Escândio: história, propriedades, reações, riscos e usos

O escândio é um metal de transição cujo símbolo químico é SC é primeiro dos metais de transição da tabela periódica, mas é também um dos elementos de terras raras comuns menos .; Embora suas propriedades possam se assemelhar às dos lantanídeos, nem todos os autores aprovam classificá-la dessa maneira.

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

Escândio: história, propriedades, reações, riscos e usos 1

Amostra de escândio elementar ultrapuro. Fonte: Imagens em Alta Resolução de Elementos Químicos [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Da mesma forma, cada vez mais progressos estão sendo feitos no mundo da tecnologia, especialmente no que diz respeito à iluminação e lasers. Quem observou um farol irradiando uma luz semelhante à do sol, indiretamente testemunhou a existência do escândio. De resto, é um elemento 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 ricos; portanto, sua extração é cara, mesmo que não seja adequadamente um metal com baixa abundância na crosta terrestre. Na natureza, é encontrado como seu óxido, um sólido que não pode ser facilmente reduzido.

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

História

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

Com os minerais, ele e sua equipe conseguiram obter o respectivo óxido de escândio, nome recebido por ter coletado com segurança as amostras escandinavas; minerais que até então eram chamados terras raras.

No entanto, oito anos antes, em 1871, Dmitri Mendeleev havia previsto 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 que atribuiu o escândio ao ekaboro, sendo assim o mesmo elemento químico. Especificamente, aquele que inicia o bloco de metal de transição na tabela periódica.

Muitos anos se passaram quando, em 1937, Werner Fischer e seus colaboradores conseguiram isolar escândio metálico (mas impuro), por eletrólise de uma mistura de cloretos de potássio, lítio e escândio. Não foi até 1960, quando finalmente pôde ser obtido com uma pureza de cerca de 99%.

Estrutura e configuração eletrônicas

O escândio elementar (nativo e puro) pode cristalizar em duas estruturas (alótropos): o hexagonal compacto ( hcp ) e o cúbico centrado no corpo (cco). O primeiro é geralmente chamado de fase α e o segundo, fase β.

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

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

[Ar] 3d 1 4s 2

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

Para serem compactados 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, consequentemente, as distâncias entre eles são reduzidas.

Fase de alta pressão

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

Números de oxidação

O escândio pode perder até três elétrons de valência (3d 1 4s 2 ). Em teoria, os primeiros a “sair” são os do orbital 4s.

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

Se for Sc 2+ , seu número de oxidação será +2 e perderá dois elétrons (3d 1 4s ); e se Sc3 + , o mais estável desses cátions, o número de oxidação será +3 e é isoeletrônico para o argônio.

Em resumo, seus números de oxidação são: +1, +2 e +3. Por exemplo, em Sc 2 O 3, o número de oxidação do escândio é +3, porque é assumida a existência de Sc 3+ (Sc 2 3+ O 3 2- ).

Propriedades

Aparência física

É um metal branco prateado em sua forma pura e elementar, com uma textura suave e suave. Adquire tons de rosa amarelado quando começa a ser coberto com uma camada de óxido (Sc 2 O 3 ).

Massa molar

44.955 g / mol.

Ponto de fusão

1541 ° C.

Ponto de ebulição

2836 ° C.

Capacidade de calor molar

25,52 J / (mol.K).

Calor de fusão

14,1 kJ / mol.

Calor de 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 se aproxima da 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 ° C).

Eletronegatividade

1,36 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 633,1 kJ / mol (Sc + gás).

Segundo: 1235,0 kJ / mol (Sc2 + gás).

Terceiro: 2388,6 kJ / mol ( gás Sc 3+ ).

Raio atômico

162 pm

Ordem magnética

Paramagnético

Isótopos

De todos os isótopos do escândio, o 45 Sc ocupa quase 100% da abundância total (isso se reflete em seu peso atômico muito próximo a 45 u).

Os outros consistem em radioisótopos com diferentes tempos de meia-vida; como 46 Sc (t 1/2 = 83,8 dias), 47 Sc (t 1/2 = 3,35 dias), 44 Sc (t 1/2 = 4 horas) e 48 Sc (t 1/2 = 43,7 horas). Outros radioisótopos têm t 1/2 menos de 4 horas.

