História, propriedades, reações, riscos e usos do escândio

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Philip Kelley

O escândio é um metal de transição cujo símbolo químico é Sc. É o primeiro dos metais de transição na tabela periódica, mas também é um dos elementos menos comuns das terras raras; embora suas propriedades possam ser semelhantes às dos lantanídeos, nem todos os autores aprovam classificá-lo dessa forma.

No nível popular, é um elemento químico que passa despercebido. Seu nome, nascido dos minerais de terras raras da Escandinávia, pode ser próximo ao cobre, ferro ou ouro. No entanto, ainda é impressionante, e as propriedades físicas de suas ligas podem competir com as do titânio..

Amostra ultrapura de escândio elementar. Fonte: Imagens de alta resolução de elementos químicos [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Da mesma forma, cada vez mais passos estão sendo dados no mundo da tecnologia, especialmente em termos de iluminação e lasers. Quem já observou um farol irradiando uma luz semelhante à do sol, terá testemunhado indiretamente a existência de escândio. Caso contrário, é um item promissor para a fabricação de aeronaves.

O principal problema do mercado de escândio é que ele é amplamente disperso e não há minerais ou fontes ricas dele; logo, sua extração é cara, mesmo quando não é um metal com baixa abundância na crosta terrestre. Na natureza é encontrado como seu óxido, um sólido que não pode ser facilmente reduzido.

Na maioria de seus compostos, inorgânicos ou orgânicos, participa da ligação com um número de oxidação de +3; isto é, assumindo a presença do cátion3+. O escândio é um ácido relativamente forte e pode formar ligações de coordenação muito estáveis ​​com os átomos de oxigênio das moléculas orgânicas..

Índice do artigo

  • 1 história
  • 2 Estrutura e configuração eletrônica
    • 2.1 Fase de alta pressão
    • 2.2 números de oxidação
  • 3 propriedades
    • 3.1 Aparência física
    • 3.2 Massa molar
    • 3.3 Ponto de fusão
    • 3.4 Ponto de ebulição
    • Capacidade de calor de 3,5 molares
    • 3.6 Calor de fusão
    • 3.7 Calor de vaporização
    • 3.8 Condutividade térmica
    • 3.9 Densidade
    • 3.10 Eletronegatividade
    • 3.11 Energias de ionização
    • 3.12 Raio atômico
    • 3.13 Ordem magnética
    • 3.14 Isótopos
    • 3,15 acidez
    • 3.16 Número de coordenação
  • 4 Nomenclatura
  • 5 papel biológico
  • 6 Onde encontrar e produção
    • 6.1 Minerais e estrelas
    • 6.2 Resíduos e resíduos industriais
    • 6.3 Redução metalúrgica
    • 6.4 Eletrólise
  • 7 reações
    • 7.1 Anfoterismo
    • 7,2 oxidação
    • 7,3 Halides
    • 7.4 Formação de hidróxido
    • 7.5 Hidrólise ácida
  • 8 riscos
  • 9 usos
    • 9.1 Ligas
    • 9.2 impressão 3D
    • 9.3 Luzes do estádio
    • 9.4 Células a combustível de óxido sólido
    • 9.5 Cerâmica
    • 9.6 Cristais de coordenação orgânica
  • 10 referências

História

O escândio foi reconhecido como elemento químico em 1879, pelo químico suíço Lars F. Nilson. Ele trabalhou com os minerais euxenita e gadolinita com o intuito de obter o ítrio neles contido. Ele descobriu que havia um elemento desconhecido em seus vestígios graças ao estudo da análise espectroscópica (espectro de emissão atômica).

Dos minerais, ele e sua equipe conseguiram obter o respectivo óxido de escândio, nome recebido por ter seguramente coletado as amostras na Escandinávia; minerais que até então eram chamados de terras raras.

No entanto, oito anos antes, em 1871, Dmitri Mendeleev previra a existência de escândio; mas com o nome de ekaboro, o que significava que suas propriedades químicas eram semelhantes às do boro. 

E foi de fato o químico suíço Per Teodor Cleve quem atribuiu o escândio ao ekaboro, sendo portanto o mesmo elemento químico. Especificamente, aquele que inicia o bloco de metais de transição na tabela periódica.

