Escandio
Elemento químico con número atómico 21 (Sc)
Escandio,  21 Sc
Escandio
Pronunciación/ ˈ s k æ n d i ə m / ​( SKAN -dee-əm )
Aparienciablanco plateado
Peso atómico estándar A r °(Sc)
  • 44,955 907 ± 0,000 004 [1]
  • 44,956 ± 0,001  ( abreviado ) [2]
El escandio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
–
↑
Sc
↓
Y
calcio ← escandio → titanio
Número atómico ( Z )21
Grupogrupo 3
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloque d
Configuración electrónica[ Ar ] 3d 1 4s 2
Electrones por capa2, 8, 9, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión1814  K (1541 °C, 2806 °F)
Punto de ebullición3109 K (2836 °C, 5136 °F)
Densidad (a 20° C)2,989 g/cm3 [  3]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )2,80 g/ cm3
Calor de fusión14,1  kJ/mol
Calor de vaporización332,7 kJ/mol
Capacidad calorífica molar25,52 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)16451804(2006)(2266)(2613)(3101)
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3,
0, [4] +1, [5] +2, [6]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,36
Energías de ionización
  • 1º: 633,1 kJ/mol
  • 2º: 1235,0 kJ/mol
  • 3º: 2388,6 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 162  pm
Radio covalente170 ± 7 pm
Radio de Van der Waals211 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del escandio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaHexagonal compacto (hcp) ( hP2 )
Constantes de red
Estructura cristalina compacta y hexagonal del escandio
a  = 330,89 pm c  = 526,80 pm (a 20 °C) [3]
Expansión térmica9,97 × 10 −6 /K (a 20 °C) [a]
Conductividad térmica15,8 W/(m⋅K)
Resistividad eléctricaα, poli: 562 nΩ⋅m (a temperatura ambiente, calculado)
Ordenamiento magnéticoparamagnético
Susceptibilidad magnética molar+315,0 × 10 −6  cm 3 /mol (292 K) [7]
Módulo de Young74,4 promedio de calificaciones
Módulo de corte29,1 promedio de calificaciones
Módulo volumétrico56,6 promedio de calificaciones
Relación de Poisson0,279
Dureza Brinell736–1200 MPa
Número CAS7440-20-2
Historia
Nombramientodespués de Escandinavia
PredicciónDmitri Mendeléyev (1871)
Descubrimiento y primer aislamientoLars Fredrik Nilson (1879)
Isótopos del escandio
Isótopos principales [8]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
44m2 cuadradossintetizador58,61 horasÉL44 Sc
gamma44 Sc
mi44 Ca
45 sc100%estable
46 Scsintetizador83,79 díasβ −46Ti​
gamma–
47 Scsintetizador80,38 horasβ −47Ti​
gamma–
48 scsintetizador43,67 horasβ −48Ti​
gamma–
 Categoría: Escandio
| referencias

El escandio es un elemento químico de símbolo Sc y número atómico 21. Es un elemento metálico de color blanco plateado del bloque d . Históricamente, se ha clasificado como un elemento de tierras raras , [9] junto con el itrio y los lantánidos . Fue descubierto en 1879 mediante análisis espectral de los minerales euxenita y gadolinita de Escandinavia . [10]

El escandio está presente en la mayoría de los yacimientos de compuestos de tierras raras y uranio , pero se extrae de estos minerales en sólo unas pocas minas en todo el mundo. Debido a la baja disponibilidad y las dificultades en la preparación del escandio metálico, que se realizó por primera vez en 1937, las aplicaciones del escandio no se desarrollaron hasta la década de 1970, cuando se descubrieron los efectos positivos del escandio en las aleaciones de aluminio . Su uso en dichas aleaciones sigue siendo su única aplicación importante. El comercio mundial de óxido de escandio es de 15 a 20 toneladas por año. [11]

Las propiedades de los compuestos de escandio son intermedias entre las del aluminio y el itrio . Existe una relación diagonal entre el comportamiento del magnesio y el escandio, al igual que entre el berilio y el aluminio. En los compuestos químicos de los elementos del grupo 3, el estado de oxidación predominante es el +3.

