Skandij

Skandij je kemični element s simbolom Sc in atomskim številom 21. Srebrno bel kovinski element d-bloka je bil v preteklosti uvrščen med redkozemeljske elemente ^[6] skupaj z itrijem in lantanidi . Odkrili so ga leta 1879 s spektralno analizo mineralov euksenit in gadolinit iz Skandinavije .

Skandij, ₂₁Sc

Skandij
Izgovarjava	IPA: [ˈskaːndij]
Videz	srebrno bel
Standardna atomska teža Ar, std(Sc)	44,955908(5)[1]
Skandij v periodnem sistemu
Vodik Helij Litij Berilij Bor (element) Ogljik Dušik Kisik Fluor Neon Natrij Magnezij Aluminij Silicij Fosfor Žveplo Klor Argon Kalij Kalcij Skandij Titan (element) Vanadij Krom Mangan Železo Kobalt Nikelj Baker Cink Galij Germanij Arzen Selen Brom Kripton Rubidij Stroncij Itrij Cirkonij Niobij Molibden Tehnecij Rutenij Rodij Paladij Srebro Kadmij indij Kositer Antimon Telur Jod Ksenon Cezij Barij Lantan Cerij Prazeodim Neodim Prometij Samarij Evropij Gadolinij Terbij Disprozij Holmij Erbij Tulij Iterbij Lutecij Hafnij Tantal Volfram Renij Osmij Iridij Platina Zlato Živo srebro Talij Svinec Bizmut Polonij Astat Radon Francij Radij Aktinij Torij Protaktinij Uran (element) Neptunij Plutonij Americij Kirij Berkelij Kalifornij Ajnštajnij Fermij Mendelevij Nobelij Lavrencij Raderfordij Dubnij Siborgij Borij Hasij Majtnerij Darmštatij Rentgenij Kopernicij Nihonij Flerovij Moskovij Livermorij Tenes Oganeson – ↑ Sc ↓ Y kalcij ← skandij → titan (element)
Vrstno število (Z)	21
Skupina	skupina 3
Perioda	perioda 4
Blok	blok d
Razporeditev elektronov	[Ar] 3d1 4s2
Razporeditev elektronov po lupini	2, 8, 9, 2
Fizikalne lastnosti
Faza snovi pri STP	trdnina
Tališče	1541 °C
Vrelišče	2836 °C
Gostota (blizu s.t.)	2,985 g/cm3
v tekočem stanju (pri TT)	2,80 g/cm3
Talilna toplota	14,1 kJ/mol
Izparilna toplota	332,7 kJ/mol
Toplotna kapaciteta	25,52 J/(mol·K)
Parni tlak P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pri T (°C) 1.372 1.531 1.733 1.993 2.340 2.828
Lastnosti atoma
Oksidacijska stanja	0,[2] +1,[3] +2,[4] +3 (amfoterni oksid)
Elektronegativnost	Paulingova lestvica: 1,36
Ionizacijske energije	1.: 633,1 kJ/mol 2.: 1235,0 kJ/mol 3.: 2388,6 kJ/mol (več)
Atomski polmer	empirično: 162 pm
Kovalentni polmer	170±7 pm
Van der Waalsov polmer	211 pm
Spektralne črte skandija
Druge lastnosti
Pojavljanje v naravi	prvobitno
Kristalna struktura	​heksagonalna gosto zložena (hgz)
Temperaturni raztezek	α, poly: 10,2 µm/(m⋅K) (pri sobni temperaturi)
Toplotna prevodnost	15,8 W/(m⋅K)
Električna upornost	α, poly: 562 nΩ⋅m (pri s.t., izračunano)
Magnetna ureditev	paramagnetik
Magnetna susceptibilnost	+315,0·10−6 cm3/mol (292 K)[5]
Youngov modul	74,4 GPa
Strižni modul	29,1 GPa
Stisljivostni modul	56,6 GPa
Poissonovo razmerje	0,279
Trdota po Brinellu	736–1200 MPa
Številka CAS	7440-20-2
Zgodovina
Poimenovanje	po Skandinaviji
Prediction	Dimitrij Ivanovič Mendelejev (1871)
Odkritje in prva izolacija	Lars Fredrik Nilson (1879)
Najpomembnejši izotopi skandija
Izo­top Pogos­tost Razpolovni čas (t1/2) Razpadni način Pro­dukt 44m2Sc sint. 58,61 h IT 44Sc γ 44Sc ε 44Ca 45Sc 100% stabilen 46Sc sint. 83,79 d β− 46Ti γ – 47Sc sint. 80,38 d β− 47Ti γ – 48Sc sint. 43,67 h β− 48Ti γ –
Kategorija: Skandij prikaži · pogovor · uredi · zgodovina | reference

