Escandio | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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← Calcio | Titán → | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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Apariencia de una sustancia simple. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
muestra de escandio | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades del átomo | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Nombre, símbolo, número | Escandio / Escandio (Sc), 21 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo , período , bloque |
3 (obsoleto 3), 4, elemento d |
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Masa atómica ( masa molar ) |
44.955912(6) [1] a. m.e. ( g / mol ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electrónica |
[Ar] 3d 1 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 |
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Radio del átomo | 162 horas | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades químicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||
radio covalente | 144 horas | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio de Van der Waals | 211 horas | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio de iones | (+3e) 72.3 h | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | 1,36 (escala de Pauling) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Potencial de electrodo | 0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | 0, +3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Energía de ionización (primer electrón) |
630,8 (6,54) kJ / mol ( eV ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (en n.a. ) | 2,99 g/cm³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura de fusión | 1814 K ; 1540.85°C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura de ebullición | 3 110K ; 2836.85°C | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. calor de fusión | 15,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Oud. calor de evaporacion | 332,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 25,51 [2] J/(K mol) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Volumen molar | 15,0 cm³ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||
La red cristalina de una sustancia simple. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura de celosía | Hexagonal (α-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Parámetros de celosía | a=3.309 c=5.268 (α-Sc) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
relación c / a | 1.592 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras características | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | (300 K) 15,8 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||
número CAS | 7440-20-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
isótopos de vida más larga | |||||||||||||||||||||||||||||||||
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21 | Escandio |
Carolina del Sur44.9559 | |
3d 1 4s 2 |
El escandio ( símbolo químico - Sc , del lat. Sc andium ) es un elemento químico del tercer grupo (según la clasificación obsoleta , un subgrupo lateral del tercer grupo, IIIB) del cuarto período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev , con número atómico 21.
La sustancia simple escandio es un metal de tierras raras de transición ligero de un color plateado con un tinte amarillo característico. Existe en dos modificaciones cristalinas: α-Sc con una red hexagonal de tipo magnesio , β-Sc con una red centrada en el cuerpo cúbico , temperatura de transición α↔β 1336 °C [2] .
El escandio es un elemento monoisotópico , con un solo isótopo estable , el escandio-45 , que se encuentra en la naturaleza .
El contenido medio de escandio en la corteza terrestre es de 10 g/t. El itrio, el lantano y los lantánidos tienen propiedades químicas y físicas cercanas al escandio. En todos los compuestos naturales, el escandio, así como sus análogos aluminio, itrio, lantano, exhibe una valencia positiva igual a tres, por lo tanto, no participa en los procesos redox. El escandio es un oligoelemento y se encuentra en muchos minerales. Hay 2 minerales de escandio conocidos propiamente dichos: tortveitita (Sc, Y) 2 Si 2 O 7 (Sc 2 O 3 hasta 53.5%) y esterretita ( colbeckita Sc[PO 4 ] 2H 2 O (Sc 2 O 3 hasta 39.2 Relativamente Se encontraron bajas concentraciones en aproximadamente 100 minerales.
Debido al hecho de que las propiedades del escandio son cercanas a Mg , Al , Ca , Mn 2+ , Fe 2+ , TR ( elementos de tierras raras ), Hf , Th , U , Zr , su masa principal se disipa en minerales que contienen estos elementos. Hay una sustitución isovalente de escandio por elementos del grupo TR, especialmente en minerales esencialmente de itrio ( xenotima , la asociación Sc-Y en tortveitita y la sustitución de Al en berilo ). El reemplazo heterovalente de Fe 2+ y magnesio en piroxenos , anfíboles, olivino y biotita por escandio está ampliamente desarrollado en rocas básicas y ultrabásicas, y el reemplazo de zirconio ocurre en las últimas etapas del proceso magmático y en pegmatitas.