Propiedades

Caracteristicas quimicas

El escandio es un metal blando de aspecto plateado. Desarrolla un tono ligeramente amarillento o rosado cuando se oxida con el aire. Es susceptible a la erosión y se disuelve lentamente en la mayoría de los ácidos diluidos . No reacciona con una mezcla 1:1 de ácido nítrico ( HNO3 ) y ácido fluorhídrico ( HF ) al 48,0% , posiblemente debido a la formación de una capa pasiva impermeable . Las virutas de escandio se encienden en el aire con una llama amarilla brillante para formar óxido de escandio . [12]

Isótopos

En la naturaleza, el escandio se encuentra exclusivamente como el isótopo 45 Sc, que tiene un espín nuclear de 7 ⁄ 2 ; este es su único isótopo estable. [13]

Los isótopos conocidos del escandio van desde 37 Sc hasta 62 Sc. [8] El radioisótopo más estable es el 46 Sc, que tiene una vida media de 83,8 días. Otros son el 47 Sc, de 3,35 días; el emisor de positrones 44 Sc , de 4 horas; y el 48 Sc, de 43,7 horas. Todos los demás isótopos radiactivos tienen vidas medias inferiores a 4 horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 2 minutos. Los isótopos de baja masa son muy difíciles de crear. [13] La detección inicial de 37 Sc y 38 Sc sólo dio como resultado la caracterización de su exceso de masa. [14] [15] El escandio también tiene cinco isómeros nucleares : el más estable de ellos es el 44m2 Sc ( t 1/2 = 58,6 h). [16]

El modo de desintegración primario de los isótopos de escandio en estado fundamental con masas inferiores a las del único isótopo estable, 45 Sc, es la captura de electrones (o emisión de positrones ), pero los isótopos más ligeros ( 37 Sc a 39 Sc) experimentan en cambio la emisión de protones , y los tres producen isótopos de calcio . El modo de desintegración primario con masas superiores a 45 Sc es la emisión beta , que produce isótopos de titanio . [8]

Aparición

En la corteza terrestre , el escandio no es raro. Las estimaciones varían de 18 a 25 ppm, lo que es comparable a la abundancia de cobalto (20-30 ppm). El escandio es solo el 50.º elemento más común en la Tierra (el 35.º elemento más abundante en la corteza), pero es el 23.º elemento más común en el Sol [17] y el 26.º elemento más abundante en las estrellas. [18] Sin embargo, el escandio se distribuye escasamente y se presenta en cantidades traza en muchos minerales . [19] Los minerales raros de Escandinavia [20] y Madagascar [21], como la thortveitita , la euxenita y la gadolinita , son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento. La thortveitita puede contener hasta un 45 % de escandio en forma de óxido de escandio . [20]

La forma estable del escandio se crea en supernovas a través del proceso r . [22] Además, el escandio se crea por espalación de rayos cósmicos de los núcleos de hierro más abundantes .

  • 28 Si + 17n → 45 Sc (proceso r)
  • 56 Fe + p → 45 Sc + 11 C + n (espalación de rayos cósmicos)

Producción

La producción mundial de escandio es del orden de 15 a 20 toneladas por año, en forma de óxido de escandio . La demanda es ligeramente mayor, [23] y tanto la producción como la demanda siguen aumentando. En 2003, solo tres minas produjeron escandio: las minas de uranio y hierro en Zhovti Vody en Ucrania , las minas de tierras raras en Bayan Obo , China , y las minas de apatita en la península de Kola , Rusia . [ cita requerida ] Desde entonces, muchos otros países han construido instalaciones de producción de escandio, incluidas 5 toneladas/año (7,5 toneladas/año de Sc 2 O 3 ) por Nickel Asia Corporation y Sumitomo Metal Mining en Filipinas . [24] [25] En los Estados Unidos, NioCorp Development espera [ ¿cuándo? ] para recaudar mil millones de dólares [26] para abrir una mina de niobio en su sitio de Elk Creek en el sureste de Nebraska , [27] que podría producir hasta 95 toneladas de óxido de escandio al año. [28] En cada caso, el escandio es un subproducto de la extracción de otros elementos y se vende como óxido de escandio. [29] [30] [31]

