SCANDIUM: SEJARAH, SIFAT, REAKSI, RISIKO DAN PENGGUNAAN - KIMIA - 2025

The skandium adalah logam peralihan yang kimia simbol adalah Sc adalah yang pertama daripada logam peralihan dalam jadual berkala, tetapi juga merupakan salah satu daripada unsur-unsur nadir bumi bersama-kurangnya .; Walaupun sifatnya mungkin menyerupai lantanida, tidak semua pengarang setuju untuk mengklasifikasikannya sedemikian rupa.

Pada tahap popular, unsur kimia tidak diketahui. Namanya, lahir dari mineral nadir bumi dari Scandinavia, mungkin bersebelahan dengan tembaga, besi atau emas. Walau bagaimanapun, ia masih mengagumkan, dan sifat fizikal aloi dapat menandingi titanium.

Sampel skandium unsur ultrapure. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Juga, semakin banyak langkah dibuat dalam dunia teknologi, terutama dari segi pencahayaan dan laser. Sesiapa yang melihat rumah api memancarkan cahaya yang serupa dengan cahaya matahari, secara tidak langsung akan menyaksikan adanya skandium. Jika tidak, ia adalah item yang menjanjikan untuk pembuatan pesawat.

Masalah utama yang dihadapi oleh pasaran skandium adalah bahawa ia tersebar secara meluas, dan tidak ada mineral atau sumbernya yang kaya; jadi pengekstrakannya mahal, walaupun bukan logam dengan kelimpahan rendah di kerak bumi. Secara semula jadi ia dijumpai sebagai oksida, pepejal yang tidak mudah dikurangkan.

Dalam sebilangan besar sebatiannya, bukan organik atau organik, ia bergabung dalam ikatan dengan bilangan pengoksidaan +3; iaitu dengan andaian adanya kation Sc ³⁺ . Scandium adalah asid yang agak kuat, dan ia dapat membentuk ikatan koordinasi yang sangat stabil dengan atom oksigen molekul organik.

Sejarah

Scandium diakui sebagai unsur kimia pada tahun 1879, oleh ahli kimia Switzerland Lars F. Nilson. Dia bekerja dengan mineral euxenite dan gadolinite dengan tujuan mendapatkan yttrium yang terkandung di dalamnya. Dia mendapati bahawa ada unsur yang tidak diketahui jejak mereka berkat kajian analisis spektroskopi (spektrum pelepasan atom).

Dari mineral tersebut, dia dan pasukannya berjaya memperoleh skandium oksida masing-masing, sebuah nama yang diterima kerana telah pasti mengumpulkan sampel dari Scandinavia; mineral yang pada masa itu disebut nadir bumi.

Namun, lapan tahun sebelumnya, pada tahun 1871, Dmitri Mendeleev telah meramalkan adanya skandium; tetapi dengan nama ekaboro, yang bermaksud sifat kimianya serupa dengan sifat boron.

Dan sebenarnya ahli kimia Switzerland Per Teodor Cleve yang mengaitkan skandium dengan ekaboro, sehingga menjadi unsur kimia yang sama. Khususnya, yang memulakan blok logam peralihan dalam jadual berkala.

Bertahun-tahun berlalu ketika pada tahun 1937, Werner Fischer dan rakan-rakannya, berjaya mengasingkan skandium logam (tetapi tidak murni), melalui elektrolisis campuran kalium, litium dan skandium klorida. Tidak sampai tahun 1960 akhirnya dapat diperoleh dengan kemurnian sekitar 99%.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Elemen skandium (asli dan tulen) dapat mengkristal menjadi dua struktur (allotropes): heksagon ringkas (hcp) dan kubik berpusat badan (bcc). Yang pertama biasanya disebut sebagai fasa α, dan yang kedua adalah fasa β.

Fasa α heksagon yang lebih padat stabil pada suhu persekitaran; sementara fasa β kubik yang kurang padat stabil di atas 1337 ºC. Oleh itu, pada suhu terakhir ini berlaku peralihan antara kedua fasa atau allotrop (dalam hal logam).

Perhatikan bahawa walaupun skandium biasanya mengkristal menjadi pepejal hcp, ia tidak menjadikannya logam yang sangat padat; sekurang-kurangnya, ya lebih banyak daripada aluminium. Dari konfigurasi elektroniknya, dapat diketahui elektron mana yang biasanya mengambil bahagian dalam ikatan logamnya:

3d ¹ 4s ²

Oleh itu, ketiga-tiga elektron orbit 3d dan 4s campur tangan dengan cara di mana atom Sc terletak di kristal.