Los principales minerales portadores de escandio son: fluorita (hasta 1% Sc 2 O 3 ), baddeleyita (hasta 0,35%), casiterita (0,005–0,2%), wolframita (0–0,4%), ilmenorutilo (0,0015-0,3 %), torianita (0,46 % Sc 2 O 3 ), samarskita (0,45 %), minerales del supergrupo pirocloro (0,02 %), xenotima (0,0015-1,5 %), berilo (0,2 %). En la actualidad (2021), se conocen 21 minerales, que son la fase propia del escandio: allendeita , bazzita (berilo de escandio, 3–14,44%), bonacinaita , kaskandita , davisita , eringaita , heftetjernita , gervisita , enaita , campelita , kangit , kolbekita , christiansenita , nioboheftetjernita , oftedalita , panguita , pretulita , escandiobabingtonita , tortveita , shahdaraita- (Y ) , warkita . Durante la formación de rocas ígneas y sus derivados de vetas, el escandio en su masa principal se dispersa principalmente en minerales de color oscuro de rocas ígneas y se concentra ligeramente en minerales individuales de formaciones posmagmáticas. Las concentraciones más altas (30 g/t Sc 2 O 3 ) de escandio están asociadas a rocas ultramáficas y básicas, en las que los minerales de hierro-magnesio ( piroxeno , anfíbol y biotita ) desempeñan el papel principal. En rocas de composición intermedia, el contenido medio de Sc 2 O 3 es de 10 g/t, en rocas ácidas es de 2 g/t. Aquí, el escandio también se encuentra disperso en minerales máficos ( hornblenda , biotita) y se establece en moscovita , circón y esfena . La concentración en el agua de mar es de 0,00004 mg/l [3] . El escandio también está presente en el carbón , y para su extracción es posible procesar escorias de fundición de hierro en altos hornos, que se ha iniciado en los últimos años en varios países desarrollados.
El elemento fue predicho por D. I. Mendeleev (como ekabor) en un artículo fechado el 11 de diciembre (29 de noviembre, estilo antiguo) de 1870 [4] , y descubierto en 1879 por el químico sueco Lars Nilsson . Nilsson nombró el elemento después de Escandinavia ( latín: Scandia ).
El escandio es un metal plateado ligero con un tinte amarillo característico. Existe en dos modificaciones cristalinas: α-Sc con una red hexagonal de tipo magnesio (a=3,3085 Å; c=5,2680 Å; z=2; grupo espacial P6 3 /mmc ), β-Sc con una red cúbica centrada en el cuerpo , transición de temperatura α↔β 1336 °C, transición ΔH 4,01 kJ/mol. Punto de fusión 1541 °C, punto de ebullición 2837 °C. El escandio es un metal blando, con una pureza del 99,5 % o superior (en ausencia de O 2 ) y puede mecanizarse fácilmente [2] .
Las propiedades químicas del escandio son similares a las del aluminio. En la mayoría de los compuestos, el escandio exhibe un estado de oxidación de +3. Un metal compacto en el aire está cubierto desde la superficie con una película de óxido. Cuando se calienta al rojo vivo, reacciona con flúor, oxígeno, nitrógeno, carbono, fósforo. A temperatura ambiente, reacciona con cloro, bromo y yodo. Reacciona con ácidos fuertes diluidos; los ácidos oxidantes concentrados y el HF están pasivados. Reacciona con soluciones alcalinas concentradas.
El ion Sc 3+ es incoloro, diamagnético, el número de coordinación en soluciones acuosas es 6. Como en el caso del aluminio, el hidróxido de escandio es anfótero y se disuelve tanto en exceso de ácidos como en exceso de álcalis; no reacciona con solución diluida de amoníaco. El cloruro, bromuro, yoduro y sulfato de escandio son altamente solubles en agua, la solución tiene una reacción ácida debido a la hidrólisis parcial, mientras que la hidratación de las sales anhidras se acompaña de una rápida liberación de calor. El fluoruro y el fosfato de escandio son insolubles en agua, pero el fluoruro se disolverá en presencia de un exceso de iones de fluoruro para formar ScF 6 3- . El carburo, el nitruro, el fosfuro, el sulfuro y el carbonato de escandio se hidrolizan completamente con agua. Los compuestos orgánicos de escandio son térmicamente relativamente estables, pero reaccionan violentamente con el agua y el aire. Se construyen principalmente con enlaces σ Sc-C y están representados por derivados de alquilo y ciclopentadienuros poliméricos.