Muitos anos se passaram quando em 1937, Werner Fischer e seus colaboradores, conseguiram isolar o escândio metálico (mas impuro), por meio da eletrólise de uma mistura de cloretos de potássio, lítio e escândio. Só em 1960 é que finalmente foi possível obtê-lo com uma pureza de cerca de 99%..

Estrutura e configuração eletrônica

O escândio elementar (nativo e puro) pode se cristalizar em duas estruturas (alótropos): hexagonal compacto (hcp) e a cúbica centrada no corpo (bcc). A primeira é geralmente chamada de fase α e a segunda de fase β..

A fase α hexagonal mais densa é estável à temperatura ambiente; enquanto a fase β cúbica menos densa é estável acima de 1337 ºC. Assim, nesta última temperatura ocorre uma transição entre ambas as fases ou alótropos (no caso dos metais).

Observe que, embora o escândio normalmente se cristalize em um sólido hcp, isso não significa que seja um metal muito denso; pelo menos, sim, mais do que alumínio. A partir de sua configuração eletrônica pode-se saber quais elétrons normalmente participam de sua ligação metálica:

[Ar] 3d1 4sdois

Portanto, os três elétrons dos orbitais 3d e 4s intervêm na maneira como os átomos de Sc estão localizados no cristal..

Para se compactar em um cristal hexagonal, a atração de seus núcleos deve ser tal que esses três elétrons, fracamente protegidos pelos elétrons das camadas internas, não se afastem muito dos átomos de Sc e, conseqüentemente, as distâncias entre eles se estreitem..

Fase de alta pressão

As fases α e β estão associadas a mudanças de temperatura; No entanto, existe uma fase tetragonal, semelhante à do nióbio metálico, Nb, que ocorre quando o escândio metálico sofre uma pressão superior a 20 GPa.

Números de oxidação

O escândio pode perder até um máximo de seus três elétrons de valência (3d14sdois) Em teoria, os primeiros a "irem" são aqueles no orbital 4s..

Assim, assumindo a existência do cátion Sc+ no composto, seu número de oxidação é +1; o que é o mesmo que dizer que ele perdeu um elétron do orbital 4s (3d14s1).

Se for o Scdois+, seu número de oxidação será +2, e você terá perdido dois elétrons (3d14s0); e se for o Sc3+, o mais estável desses cátions, terá um número de oxidação de +3 e é isoeletrônico ao argônio.

Resumindo, seus números de oxidação são: +1, +2 e +3. Por exemplo, no ScdoisOU3 o número de oxidação do escândio é +3 ​​porque a existência de Sc é assumida3+ (Scdois3+OU3dois-).

Propriedades

Aparência física

É um metal branco prateado na sua forma pura e elementar, com uma textura macia e suave. Adquire tons rosa-amarelados quando começa a ser recoberto por uma camada de óxido (ScdoisOU3).

Massa molar

44,955 g / mol.

Ponto de fusão

1541 ºC.

Ponto de ebulição

2836 ºC.

Capacidade de calor molar

25,52 J / (mol K).

Calor de fusão

14,1 kJ / mol.

Calor da vaporização

332,7 kJ / mol.

Condutividade térmica

66 μΩ cm a 20 ºC.

Densidade

2,985 g / mL, sólido e 2,80 g / mL, líquido. Observe que sua densidade no estado sólido é próxima à do alumínio (2,70 g / mL), o que significa que ambos os metais são muito leves; mas o escândio derrete a uma temperatura mais alta (o ponto de fusão do alumínio é 660,3 ºC).

Eletro-negatividade

1,36 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 633,1 kJ / mol (Sc+ gasoso).

Segundo: 1235,0 kJ / mol (Scdois+ gasoso).

Terceiro: 2388,6 kJ / mol (Sc3+ gasoso).

Rádio atômico

162 pm.

Ordem magnética

Paramagnético.

Isótopos

De todos os isótopos de escândio, Quatro cincoSc ocupa quase 100% da abundância total (isso se reflete em seu peso atômico muito próximo de 45 u).

Os outros consistem em radioisótopos com diferentes meias-vidas; como ele 46Sc (t1/2 = 83,8 dias), 47Sc (t1/2 = 3,35 dias), 44Sc (t1/2 = 4 horas), e 48Sc (t1/2 = 43,7 horas). Outros radioisótopos têm t1/2 menos de 4 horas.