Untuk memadankan menjadi kristal heksagon, daya tarikan intinya mesti sedemikian rupa sehingga ketiga elektron ini, terlindung lemah oleh elektron cangkang dalam, tidak tersasar jauh dari atom Sc dan, akibatnya, jarak di antara keduanya sempit.

Fasa tekanan tinggi

Fasa α dan β dikaitkan dengan perubahan suhu; namun, ada fasa tetragonal, mirip dengan niobium logam, Nb, yang terjadi apabila skandium logam mengalami tekanan lebih besar dari 20 GPa.

Nombor pengoksidaan

Scandium boleh kehilangan maksimum tiga elektron valensinya (3d ¹ 4s ² ). Secara teori, yang pertama "pergi" adalah yang berada di orbit 4s.

Oleh itu, dengan andaian adanya kation Sc ⁺ dalam sebatian tersebut, nombor pengoksidaannya adalah +1; yang sama dengan mengatakan bahawa dia kehilangan elektron dari orbit 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Sekiranya ia adalah Sc ²⁺ , nombor pengoksidaannya akan menjadi +2, dan ia akan kehilangan dua elektron (3d ¹ 4s ⁰ ); dan jika Sc ³⁺ , kation yang paling stabil, ia akan mempunyai bilangan pengoksidaan +3, dan isoelektronik untuk argon.

Ringkasnya, nombor pengoksidaannya adalah: +1, +2, dan +3. Sebagai contoh, dalam Sc ₂ O ₃ bilangan pengoksidaan scandium adalah +3 kerana kewujudan Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) dianggap .

Hartanah

Penampilan fizikal

Ia adalah logam putih keperakan dalam bentuk tulen dan unsur, dengan tekstur lembut dan halus. Ia memperoleh nada kekuningan-merah jambu ketika mula ditutup dengan lapisan oksida (Sc ₂ O ₃ ).

Jisim molar

44.955 g / mol.

Takat lebur

1541 ° C.

Takat didih

2836 ° C.

Kapasiti haba molar

25.52 J / (mol · K).

Panas pelakuran

14.1 kJ / mol.

Haba pengewapan

332.7 kJ / mol.

Kekonduksian terma

66 µΩ · cm pada 20 ° C.

Ketumpatan

2.985 g / mL, pepejal, dan 2.80 g / mL, cecair. Perhatikan bahawa ketumpatan keadaan pepejalnya hampir dengan aluminium (2.70 g / mL), yang bermaksud bahawa kedua-dua logam itu sangat ringan; tetapi skandium mencair pada suhu yang lebih tinggi (takat lebur aluminium ialah 660.3 ºC).

Elektronegativiti

1.36 pada skala Pauling.

Tenaga pengionan

Pertama: 633.1 kJ / mol (Sc ⁺ gas).

Kedua: 1235.0 kJ / mol (Sc ²⁺ gas).

Ketiga: 2388.6 kJ / mol ( gas Sc ³⁺ ).

Radio atom

162 petang.

Susunan magnet

Paramagnetik.

Isotop

Dari semua isotop scandium, ⁴⁵ Sc menempati hampir 100% dari jumlah keseluruhan (ini tercermin pada berat atomnya hampir 45 u).

Yang lain terdiri daripada radioisotop dengan separuh hayat yang berbeza; seperti ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83.8 hari), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3.35 hari), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 jam), dan ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43.7 jam). Radioisotop lain mempunyai t _1/2 kurang dari 4 jam.

Keasidan

Kation Sc ³⁺ adalah asid yang agak kuat. Sebagai contoh, di dalam air ia dapat membentuk kompleks berair ³⁺ , yang pada gilirannya dapat mengubah pH menjadi nilai di bawah 7, kerana fakta bahawa ia menghasilkan ion H ₃ O ⁺ sebagai produk hidrolisisnya:

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

Keasidan scandium juga dapat ditafsirkan mengikut definisi Lewis: ia mempunyai kecenderungan tinggi untuk menerima elektron dan, oleh itu, untuk membentuk kompleks koordinasi.

Nombor penyelarasan

Satu sifat penting dari skandium adalah bahawa nombor koordinatnya, di sebilangan besar sebatian, struktur atau kristal organiknya, adalah 6; ini bermaksud bahawa Sc dikelilingi oleh enam jiran (atau membentuk enam ikatan). Di atas, berair kompleks ³⁺ adalah contoh paling mudah dari semua.

Dalam kristal, pusat-pusat Sc adalah oktahedral; sama ada berinteraksi dengan ion lain (dalam pepejal ion), atau dengan atom neutral yang terikat secara kovalen (dalam pepejal kovalen).