También se conocen compuestos con los estados de oxidación más bajos del escandio (+2, +1, 0). Uno de los más simples es el sólido azul oscuro CsScCl 3 . En esta sustancia se presentan enlaces entre átomos de escandio [5] . El monohidruro de escandio ScH se ha observado espectroscópicamente a altas temperaturas en fase gaseosa [6] . Además, los estados de oxidación más bajos del escandio se encontraron en compuestos organometálicos [7] [8] [9] [10] .
El escandio se extrae como subproducto en la extracción de otros minerales.
Alrededor del 90% de la producción mundial de escandio se produce en el depósito de Bayan-Obo (China). Las reservas de escandio en el yacimiento se estiman en 140 mil toneladas, el escandio se concentra aquí principalmente en aegirina , donde su contenido promedio es de 210 g/t. Es un subproducto en la extracción de hierro y elementos de tierras raras .
Otros depósitos importantes de escandio:
Las pegmatitas que contienen tortveitita se conocen en Madagascar (las regiones de Befanamo y Berero, parcialmente explotadas antes de la década de 1950) y en los EE. UU. ( Condado de Ravalli , Montana). [11] El escandio también está presente en el carbón , y presumiblemente para su extracción es posible procesar escorias de fundición de hierro de alto horno.
En 1988, la producción de óxido de escandio en el mundo fue:
País | Volumen de producción, no menos de, kg/año |
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Porcelana | cincuenta |
Francia | 100 |
Noruega | 120 |
EE.UU | 500 |
Japón | treinta |
Kazajstán | 700 |
Ucrania | 610 |
Rusia | 958 |
El escandio se puede llamar un metal del siglo XXI y se prevé un fuerte aumento en su producción, crecimiento de precios y demanda debido al procesamiento de una gran cantidad de carbón (especialmente el procesamiento de carbón ruso) en combustible líquido.
En 2015-2019 el precio promedio fue de $107 a $134 por gramo de escandio metálico y de $4 a $5 por gramo de Sc 2 O 3 [16]
El uso de escandio en forma de impureza de microaleación tiene un efecto significativo en varias aleaciones importantes en la práctica, por ejemplo, la adición de 0,4 % de escandio a las aleaciones de aluminio y magnesio aumenta la resistencia a la tracción en un 35 % y el límite elástico en un 35 %. 65-84%, y al mismo tiempo el alargamiento relativo permanece en el nivel de 20-27%. La adición de 0,3-0,67% al cromo aumenta su resistencia a la oxidación hasta una temperatura de 1290 °C , y tiene un efecto similar, pero aún más pronunciado, en las aleaciones termorresistentes del tipo "nicrom", y en esta área el el uso de escandio es mucho más eficaz que el itrio. El óxido de escandio tiene una serie de ventajas para la producción de cerámicas de alta temperatura sobre otros óxidos, por ejemplo, la resistencia del óxido de escandio aumenta cuando se calienta y alcanza un máximo a 1030 ° C, al mismo tiempo, el óxido de escandio tiene un mínimo térmico conductividad y la más alta resistencia al choque térmico . El escandato de itrio es uno de los mejores materiales para estructuras que operan a altas temperaturas. Una cierta cantidad de óxido de escandio se consume constantemente para la producción de vidrios de germanato para optoelectrónica.
El uso principal del escandio en términos de volumen es su uso en aleaciones de aluminio y escandio utilizadas en equipos deportivos (motocicletas, bicicletas, bates de béisbol, etc.) y en la construcción de aeronaves, donde se requieran materiales de alta resistencia. Cuando se alea con aluminio, el escandio proporciona resistencia y ductilidad adicionales.
Por ejemplo, alear una aleación de aluminio y magnesio AMg6 con escandio en ausencia de endurecimiento adicional aumenta la resistencia a la tracción de 32 a 36 kgf / mm 2 , y el límite elástico - de 16 a 24 kgf / mm 2 (después de 30% de endurecimiento , los mismos indicadores son respectivamente 42 y 33 kgf/mm 2 para AMg6NPP versus 45 y 36 kgf/mm 2 para la aleación 01570N) [17] . A modo de comparación, la resistencia a la tracción del escandio puro es de aproximadamente 400 MPa (40 kgf / mm 2 ), para el titanio, por ejemplo, 250-350 MPa, y para el itrio sin alear, 300 MPa. El uso de aleaciones de escandio en aviación y cohetes civiles reducirá significativamente el costo del transporte y aumentará drásticamente la confiabilidad de los sistemas operativos, mientras que al mismo tiempo, con una disminución en los precios del escandio y su uso para la producción de motores de automóviles, también aumentará significativamente su recurso y parcialmente la eficiencia. También es muy importante que el escandio refuerce las aleaciones de aluminio dopadas con hafnio .