Acidez

O cátion Sc3+ é um ácido relativamente forte. Por exemplo, em água pode formar o complexo aquoso [Sc (HdoisOU)6]3+, que por sua vez pode virar o pH para um valor abaixo de 7, porque gera íons H3OU+ como um produto de sua hidrólise:

[Sc (HdoisOU)6]3+(ac) + HdoisO (l)    <=>   [Sc (HdoisOU)5OH]dois+(ac) + H3OU+(ac)

A acidez do escândio também pode ser interpretada de acordo com a definição de Lewis: tem alta tendência a aceitar elétrons e, portanto, formar complexos de coordenação..

Número de coordenação

Uma propriedade importante do escândio é que seu número de coordenação, tanto na maioria de seus compostos inorgânicos, estruturas ou cristais orgânicos, é 6; ou seja, o Sc é cercado por seis vizinhos (ou forma seis ligações). Acima, o complexo aquoso [Sc (HdoisOU)6]3+ é o exemplo mais simples de todos.

Nos cristais, os centros de Sc são octaédricos; quer interagindo com outros íons (em sólidos iônicos), ou com átomos neutros ligados covalentemente (em sólidos covalentes).

Exemplo do último, temos [Sc (OAc)3], que forma uma estrutura de cadeia com os grupos AcO (acetiloxi ou acetoxi) atuando como pontes entre os átomos de Sc.

Nomenclatura

Como quase por padrão o número de oxidação do escândio na maioria de seus compostos é +3, ele é considerado único e a nomenclatura é, portanto, significativamente simplificada; muito semelhante ao que acontece com os metais alcalinos ou o próprio alumínio.

Por exemplo, considere sua ferrugem, ScdoisOU3. A mesma fórmula química indica antecipadamente o estado de oxidação de +3 para o escândio. Assim, para chamar este composto de escândio, e como outros, utilizam-se as nomenclaturas sistemática, estoque e tradicional..

O SCdoisOU3 É então óxido de escândio, de acordo com a nomenclatura de estoque, omitindo (III) (embora não seja seu único estado de oxidação possível); óxido escândico, com o sufixo -ico no final do nome de acordo com a nomenclatura tradicional; e trióxido de diescândio, obedecendo às regras dos prefixos numéricos gregos da nomenclatura sistemática..

Papel biológico

O escândio, por enquanto, não tem um papel biológico definido. Ou seja, não se sabe como o corpo pode acumular ou assimilar cions3+; quais enzimas específicas podem usá-lo como cofator, se exercer uma influência nas células, embora semelhante, aos íons de Cadois+ o Fé3+.

Sabe-se, entretanto, que Scions3+ exercem efeitos antibacterianos, possivelmente interferindo no metabolismo do íon Fe3+.

Alguns estudos estatísticos dentro da medicina possivelmente o relacionam a distúrbios estomacais, obesidade, diabetes, leptomeningite cerebral e outras doenças; mas sem resultados suficientemente esclarecedores.

Da mesma forma, as plantas geralmente não acumulam quantidades apreciáveis ​​de escândio em suas folhas ou caules, mas sim em suas raízes e nódulos. Portanto, pode-se argumentar que sua concentração na biomassa é pobre, indicativo de pouca participação em suas funções fisiológicas e, conseqüentemente, acaba se acumulando mais nos solos..

Onde está localizado e produção

Minerais e estrelas

O escândio pode não ser tão abundante quanto outros elementos químicos, mas sua presença na crosta terrestre excede a do mercúrio e de alguns metais preciosos. Na verdade, sua abundância se aproxima da de cobalto e berílio; para cada tonelada de rochas, 22 gramas de escândio podem ser extraídos.

O problema é que seus átomos não estão localizados, mas sim espalhados; isto é, não há minerais que sejam precisamente ricos em escândio em sua composição de massa. Portanto, é dito que ele não tem preferência por nenhum dos ânions formadores de minerais típicos (como carbonato, CO3dois-, ou enxofre, Sdois-).

Não está em seu estado puro. Nem é o seu óxido mais estável, ScdoisOU3, que se combina com outros metais ou silicatos para definir minerais; como tortveitita, euxenita e gadolinita.