Contoh yang terakhir kita ada al, yang membentuk struktur rantai dengan kumpulan AcO (asetiloksi atau asetoksi) bertindak sebagai jambatan antara atom Sc.

Tatanama

Oleh kerana secara lalai jumlah pengoksidaan skandium di sebilangan besar sebatiannya adalah +3, ia dianggap unik dan tatanama itu disederhanakan dengan ketara; sangat serupa dengan yang berlaku dengan logam alkali atau aluminium itu sendiri.

Contohnya, pertimbangkan oksida, Sc ₂ O ₃ . Formula kimia yang sama menunjukkan terlebih dahulu keadaan pengoksidaan +3 untuk skandium. Oleh itu, untuk memanggil kompaun ini sebagai skandium, dan seperti yang lain, sistem nominal, stok dan tradisional digunakan.

Sc ₂ O ₃ kemudian adalah scandium oxide, menurut nomenklatur stok, menghilangkan (III) (walaupun bukan satu-satunya keadaan pengoksidaannya); scandic oxide, dengan akhiran –ico di hujung nama mengikut tatanama tradisional; dan diescandium trioxide, mematuhi peraturan awalan numerik Yunani dari tatanama sistematik.

Peranan biologi

Scandium, buat masa ini, tidak mempunyai peranan biologi yang ditentukan. Maksudnya, tidak diketahui bagaimana tubuh dapat mengumpul atau mengasimilasikan ion Sc ³⁺ ; enzim spesifik mana yang dapat menggunakannya sebagai kofaktor, jika memberikan pengaruh pada sel, walaupun serupa, dengan ion Ca ²⁺ atau Fe ³⁺ .

Namun, diketahui bahawa ion Sc ³⁺ memberikan kesan antibakteria mungkin dengan mengganggu metabolisme ion Fe ³⁺ .

Beberapa kajian statistik dalam perubatan mungkin mengaitkannya dengan gangguan perut, kegemukan, diabetes, leptomeningitis serebrum dan penyakit lain; tetapi tanpa hasil yang cukup terang.

Begitu juga, tanaman biasanya tidak mengumpulkan sejumlah besar skandium di daun atau batangnya, tetapi di akar dan nodulnya. Oleh itu, dapat dikatakan bahawa kepekatannya dalam biomassa rendah, menunjukkan sedikit penyertaan dalam fungsi fisiologinya dan, akibatnya, ia akhirnya terkumpul lebih banyak di tanah.

Tempat mencari dan pengeluaran

Mineral dan bintang

Scandium mungkin tidak banyak seperti unsur kimia lain, tetapi kehadirannya di kerak bumi melebihi merkuri dan beberapa logam berharga. Sebenarnya, jumlahnya hampir dengan kobalt dan berilium; Untuk setiap tan batu, 22 gram skandium dapat diekstrak.

Masalahnya ialah atom mereka tidak terletak tetapi tersebar; iaitu, tidak ada mineral yang kaya dengan skandium dalam komposisi jisimnya. Oleh itu, dikatakan tidak mempunyai keutamaan untuk mana-mana anion pembentuk mineral khas (seperti karbonat, CO ₃ ^2- , atau sulfida, S ^2- ).

Ia tidak dalam keadaan tulen. Juga oksida yang paling stabil, Sc ₂ O ₃ , yang bergabung dengan logam atau silikat lain untuk menentukan mineral; seperti thortveitite, euxenite dan gadolinite.

Ketiga-tiga mineral ini (jarang berlaku) mewakili sumber semula jadi utama Scandium, dan terdapat di wilayah Norway, Iceland, Scandinavia dan Madagascar.

Jika tidak, ion Sc ³⁺ boleh dimasukkan sebagai kekotoran di beberapa batu permata, seperti akuamarin, atau di lombong uranium. Dan di langit, di dalam bintang-bintang, elemen ini berada di kedudukan nombor 23 yang banyak; agak tinggi jika keseluruhan Cosmos dipertimbangkan.

Sisa dan sisa industri

Baru saja dikatakan bahawa skandium juga dapat ditemukan sebagai kekotoran. Sebagai contoh, ia terdapat dalam pigmen TiO ₂ ; dalam sisa pemprosesan uranium, serta mineral radioaktifnya; dan dalam residu bauksit dalam pengeluaran aluminium logam.

Ia juga terdapat pada laterit nikel dan kobalt, yang terakhir menjadi sumber skandium yang menjanjikan di masa depan.

