir topraklar ve aktinid kristal yapıları ile ilişkisi. Manyetizma ve Manyetik Malzemeler Dergisi Cilt 29, Sorunlar 1–3, Sayfalar 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova vd. (2018). Scandium-organik çerçeveler: ilerleme ve beklentiler. Russ. Chem Rev. 87 1139.
10. Yatırım Haber Ağı. (11 Kasım 2014). Scandium Uygulamaları: Genel Bakış. Dig Media Inc. Kurtarıldı: investingnews.com