Para producir escandio metálico, el óxido se convierte en fluoruro de escandio y luego se reduce con calcio metálico . [32]

  • Sc2O3 + 6HF → 2ScF3 + 3H2O​​
  • 2ScF3 + 3Ca → 3CaF2 + 2Sc

Madagascar y la región de Iveland - Evje en Noruega tienen los únicos depósitos de minerales con alto contenido de escandio, thortveitita (Sc,Y) 2 (Si 2 O 7 ), pero estos no están siendo explotados. [30] El mineral kolbeckita ScPO 4 ·2H 2 O tiene un contenido de escandio muy alto pero no está disponible en ningún depósito más grande. [30]

La ausencia de una producción fiable, segura, estable y a largo plazo ha limitado las aplicaciones comerciales del escandio. A pesar de este bajo nivel de uso, el escandio ofrece importantes beneficios. Particularmente prometedor es el fortalecimiento de las aleaciones de aluminio con tan solo un 0,5 % de escandio. [33] La zirconia estabilizada con escandio goza de una creciente demanda en el mercado para su uso como electrolito de alta eficiencia en celdas de combustible de óxido sólido .

El USGS informa que, de 2015 a 2019, en Estados Unidos, el precio de pequeñas cantidades de lingotes de escandio ha sido de 107 a 134 dólares por gramo, y el del óxido de escandio de 4 a 5 dólares por gramo. [34]

Compuestos

La química del escandio está dominada casi por completo por el ion trivalente Sc 3+ . Los radios de los iones M 3+ en la tabla siguiente indican que las propiedades químicas de los iones de escandio tienen más en común con los iones de itrio que con los iones de aluminio. En parte debido a esta similitud, el escandio a menudo se clasifica como un elemento similar a los lantánidos. [35]

Radio iónico (pm)
AlabamaCarolina del SurYLaLu
53.574,590.0103.286.1

Óxidos e hidróxidos

El óxido Sc
2Oh
3y el hidróxido Sc(OH)
3son anfóteros : [36]

S(OH)
3+ 3OH−
→ [Sc(OH)
6]3−
(ion escandalo)
S(OH)
3+ 3 horas+
+ 3 horas
2O → [Sc(H
2O)
6]3+

α- y γ-ScOOH son isoestructurales con sus contrapartes de óxido de hidróxido de aluminio . [37] Soluciones de Sc3+
en el agua son ácidos debido a la hidrólisis .

Haluros y pseudohaluros

Los haluros ScX 3 , donde X = Cl , Br o I , son muy solubles en agua, pero ScF 3 es insoluble. En los cuatro haluros, el escandio está 6-coordinado. Los haluros son ácidos de Lewis ; por ejemplo, ScF 3 se disuelve en una solución que contiene un exceso de iones fluoruro para formar [ScF 6 ] 3− . El número de coordinación 6 es típico para Sc(III). En los iones más grandes Y 3+ y La 3+ , los números de coordinación 8 y 9 son comunes. El triflato de escandio a veces se utiliza como catalizador de ácido de Lewis en química orgánica . [38]

Derivados orgánicos

El escandio forma una serie de compuestos organometálicos con ligandos de ciclopentadienilo (Cp), de comportamiento similar al de los lantánidos. Un ejemplo es el dímero con puente de cloro, [ScCp 2 Cl] 2 y derivados relacionados de los ligandos de pentametilciclopentadienilo . [39]