Pengurangan metalurgi

Kesukaran luar biasa dalam pengekstrakan skandium, yang memakan masa yang lama untuk memperolehnya dalam keadaan asli atau logam, disebabkan oleh kenyataan bahawa Sc ₂ O ₃ sukar dikurangkan; lebih daripada TiO ₂ , kerana Sc ^{3+ menunjukkan} pertalian yang lebih besar daripada Ti ⁴⁺ terhadap O ^2- (dengan andaian 100% watak ion dalam oksida masing-masing).

Maksudnya, lebih mudah untuk menghilangkan oksigen TiO ₂ daripada Sc ₂ O ₃ dengan agen pengurang yang baik (biasanya logam karbon atau alkali atau alkali bumi). Itulah sebabnya Sc ₂ O ₃ mula-mula diubah menjadi sebatian yang pengurangannya kurang bermasalah; seperti scandium fluoride, ScF ₃ . Seterusnya, ScF ₃ dikurangkan dengan kalsium logam:

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

Sc ₂ O ₃ berasal dari mineral yang telah disebutkan, atau ia adalah hasil sampingan dari pengekstrakan unsur-unsur lain (seperti uranium dan besi). Ini adalah bentuk komersial skandium, dan pengeluaran tahunannya yang rendah (15 tan) mencerminkan tingginya kos pemprosesan, selain pengekstrakannya dari batu.

Elektrolisis

Kaedah lain untuk menghasilkan skandium adalah mendapatkan garam klorida, ScCl ₃ , dan kemudian menjalani elektrolisis. Oleh itu, skandium logam dihasilkan dalam satu elektrod (seperti span), dan gas klorin dihasilkan di satu elektrod yang lain.

Reaksi

Amfoterisme

Scandium bukan sahaja berkongsi dengan aluminium ciri-ciri logam ringan, tetapi juga amfoterik; iaitu, mereka berkelakuan seperti asid dan basa.

Sebagai contoh, ia bertindak balas, seperti logam peralihan lain, dengan asid kuat untuk menghasilkan garam dan gas hidrogen:

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

Dengan berbuat demikian, ia berkelakuan seperti asas (bertindak balas dengan HCl). Tetapi, dengan cara yang sama ia bertindak balas dengan asas kuat, seperti natrium hidroksida:

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

Dan sekarang ia bertindak seperti asid (bertindak balas dengan NaOH), untuk membentuk garam scandate; natrium, Na ₃ Sc (OH) ₆ , dengan anion scandate, Sc (OH) ₆ ^3- .

Pengoksidaan

Apabila terkena udara, skandium mula mengoksidasi oksida masing-masing. Tindak balas dipercepat dan dikatalisis secara automatik sekiranya sumber haba digunakan. Tindak balas ini ditunjukkan oleh persamaan kimia berikut:

4Sc + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Halides

Scandium bertindak balas dengan semua halogen untuk membentuk halida formula kimia am ScX ₃ (X = F, Cl, Br, dll.).

Contohnya, ia bertindak balas dengan yodium mengikut persamaan berikut:

2Sc + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Dengan cara yang sama ia bertindak balas dengan klorin, bromin dan fluorin.

Pembentukan hidroksida

Skandium logam boleh larut dalam air untuk menghasilkan gas hidroksida dan hidrogen masing-masing:

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

Hidrolisis asid

Kompleks berair ³⁺ dapat dihidrolisis sedemikian rupa sehingga akhirnya membentuk jambatan Sc- (OH) -Sc, hingga menentukan gugus dengan tiga atom scandium.

Risiko

Sebagai tambahan kepada peranan biologisnya, kesan fisiologi dan toksikologi skandium tidak diketahui.

Dalam bentuk unsur ini dipercayai tidak beracun, kecuali padatannya yang terbahagi halus dihirup, sehingga menyebabkan kerosakan pada paru-paru. Begitu juga, sebatiannya disebabkan ketoksikan sifar, oleh itu pengambilan garamnya secara teori tidak boleh menunjukkan risiko; selagi dosnya tidak tinggi (diuji pada tikus).

Walau bagaimanapun, data mengenai aspek-aspek ini sangat terhad. Oleh itu, tidak boleh diandaikan bahawa mana-mana sebatian scandium benar-benar tidak beracun; lebih-lebih lagi jika logam dapat terkumpul di tanah dan perairan, kemudian mengalir ke tumbuhan, dan pada tahap yang lebih rendah, ke haiwan.

Pada masa ini, skandium masih tidak menunjukkan risiko yang ketara berbanding dengan logam yang lebih berat; seperti kadmium, merkuri, dan plumbum.

Permohonan

Aloi

Walaupun harga skandium tinggi berbanding dengan logam lain seperti titanium atau yttrium itu sendiri, aplikasinya akhirnya bernilai usaha dan pelaburan. Salah satunya ialah menggunakannya sebagai bahan tambahan untuk aloi aluminium.