Acidez

O cátion Sc 3+ é um ácido relativamente forte. Por exemplo, na água, ele pode formar o complexo aquoso [Sc (H 2 O) 6 ] 3+ , que por sua vez pode transformar o pH em um valor abaixo de 7, porque gera íons H 3 O + como produto da sua hidrólise:

[Sc (H 2 O) 6 ] 3+ (aq) + H 2 O (l) <=> [Sc (H 2 O) 5 OH] 2 + (aq) + H 3 O + (aq)

A acidez do escândio também pode ser interpretada de acordo com a definição de Lewis: tem uma 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, na maioria de seus compostos inorgânicos, estruturas orgânicas ou cristais, é 6; Isso significa que o Sc está cercado por seis vizinhos (ou forma seis links). Acima, a água complexa [Sc (H 2 O) 6 ] 3+ é o exemplo mais simples de todos.

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

Um exemplo deste último é [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 em grande parte de seus compostos é +3, isso é considerado único e a nomenclatura é, portanto, bastante simplificada; Muito parecido com os metais alcalinos ou o próprio alumínio.

Por exemplo, considere seu óxido, Sc 2 O 3 . A mesma fórmula química indica antecipadamente o estado de oxidação de +3 para o escândio. Assim, para denominar esse composto de escândio, e como outros, são utilizadas nomenclaturas sistemáticas, de estoque e tradicionais.

Sc 2 O 3 é, em seguida, óxido de escândio, de acordo com a nomenclatura estoque, omitindo o (III) (embora não a única possível estado de oxidação); óxido escalar, 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

No momento, o escândio carece de papel biológico definido. Ou seja, não se sabe como o organismo pode acumular ou assimilar íons Sc 3+ ; quais enzimas específicas podem usá-lo como cofator, se exercer influência, embora semelhante, nos íons Ca 2+ ou Fe 3+ .

Sabe-se, no entanto, que os íons Sc 3+ exercem efeitos antibacterianos possivelmente interferindo no metabolismo dos íons Fe 3+ .

Alguns estudos estatísticos na medicina possivelmente o associam a distúrbios do estômago, obesidade, diabetes, leptomeningite cerebral e outras doenças; mas sem esclarecer resultados suficientes.

Da mesma forma, as plantas geralmente não acumulam quantidades apreciáveis ​​de escândio em suas folhas ou caules, mas em suas raízes e nódulos. Portanto, pode-se argumentar que sua concentração na biomassa é baixa, indicativa de baixa participação em suas funções fisiológicas e, consequentemente, acaba 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. De fato, 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 dispersos; isto é, não existem minerais 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, CO 3 2- ou sulfeto, S 2- ).

Não está na sua forma mais pura. Tampouco seu óxido mais estável, Sc 2 O 3 , que é combinado com outros metais ou silicatos para definir minerais; tais como thortveitite, euxenita e gadolinita.

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

Caso contrário, os íons Sc 3+ podem ser incorporados como impurezas em algumas pedras preciosas, como água-marinha ou em minas de urânio. E no céu, dentro das estrelas, esse elemento ocupa o 23º lugar em abundância; bastante alto se todo o Cosmos for considerado.

Resíduos e resíduos industriais

Acabou de ser dito que o escândio também pode ser encontrado como impureza. Por exemplo, é encontrado em pigmentos de TiO 2 ; em resíduos de processamento de urânio, bem como em seus minerais radioativos; e em resíduos de bauxita na produção de alumínio metálico.

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

Redução metalúrgica

As tremendas dificuldades que envolvem a extração de escândio, e que atrasaram sua obtenção no estado nativo ou metálico, foram devidas ao fato de que é difícil reduzir o Sc 2 O 3 ; ainda mais que o TiO 2 , porque Sc 3+ mostra uma afinidade maior que Ti 4+ em relação a O 2- (assumindo um caráter iônico 100% em seus respectivos óxidos).

Ou seja, é mais fácil remover o oxigênio do TiO 2 do que o Sc 2 O 3 com um bom agente redutor (normalmente carvão, metais alcalinos ou alcalino-terrosos). É por isso que Sc 2 O 3 é primeiro transformado em um composto cuja redução é menos problemática; como fluoreto de escândio, ScF 3 . Em seguida, o ScF 3 é reduzido com cálcio metálico:

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

Sc 2 O 3 é proveniente dos minerais já mencionados, ou é um subproduto da extração de outros elementos (como urânio e ferro). É a forma comercial de escândio, e sua baixa produção anual (15 toneladas) reflete os altos custos de processamento, além dos de sua extração das rochas.

Eletrólise

Outro método de produção de escândio é primeiro obter seu sal de cloreto, ScCl 3 , e depois submetê-lo à eletrólise. Assim, em um eletrodo, escândio metálico (como uma esponja) é produzido, e no outro cloro gasoso.

Reacções

Anfotérico

O escândio não apenas compartilha com o alumínio as características de metais leves, mas também é anfotérico; isto é, 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) => 2ScCl 3 (aq) + 3H 2 (g)

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

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

E agora ele se comporta como um ácido (reage com NaOH), para formar um sal escandaloso; o de sódio, Na 3 Sc (OH) 6 , com o escândalo aniônico, Sc (OH) 6 3- .