Estados de oxidación poco comunes

Los compuestos que presentan escandio en estados de oxidación distintos de +3 son raros pero están bien caracterizados. El compuesto azul-negro CsScCl 3 es uno de los más simples. Este material adopta una estructura similar a una lámina que exhibe una amplia unión entre los centros de escandio (II). [40] El hidruro de escandio no se entiende bien, aunque parece no ser un hidruro salino de Sc (II). [6] Como se observa para la mayoría de los elementos, se ha observado un hidruro de escandio diatómico espectroscópicamente a altas temperaturas en la fase gaseosa. [5] Los boruros y carburos de escandio no son estequiométricos , como es típico para los elementos vecinos. [41]

También se han observado estados de oxidación más bajos (+2, +1, 0) en compuestos de organoescandio. [42] [4] [43] [44]

Historia

Dmitri Mendeléyev , considerado el padre de la tabla periódica , predijo la existencia de un elemento, el ekaborón , con una masa atómica entre 40 y 48 en 1869. Lars Fredrik Nilson y su equipo detectaron este elemento en los minerales euxenita y gadolinita en 1879. Nilson preparó 2 gramos de óxido de escandio de alta pureza. [45] [46] Llamó al elemento escandio, del latín Scandia que significa "Escandinavia". Nilson aparentemente desconocía la predicción de Mendeléyev, pero Per Teodor Cleve reconoció la correspondencia y se lo notificó a Mendeléyev. [47] [48]

El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937 mediante electrólisis de una mezcla eutéctica de cloruros de potasio , litio y escandio , a 700–800 ° C . [49] La primera libra de escandio metálico con una pureza del 99 % se produjo en 1960. La producción de aleaciones de aluminio comenzó en 1971, tras una patente estadounidense. [50] Las aleaciones de aluminio y escandio también se desarrollaron en la URSS . [51]

Los cristales láser de granate de gadolinio-escandio-galio (GSGG) se utilizaron en aplicaciones de defensa estratégica desarrolladas para la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) en los años 1980 y 1990. [52] [53]

Aplicaciones

Aleaciones de aluminio

Algunas partes del MiG-29 están hechas de aleación de Al-Sc. [54]

La principal aplicación del escandio en peso es en aleaciones de aluminio-escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre un 0,1% y un 0,5% de escandio. Se utilizaron en aviones militares rusos, en concreto en los Mikoyan-Gurevich MiG-21 y MiG-29 . [54]

La adición de escandio al aluminio limita el crecimiento del grano en la zona de calor de los componentes de aluminio soldados. Esto tiene dos efectos beneficiosos: el Al 3 Sc precipitado forma cristales más pequeños que en otras aleaciones de aluminio , [54] y se reduce el volumen de zonas libres de precipitado en los límites de grano de las aleaciones de aluminio endurecidas por envejecimiento. [54] El precipitado de Al 3 Sc es un precipitado coherente que fortalece la matriz de aluminio mediante la aplicación de campos de deformación elástica que inhiben el movimiento de dislocación (es decir, la deformación plástica). El Al 3 Sc tiene una estructura de superred L1 2 de equilibrio exclusiva de este sistema. [55] Se puede lograr una dispersión fina del precipitado a escala nanométrica mediante un tratamiento térmico que también puede fortalecer las aleaciones mediante un endurecimiento ordenado. [56] Los desarrollos recientes incluyen la adición de metales de transición como el circonio (Zr) y metales de tierras raras como el erbio (Er) que producen capas que rodean el precipitado esférico de Al 3 Sc que reducen el engrosamiento. [57] Estas capas están dictadas por la difusividad del elemento de aleación y reducen el costo de la aleación debido a que se sustituye menos Sc en parte por Zr mientras se mantiene la estabilidad y se necesita menos Sc para formar el precipitado. [58] Esto ha hecho que Al3Sc sea algo competitivo con las aleaciones de titanio junto con una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, las aleaciones de titanio , que son similares en ligereza y resistencia, son más baratas y mucho más utilizadas. [59]

La aleación Al 20 Li 20 Mg 10 Sc 20 Ti 30 es tan fuerte como el titanio, ligera como el aluminio y dura como algunas cerámicas. [60]