Skandij je prisoten v večini nahajališč redkozemeljskih in uranovih spojin, vendar ga iz teh rud pridobivajo le v nekaj rudnikih po vsem svetu. Zaradi nizke razpoložljivosti in težav pri pripravi kovinskega skandija, ki je bil prvič opravljen leta 1937, se uporabe za skandij razvijajo šele v sedemdesetih letih, ko so odkrili pozitivne učinke skandija na aluminijeve zlitine, ki ostaja njegova edina glavna uporaba. Svetovna trgovina s skandijevim oksidom znaša 15–20 ton na leto. ^[7]

Lastnosti skandijskih spojin so vmesne med lastnostmi aluminija in itrija . Obstaja diagonalno razmerje med obnašanjem magnezija in skandija, podobno kot med berilijem in aluminijem. V kemičnih spojinah elementov iz skupine 3 je prevladujoče oksidacijsko stanje +3.

Lastnosti

Kemijske značilnosti

Scandium je mehka kovina srebrnega videza. Pri oksidiranju na zraku dobi rahlo rumenkasto ali rožnato barvo. Dovzeten je za vremenske vplive in se počasi raztaplja v večini razredčenih kislin . Ne reagira z mešanico dušikove kisline (HNO₃) in 48% fluorovodikove kisline (HF) v razmerju 1: 1, verjetno zaradi tvorbe neprepustne pasivne plasti . Skandijevi opilki se na zraku vžgejo z briljantno rumenim plamenom in tvorijo skandijev oksid . ^[8]

Izotopi

V naravi najdemo skandij izključno kot izotop ⁴⁵ Sc, ki ima jedrski spin 7/2; to je njegov edini stabilni izotop. Za trinajst radioizotopov je ugotovljeno, da je najbolj stabilen ⁴⁶Sc, ki ima razpolovno dobo 83,8 dni; ⁴⁷ Sc, 3.35 dni; <sup id="mwSg">44</sup>Sc, ki oddaja pozitrone,4 h; in ⁴⁸Sc, 43,7 ure. Vsi preostali radioaktivni izotopi imajo razpolovne dobe manj kot 4 ure, večina manj kot 2 minuti. Ta element ima tudi pet jedrskih izomerov, pri čemer je najbolj stabilen ^44mSc ( t _1/2 = 58,6 h). ^[9]

Izotopi skandija se gibljejo od ³⁶Sc do ⁶⁰ Sc. Primarni način razpada pri masah, nižjih od edinega stabilnega izotopa, ⁴⁵ Sc, je zajem elektronov, primarni način pri masah nad njim pa je emisija beta . Primarni produkti razpada pri atomski teži pod ⁴⁵Sc so kalcijevi izotopi, z višjih atomskih mas pa izotopi titana . ^[9]

Pogostnost

V zemeljski skorji skandij ni redek. Ocene se razlikujejo od 18 do 25 ppm, kar je primerljivo z obilico kobalta (20–30 ppm). Skandij je le 50. najpogostejši element na Zemlji (35. najpogostejši v skorji), vendar je 23. najpogostejši element na Soncu. ^[10] Vendar se skandij porazdeljuje redko in se v številnih mineralih pojavlja v sledovih. ^[11] Redki minerali iz Skandinavije ^[12] in Madagaskarja ^[13], kot so thortveitit, euxenit in gadolinit so edini znani zgoščeni viri tega elementa. Thortveitit lahko vsebuje do 45% skandija v obliki skandijevega oksida .

Stabilna oblika skandija se v supernovah nastaja z r-postopkom . ^[14] Skandij tudi nastaja pod vplivom kozmičnih žarkov, ki cepijo težja jedra železa.

• ²⁸Si + 17n → ⁴⁵Sc (r-postopek)
• ⁵⁶Fe + p → ⁴⁵Sc + ¹¹ C + n (cepljenje)

Proizvodnja

Svetovna proizvodnja skandija je približno 15-20 ton na leto v obliki skandijevega oksida. Povpraševanje je približno 50% večje od ponudbe, tako da se proizvodnja kot tudi povpraševanje se še naprej povečujeta. Leta 2003 so le trije rudniki proizvajali skandij: rudniki urana in železa v Žovtih Vodah v Ukrajini, rudniki redkih zemelj v Bayan Oboju na Kitajskem in rudniki apatita na polotoku Kola v Rusiji ; od takrat so številne druge države zgradile objekte za proizvodnjo skandija, med drugimi 5 ton na leto (7,5 tone / leto Sc₂O₃ ) družbi Nickel Asia Corporation in Sumitomo Metal Mining na Filipinih . ^{[15] [16]} V ZDA upajo, da bo podjetje NioCorp Development zbralo milijardo dolarjev ^[17] za odprtje rudnika niobija na področju Elk Creek v jugovzhodni Nebraski ^[18] ki lahko letno proizvede do 95 ton skandijevega oksida. ^[19] V vsakem primeru je skandij stranski produkt ekstrakcije drugih elementov in se prodaja kot skandijev oksid. ^{[20] [21] [22]}

Za proizvodnjo kovinskega skandija se oksid pretvori v skandijev fluorid in nato reducira s kovinskim kalcijem.