Esses três minerais (raros em si) representam as principais fontes naturais do Escândio e são encontrados nas regiões da Noruega, Islândia, Escandinávia e Madagascar..

Caso contrário, os íons Sc3+ eles podem ser incorporados como impurezas em algumas gemas, como água-marinha ou em minas de urânio. E no céu, dentro das estrelas, este elemento ocupa o 23º lugar em abundância; bastante alto se todo o Cosmos for considerado.

Resíduos industriais e resíduos

Acabou de ser dito que o escândio também pode ser considerado uma impureza. Por exemplo, é encontrado em pigmentos de TiOdois; nos resíduos do processamento do urânio, bem como seus minerais radioativos; e em resíduos de bauxita na produção de alumínio metálico.

Também é encontrado em lateritas de níquel e cobalto, sendo esta última uma fonte promissora de escândio no futuro..

Redução metalúrgica

As tremendas dificuldades em torno da extração de escândio, e que demorou tanto para ser obtido no estado nativo ou metálico, foram devido ao fato de que ScdoisOU3 é difícil reduzir; ainda mais do que TiOdois, para mostrar o Sc3+ uma afinidade maior do que a de Ti4+ em direção ao Odois- (assumindo 100% de caráter iônico em seus respectivos óxidos).

Ou seja, é mais fácil remover o oxigênio do TiOdois do que ScdoisOU3 com um bom agente de redução (normalmente carbono ou metais alcalinos ou alcalino-terrosos). É por isso que o ScdoisOU3 é primeiro transformado em um composto cuja redução é menos problemática; como fluoreto de escândio, ScF3. Em seguida, o ScF3 é reduzido com cálcio metálico:

2ScF3(s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaFdois(s)

O SCdoisOU3 Ou provém dos minerais já mencionados, ou é um subproduto da extração de outros elementos (como urânio e ferro). É a forma comercial do escândio, e sua baixa produção anual (15 toneladas) reflete os altos custos de processamento, além da extração das rochas..

Eletrólise

Outro método de produção de escândio é primeiro obter seu sal de cloreto, ScCl3, e então submetê-lo à eletrólise. Assim, o escândio metálico é produzido em um eletrodo (como uma esponja) e o cloro gasoso é produzido no outro.

Reações

Anfoterismo

O escândio não só compartilha com o alumínio as características de ser um metal leve, mas também anfotérico; ou seja, eles se comportam como ácidos e bases.

Por exemplo, ele reage, como muitos outros metais de transição, com ácidos fortes para produzir sais e gás hidrogênio:

2Sc (s) + 6HCl (aq) => 2ScCl3(aq) + 3Hdois(g)

Ao fazer isso, ele se comporta como uma base (reage com HCl). Mas, ele reage da mesma forma com bases fortes, como o hidróxido de sódio:

2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6HdoisO (l) => 2Na3Sc (OH)6(aq) + 3Hdois(g)

E agora ele se comporta como um ácido (reage com NaOH), para formar um sal escândalo; o de sódio, Na3Sc (OH)6, com o ânion escandato, Sc (OH)63-.

Oxidação

Quando exposto ao ar, o escândio começa a se oxidar em seu respectivo óxido. A reação é acelerada e autocatalisada se uma fonte de calor for usada. Esta reação é representada pela seguinte equação química:

4Sc (s) + 3Odois(g) => 2ScdoisOU3(s)

Halides

O escândio reage com todos os halogênios para formar haletos de fórmula química geral ScX3 (X = F, Cl, Br, etc.).

Por exemplo, ele reage com o iodo de acordo com a seguinte equação:

2Sc (s) + 3Idois(g) => 2ScI3(s)

Da mesma forma reage com cloro, bromo e flúor.

Formação de hidróxido

O escândio metálico pode se dissolver na água para dar origem ao seu respectivo hidróxido e gás hidrogênio:

2Sc (s) + 6HdoisO (l) => 2Sc (OH)3(s) + Hdois(g)

Hidrólise ácida

Os complexos aquosos [Sc (HdoisOU)6]3+ podem ser hidrolisados ​​de tal forma que acabam formando pontes Sc- (OH) -Sc, até definir um cluster com três átomos de escândio.

Riscos

Não se sabe, além do seu papel biológico, quais são exatamente os efeitos fisiológicos e toxicológicos do escândio..