Algunos artículos de equipamiento deportivo, que dependen de materiales ligeros de alto rendimiento, se han fabricado con aleaciones de escandio y aluminio, incluidos bates de béisbol , [61] postes de tiendas de campaña y cuadros y componentes de bicicletas . [62] Los palos de lacrosse también se fabrican con escandio. La empresa estadounidense de fabricación de armas de fuego Smith & Wesson produce pistolas semiautomáticas y revólveres con armazones de aleación de escandio y cilindros de titanio o acero al carbono. [63] [64]

Desde 2013, Apworks GmbH, una filial de Airbus, comercializa una aleación de aluminio de alta resistencia que contiene escandio, procesada mediante impresión 3D de metal (fusión de lecho de polvo láser) bajo la marca comercial Scalmalloy, que afirma tener una resistencia y ductilidad muy altas. [65]

Fuentes de luz

Las primeras lámparas de halogenuros metálicos basadas en escandio fueron patentadas por General Electric y fabricadas en Norteamérica, aunque ahora se producen en todos los principales países industrializados. En Estados Unidos se utilizan anualmente aproximadamente 20 kg de escandio (como Sc2O3 ) para lámparas de descarga de alta intensidad. [66] Un tipo de lámpara de halogenuros metálicos , similar a la lámpara de vapor de mercurio , está hecha de triyoduro de escandio y yoduro de sodio . Esta lámpara es una fuente de luz blanca con un alto índice de reproducción cromática que se asemeja lo suficiente a la luz solar como para permitir una buena reproducción del color con cámaras de televisión . [67] Se utilizan alrededor de 80 kg de escandio en lámparas/bombillas de halogenuros metálicos a nivel mundial por año. [68]

Los dentistas utilizan láseres de granate de itrio-escandio-galio dopado con erbio-cromo ( Er,Cr:YSGG ) para la preparación de cavidades y en endodoncia. [69]

Otro

El isótopo radiactivo 46 Sc se utiliza en las refinerías de petróleo como agente trazador. [66] El triflato de escandio es un ácido de Lewis catalítico utilizado en química orgánica . [70]

La transición nuclear de 12,4 keV del 45Sc se ha estudiado como referencia para aplicaciones de cronometraje, con una precisión teórica hasta tres órdenes de magnitud mejor que los relojes de referencia de cesio actuales . [71]

Se ha propuesto el uso de escandio en celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) como dopante en el material del electrolito, típicamente zirconia (ZrO₂) . [72] El óxido de escandio (Sc₂O₃) es uno de los varios aditivos posibles para mejorar la conductividad iónica de la zirconia , mejorando la estabilidad térmica general, el rendimiento y la eficiencia de la celda de combustible. [73] Esta aplicación sería particularmente valiosa en tecnologías de energía limpia, ya que las SOFC pueden utilizar una variedad de combustibles y tienen altas eficiencias de conversión de energía. [74]

Salud y seguridad

El escandio elemental se considera no tóxico, aunque no se han realizado pruebas exhaustivas con compuestos de escandio en animales. [75] Los niveles de dosis letal media (LD50 ) para el cloruro de escandio para ratas se han determinado en 755 mg/kg para administración intraperitoneal y 4 g/kg para administración oral. [76] A la luz de estos resultados, los compuestos de escandio deben manipularse como compuestos de toxicidad moderada. El escandio parece ser manipulado por el cuerpo de una manera similar al galio , con peligros similares que involucran su hidróxido poco soluble . [77]

Notas

  1. ^ La expansión térmica del escandio es anisotrópica : los coeficientes para cada eje del cristal son (a 20 °C): α a  = 7,98 × 10 −6 /K, α c  = 13,94 × 10 −6 /K, y α promedio = α V /3 = 9,97 × 10 −6 /K.

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Lectura adicional

Recursos de la biblioteca sobre
el escandio
  • Libros en línea
  • Recursos en tu biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
  • Scerri, Eric R. (2007). El sistema periódico: su historia y su importancia. Oxford, Reino Unido: Oxford University Press. ISBN 9780195305739.OCLC 62766695  .
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