Oxidação

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

4Sc (s) + 3O 2 (g) => 2Sc 2 O 3 (s)

Halides

O escândio reage com todos os halogênios para formar halogenetos da fórmula química geral ScX 3 (X = F, Cl, Br, etc.).

Por exemplo, reaja com iodo de acordo com a seguinte equação:

2Sc (s) + 3I 2 (g) => 2ScI 3 (s)

Do mesmo modo, reage com cloro, bromo e flúor.

Formação de hidróxido

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

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

Hidrólise ácida

complexos aquosos [Sc (H 2 O) 6 ] 3+ pode ser hidrolisado de modo a que as pontes final formando SC- (OH) -SC, para definir um conjunto com três átomos de escândio.

Riscos

Além de seu papel biológico, não se sabe quais são exatamente os efeitos fisiológicos e toxicológicos do escândio.

Em sua forma elementar, acredita-se que não é tóxico, a menos que seu sólido finamente dividido seja inalado e, assim, danifique os pulmões. Além disso, seus compostos não recebem toxicidade; portanto, a ingestão de seus sais, em teoria, não deve representar nenhum risco; desde que a dose não seja alta (testada em ratos).

No entanto, os dados referentes a esses aspectos são muito limitados. Portanto, não se pode presumir que nenhum dos compostos de escândio seja realmente não-tóxico; menos ainda se o metal puder se acumular nos solos e nas águas e depois passar para as plantas e, em menor grau, para os animais.

No momento, o escândio ainda não representa um risco palpável quando comparado aos metais mais pesados; como cádmio, mercúrio e chumbo.

Usos

Ligas

Embora o preço do escândio seja alto em comparação com outros metais como titânio ou ítrio, suas aplicações acabam valendo os esforços e investimentos. Um deles é usá-lo como um aditivo para ligas de alumínio.

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

Tanto o efeito do escândio nessas ligas é suficiente para adicioná-lo em pequenas quantidades (menos de 0,5% em massa), para que suas propriedades melhorem drasticamente sem observar um aumento apreciável de seu peso. Dizem que, se usado massivamente um dia, poderia reduzir o peso dos aviões 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, varas de pesca, tacos de golfe, etc. embora as ligas de titânio tendam a substituí-las porque são mais baratas.

O mais conhecido dessas ligas é o Al 20 Li 20 Mg 10 Sc 20 Ti 30 , que é tão forte quanto o titânio, leve como o alumínio e duro como a cerâmica.

Impressões 3D

As ligas Sc-Al foram usadas para fazer impressões metálicas em 3D, com o objetivo de colocar ou adicionar camadas das mesmas em um sólido pré-selecionado.

Iluminação do estádio

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Os faróis de luz nos estádios imitam a luz do sol, graças à ação do iodeto de escândio junto aos vapores de mercúrio. Fonte: Pexels

O iodeto de escândio, ScI 3 , é adicionado (junto com o iodeto de sódio) às lâmpadas de vapor de mercúrio para criar luzes artificiais que imitam a do sol. É por isso que nos estádios ou em alguns campos esportivos, mesmo à noite, a iluminação dentro deles é tal que dá a sensação de assistir a um jogo em plena luz do dia.

Efeitos semelhantes foram projetados para aparelhos elétricos, como câmeras digitais, telas de televisão ou monitores de computador. Da mesma forma, os faróis com essas lâmpadas ScI 3 -Hg foram localizados nos estúdios de cinema e televisão.

Células a combustível de óxido sólido

SOFC, por sua sigla em inglês (célula de combustível de óxido sólido), usa um óxido ou cerâmica como meio eletrolítico; neste caso, um sólido que contém íons escândio. Seu uso nesses dispositivos é devido à sua grande condutividade elétrica e capacidade de estabilizar aumentos de temperatura; Então eles trabalham sem aquecer ao máximo.

Exemplo de um tal óxido sólido é estabilizada escândio zirconita (Sc em forma 2 O 3 , mais uma vez).

Cerâmica

O carboneto de escândio e o titânio compõem uma cerâmica de dureza excepcional, perdendo apenas para a dos diamantes. No entanto, seu uso é restrito a materiais com aplicações muito avançadas.

Cristais de Coordenação Orgânica

Os íons Sc 3+ podem coordenar-se com vários ligantes orgânicos, especialmente se forem moléculas oxigenadas.

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

Além disso, esses cristais de coordenação orgânica de escândio podem ser usados ​​para projetar materiais sensoriais, peneiras moleculares ou condutores de íons.

Referências

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