Em sua forma elementar, acredita-se que não seja tóxico, a menos que seu sólido finamente dividido seja inalado, causando danos aos pulmões. Da mesma forma, seus compostos são atribuídos a toxicidade zero, portanto, a ingestão de seus sais em teoria não deveria representar nenhum risco; contanto que a dose não seja alta (testado em ratos).

No entanto, os dados sobre esses aspectos são muito limitados. Portanto, não se pode presumir que qualquer um dos compostos de escândio seja realmente não tóxico; menos ainda se o metal puder se acumular no solo e nas águas, passando então para as plantas e, em menor grau, para os animais.

No momento, o escândio ainda não representa um risco palpável em comparação com metais mais pesados; como cádmio, mercúrio e chumbo.

Formulários

Ligas

Embora o preço do escândio seja alto se comparado a outros metais como o titânio ou o próprio ítrio, suas aplicações acabam valendo os esforços e investimentos. Uma delas é usá-lo como aditivo para ligas de alumínio..

Dessa forma, as ligas Sc-Al (e outros metais) retêm sua leveza, mas se tornam ainda mais resistentes à corrosão, em altas temperaturas (não trincam) e são tão fortes quanto o titânio.

Tanto é o efeito que o escândio tem sobre essas ligas, que basta adicioná-lo em pequenas quantidades (menos de 0,5% em massa) para que suas propriedades melhorem drasticamente sem observar um aumento apreciável em seu peso. Diz-se que, se usado maciçamente um dia, poderia reduzir o peso da aeronave em 15-20%.

Da mesma forma, ligas de escândio têm sido usadas para armações de revólveres ou para a fabricação de artigos esportivos, como tacos de beisebol, bicicletas especiais, canas de pesca, tacos de golfe, etc .; embora ligas de titânio tendam a substituí-los porque são mais baratos.

A mais conhecida dessas ligas é o AlvinteLivinteMg10ScvinteVocês30, que é forte como titânio, leve como alumínio e duro como cerâmica.

impressao 3D

Ligas de Sc-Al têm sido usadas para fazer impressões 3D metálicas, com o propósito de colocar ou adicionar camadas delas em um sólido pré-selecionado.

Iluminações de estádio

Os faróis dos estádios imitam a luz do sol graças à ação do iodeto de escândio junto com os vapores de mercúrio. Fonte: Pexels.

Iodeto de escândio, ScI3, é adicionado (junto com o iodeto de sódio) às lâmpadas de vapor de mercúrio para criar luzes artificiais que imitam o sol. É por isso que em estádios ou em alguns campos desportivos, mesmo à noite, a iluminação no seu interior é tal que dá a sensação de ver um jogo em plena luz do dia..

Efeitos semelhantes foram planejados para dispositivos elétricos, como câmeras digitais, telas de televisão ou monitores de computador. Além disso, faróis com essas lâmpadas da ScI3-Hg foi localizado em estúdios de cinema e televisão.

Células a combustível de óxido sólido

SOFC, por sua sigla em inglês (solid oxide fuel cell) usa um óxido ou cerâmica como meio eletrolítico; neste caso, um sólido contendo íons escândio. A sua utilização nestes dispositivos deve-se à sua grande condutividade elétrica e capacidade de estabilizar os aumentos de temperatura; então eles funcionam sem ficar muito quente.

Um exemplo de um desses óxidos sólidos é a zirconita estabilizada com escândio (na forma de ScdoisOU3, outra vez).

Cerâmica

O carboneto de escândio e o titânio formam uma cerâmica de excepcional dureza, só superada pela dos diamantes. No entanto, seu uso é restrito a materiais com aplicações muito avançadas..

Cristais de coordenação orgânica

Sc ions3+ pode coordenar com vários ligantes orgânicos, especialmente se eles forem moléculas oxigenadas.

Isso porque as ligações Sc-O formadas são muito estáveis ​​e, portanto, acabam formando cristais com estruturas surpreendentes, em cujos poros podem ser desencadeadas reações químicas, comportando-se como catalisadores heterogêneos; ou para hospedar moléculas neutras, comportando-se como um armazenamento sólido.

Da mesma forma, tais cristais de coordenação de escândio orgânico podem ser usados ​​para projetar materiais sensoriais, peneiras moleculares ou condutores de íons..

Referências

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