Un campo de aplicación importante y prácticamente inexplorado del escandio es el hecho de que, al igual que el aluminio dopado con itrio, el dopado de aluminio puro con escandio también aumenta la conductividad eléctrica de los cables. , y el efecto del endurecimiento agudo tiene grandes perspectivas para el uso de dicha aleación para la transmisión de electricidad (líneas de transmisión de energía). Las aleaciones de escandio son los materiales más prometedores en la producción de misiles guiados. Una serie de aleaciones especiales de escandio, los compuestos unidos por escandio son muy prometedores en el campo del diseño del esqueleto de cyborg . En los últimos años, se ha puesto de manifiesto el importante papel del escandio (y en parte del itrio y el lutecio) en la producción de algunos aceros martensíticos envejecidos de composición superresistente , algunas muestras de los cuales han mostrado resistencias superiores a 700 kg/mm 2 (más de 7000 MPa).
Algo de escandio se usa para aleaciones de níquel-cromo-hierro resistentes al calor ( nicromo y fechral ) para aumentar drásticamente la vida útil cuando se usa como bobinado de calentamiento para hornos de resistencia.
El escandio se utiliza para producir materiales superduros. Entonces, por ejemplo, la aleación de carburo de titanio con carburo de escandio aumenta considerablemente la microdureza (2 veces), lo que hace que este nuevo material sea el cuarto en dureza después del diamante (alrededor de 98,7-120 GPa), nitruro de boro ( borazón ), ( alrededor de 77-120 GPa). 87 GPa), aleación de boro-carbono-silicio (alrededor de 68-77 GPa), y mucho más que el carburo de boro (43,2-52 GPa), carburo de silicio (37 GPa). La microdureza de una aleación de carburo de escandio y carburo de titanio es de unos 53,4 GPa (para el carburo de titanio, por ejemplo, 29,5 GPa). De particular interés son las aleaciones de escandio con berilio , que tienen características únicas en términos de fuerza y resistencia al calor.
Entonces, por ejemplo, el berilio de escandio (1 átomo de escandio y 13 átomos de berilio) tiene la combinación más favorable de densidad, resistencia y alto punto de fusión, y es adecuado para la ingeniería aeroespacial en muchos aspectos, superando en este aspecto al mejor titanio- aleaciones conocidas por la humanidad, y una serie de materiales compuestos (incluyendo una serie de materiales basados en filamentos de carbono y boro).
El óxido de escandio (punto de fusión 2450 °C ) jugó un papel importante en la producción de supercomputadoras: las ferritas con baja inducción cuando se usan en dispositivos de almacenamiento de información pueden aumentar la tasa de intercambio de datos varias veces debido a una disminución en la inducción residual de 2 a 3 kGauss a 0, 8-1 kGauss.
Se utilizan unos 80 kg de escandio (como parte de Sc 2 O 3 ) al año para producir elementos de iluminación de alta intensidad . El yoduro de escandio se agrega a las lámparas de gas de mercurio, que producen fuentes de luz artificial muy realistas, cercanas a la luz solar, que brindan una buena reproducción del color cuando se dispara con una cámara de televisión.
El isótopo radiactivo 46 Sc (vida media 83,83 días) se utiliza como "marca" en la industria de refinación de petróleo, para controlar procesos metalúrgicos y radioterápicos de tumores cancerosos.
El isótopo escandio-47 (vida media 3,35 días) es una de las mejores fuentes de positrones.
En la industria nuclear, el hidruro de escandio y el deuteruro se utilizan con éxito: excelentes moderadores de neutrones y un objetivo (refuerzo) en generadores de neutrones potentes y compactos.