Dengan cara ini, aloi Sc-Al (dan logam lain) mengekalkan ringannya, tetapi menjadi lebih tahan terhadap kakisan, pada suhu tinggi (mereka tidak retak), dan sekuat titanium.

Begitu juga kesan skandium terhadap aloi ini sehingga cukup untuk menambahkannya dalam jumlah jejak (kurang daripada 0.5% jisim) agar sifatnya bertambah drastik tanpa memerhatikan kenaikan berat badan yang ketara. Dikatakan bahawa jika digunakan secara besar-besaran suatu hari, ia dapat menurunkan berat pesawat sebanyak 15-20%.

Begitu juga, aloi scandium telah digunakan untuk bingkai revolver, atau untuk pembuatan artikel sukan, seperti kelawar besbol, basikal khas, pancing, kelab golf, dan lain-lain; walaupun aloi titanium cenderung menggantikannya kerana harganya lebih murah.

Aloi ini yang paling terkenal ialah Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , yang sekuat titanium, ringan seperti aluminium, dan keras seperti seramik.

Percetakan 3D

Aloi Sc-Al telah digunakan untuk membuat cetakan 3D logam, untuk meletakkan atau menambahkan lapisan pada pepejal yang dipilih sebelumnya.

Pencahayaan stadium

Rumah api di stadium meniru cahaya matahari berkat tindakan scandium iodida bersama dengan wap merkuri. Sumber: Pexels.

Scandium iodide, ScI ₃ , ditambahkan (bersama dengan natrium iodida) ke lampu wap merkuri untuk membuat lampu buatan yang meniru matahari. Itulah sebabnya di stadium atau beberapa bidang sukan, bahkan pada waktu malam, pencahayaan di dalamnya sedemikian rupa sehingga memberikan sensasi menonton permainan di siang hari.

Kesan serupa telah digunakan untuk peranti elektrik seperti kamera digital, skrin televisyen, atau monitor komputer. Begitu juga, lampu depan dengan lampu _3- Hg ScI seperti itu terdapat di studio filem dan televisyen.

Sel bahan api oksida pepejal

SOFC, untuk singkatannya dalam bahasa Inggeris (sel bahan bakar oksida pepejal) menggunakan oksida atau seramik sebagai medium elektrolitik; dalam kes ini, pepejal yang mengandungi ion scandium. Penggunaannya dalam peranti ini disebabkan oleh kekonduksian elektrik dan kemampuannya untuk menstabilkan kenaikan suhu; jadi mereka bekerja tanpa terlalu panas.

Contoh salah satu oksida pepejal tersebut ialah zirkonit stabil scandium (seperti Sc ₂ O ₃ , sekali lagi).

Seramik

Scandium karbida dan titanium membentuk seramik dengan kekerasan yang luar biasa, yang kedua dengan berlian. Walau bagaimanapun, penggunaannya terhad kepada bahan dengan aplikasi yang sangat maju.

Kristal koordinasi organik

Ion Sc ³⁺ dapat berkoordinasi dengan banyak ligan organik, terutamanya jika molekul beroksigen.

Ini kerana ikatan Sc-O yang terbentuk sangat stabil, dan oleh itu akhirnya membina kristal dengan struktur yang luar biasa, di mana pori reaksi kimia dapat dicetuskan, berkelakuan seperti pemangkin heterogen; atau untuk menempatkan molekul neutral, berkelakuan seperti simpanan pepejal.

Begitu juga, kristal koordinasi skandium organik seperti itu dapat digunakan untuk merancang bahan sensori, penyaring molekul, atau konduktor ion.

Rujukan

1. Irina Shtangeeva. (2004). Skandium. Universiti Negeri Saint Petersburg Saint Petersburg. Dipulihkan dari: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Skandium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (2019). Skandium. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
4. Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Scandium. Chemicool. Dipulihkan dari: chemicool.com
5. Skala. (2018). Skandium. Dipulihkan dari: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Julai 2019). Gambaran Keseluruhan Scandium. Dipulihkan dari: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA, & Makhmudov, EA (2012). Mengenai persoalan peranan biologi skandium. Dipulihkan dari: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Transformasi fasa tekanan tinggi di yttrium dan scandium: Hubungan dengan nadir bumi dan struktur kristal aktinida. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, Issues 1–3, Pages 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova et al. (2018). Rangka kerja organik-scandium: kemajuan dan prospek. Russ. Chem. Rev 87 1139.
10. Rangkaian Berita Pelaburan. (11 November 2014). Aplikasi Scandium: Gambaran Keseluruhan. Dig Media Inc. Dipulihkan dari: investingnews.com