El diboruro de escandio (punto de fusión 2250 °C) se utiliza como componente de aleaciones resistentes al calor, así como material para cátodos de dispositivos electrónicos. El berilio de escandio se utiliza en la industria nuclear como reflector de neutrones y, en particular, este material, así como el berilio de itrio, se ha propuesto como reflector de neutrones en la construcción de una bomba atómica.
El óxido de escandio puede desempeñar un papel importante en la medicina ( prótesis dentales de alta calidad ).
El escandio se utiliza en dispositivos de superconductividad de alta temperatura, producción de materiales láser (SHGG). El granate de galio, escandio y gadolinio (GSHG), cuando se dopó con iones de cromo y neodimio , hizo posible obtener una eficiencia del 4,5 % y registrar parámetros en el modo de frecuencia para generar pulsos ultracortos, lo que crea requisitos previos muy optimistas para crear sistemas láser súper potentes. para producir microexplosiones termonucleares ya basadas en deuterio puro (fusión inercial) en un futuro muy próximo. Por ejemplo, se espera[ ¿por quién? ] que en los próximos 10 a 13 años, los materiales láser basados en HSHG y boratos de escandio desempeñarán un papel de liderazgo en el desarrollo y equipamiento de sistemas láser de defensa activa para aeronaves y helicópteros en países desarrollados y, paralelamente, el desarrollo de ingeniería de energía termonuclear a gran escala utilizando helio-3, en mezclas con helio-3, ya se ha obtenido una microexplosión termonuclear láser.
El óxido de escandio en una aleación con óxido de holmio se utiliza en la producción de fotoconvertidores a base de silicio como recubrimiento. Este recubrimiento tiene una amplia región de transparencia (400 a 930 nm) y reduce el coeficiente de reflexión de la luz espectral del silicio al 1 al 4 %, y cuando se aplica a una fotocélula modificada de este tipo, la corriente de cortocircuito aumenta en un 35 al 70 %, lo que , a su vez, le permite aumentar la potencia de salida de los fotoconvertidores en 1,4 veces.
El cromito de escandio se utiliza como uno de los mejores y más duraderos materiales para la fabricación de electrodos para generadores MHD; se agrega cromo preoxidado a la masa cerámica principal y se sinteriza, lo que le da al material mayor resistencia y conductividad eléctrica. Junto con el dióxido de circonio como material de electrodo para generadores MHD, la cromita de escandio tiene una mayor resistencia a la erosión por compuestos de cesio (utilizados como aditivo formador de plasma).
El escandio se usa ampliamente para la producción de espejos de rayos X multicapa (composiciones: escandio-tungsteno, escandio-cromo, escandio-molibdeno). El telururo de escandio es un material muy prometedor para la producción de termoelementos (alta fem térmica, 255 μV/K, baja densidad y alta resistencia).
En los últimos años, las aleaciones refractarias (compuestos intermetálicos) de escandio con renio (punto de fusión hasta 2575 °C), rutenio (punto de fusión hasta 1840 °C), hierro (punto de fusión hasta 1600 °C), (resistencia al calor, densidad moderada, etc.).
El óxido de escandio (punto de fusión 2450 °C) juega un papel importante como material refractario de propósito especial en la producción de boquillas de vertido de acero para el vertido de aceros de alta aleación; en términos de estabilidad en un flujo de metal líquido, el óxido de escandio supera a todos los conocidos y materiales usados (por ejemplo, el óxido de itrio más estable inferior al óxido de escandio en 8,5 veces) y en esta área, se podría decir, insustituible. Su uso generalizado solo se ve obstaculizado por un precio muy alto y, en cierta medida, una solución alternativa en esta área es el uso de escandatos de itrio reforzados con bigotes de óxido de aluminio para aumentar la resistencia, así como el uso de tantalato de escandio.
El óxido de escandio juega un papel importante en la producción de zirconia cúbica, donde es el mejor estabilizador.
El borato de escandio, así como el borato de itrio, se utilizan en la industria radioelectrónica como matriz para fósforos.
El escandio no desempeña ningún papel biológico [18] .
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de escandio | compuestos|
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Serie de actividad electroquímica de los metales. | |
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