Na Madagaskarju in v regiji Iveland - Evje na Norveškem sta edini nahajališči mineralov z visoko vsebnostjo skandija, thortveitita (Sc,Y)₂ (Si₂O₇ ), ki pa se ne izkoriščata. ^[21] Mineral kolbeckit ScPO₄ · 2H₂O ima zelo visoko vsebnost skandija, vendar pa v večjih nahajališčih ni na voljo.

Odsotnost zanesljive, varne, stabilne in dolgoročne proizvodnje je omejila komercialno uporabo skandija. Kljub tej nizki stopnji uporabe skandij ponuja pomembne koristi. Še posebej obetavna je krepitev aluminijevih zlitin z le 0,5% skandija. Cirkonij, stabiliziran s skandijem, uživa naraščajoče tržno povpraševanje zaradi visoki učinkovitosti kot elektrolit v gorivnih celicahna osnovi trdega oksida.

Spojine

V kemiji skandija skoraj v celoti prevladuje trivalentni ion, Sc ³⁺ . Ionski polmeri M³⁺ v spodnji tabeli kažejo, da imajo kemijske lastnosti ionov skandija več skupnega z itrijevimi ioni kot pa z ioni aluminija..Deloma je zaradi te podobnosti skandij pogosto uvrščen med lantanide.

Zgodovina

Dmitri Mendeleev, ki ga imenujejo oče periodnega sistema, je leta 1869 napovedal obstoj elementa ekaboron z atomsko maso med 40 in 48. Lars Fredrik Nilson je s svojo ekipo leta 1879 odkril ta element v mineralih evksenit in gadolinit. Nilson je pripravil 2 grama skandijevega oksida visoke čistosti. ^{[23] [24]} Element je poimenoval skandij, iz latinskega Scandia, kar pomeni "Skandinavija". Nilson očitno ni vedel za napoved Mendelejeva, Per Per Teodor Cleve pa je prepoznal zvezo in o odkritju obvestil Mendelejeva. ^{[25] [26]}

Kovinski skandij je bil prvič izdelan leta 1937 z elektrolizo evtektične mešanice kalijevih, litijevih in skandijevih kloridov pri 700–800 ° C. ^[27] Prvi kilogram 99% čiste kovine skandija so pridobili leta 1960. Proizvodnja aluminijevih zlitin se je začela leta 1971 po ameriškem patentu. ^[28] Zlitine aluminija in skandija so bile razvite tudi v ZSSR . ^[29]

Laserski kristali gadolinij-skandij-galijev granata (GSGG) se uporabljajo v strateških obrambnih aplikacijah, razvitih za Strateško obrambno pobudo (SDI) v osemdesetih in devetdesetih letih. ^{[30] [31]}

Zdravje in varnost

Elementarni skandij velja za nestrupen, čeprav obsežnih preskusov skandijskih spojin na živalih še niso opravili. ^[32] Mediana smrtnega odmerka (LD ₅₀ ) za skandijev klorid za podgane je bila določena kot 755 mg / kg za intraperitonealno in 4 g / kg za peroralno uporabo. ^[33] Glede na te rezultate je treba s spojinami skandija ravnati kot s spojinami z zmerno strupenostjo.

Glej tudi

• Element redke zemlje
• skandij v periodnem sistemu video posnetkov (Univerza v Nottinghamu)

Reference

1. Meija, Juris; in sod. (2016). »Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)«. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. F. Geoffrey N. Cloke; Karl Khan; Robin N. Perutz (1991). »η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II)«. J. Chem. Soc., Chem. Commun. (19): 1372–1373. doi:10.1039/C39910001372.
3. Smith, R. E. (1973). »Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals«. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 332 (1588): 113–127. Bibcode:1973RSPSA.332..113S. doi:10.1098/rspa.1973.0015. S2CID 96908213.
4. McGuire, Joseph C.; Kempter, Charles P. (1960). »Preparation and Properties of Scandium Dihydride«. Journal of Chemical Physics. 33 (5): 1584–1585. Bibcode:1960JChPh..33.1584M. doi:10.1063/1.1731452.
5. Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
6. IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
7. »Mineral Commodity Summaries 2020« (PDF). US Geological Survey Mineral Commodities Summary 2020. US Geological Survey. Pridobljeno 10. februarja 2020.
8. "Scandium." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
9. Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003). »The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties«. Nuclear Physics A. 729 (1): 3–128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. CiteSeerX 10.1.1.692.8504. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
10. Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. str. 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9.
11. Bernhard, F. (2001). »Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria«. Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema. ISBN 978-90-265-1846-1.
12. Kristiansen, Roy (2003). »Scandium – Mineraler I Norge« (PDF). Stein (v norveščini): 14–23.
13. von Knorring, O.; Condliffe, E. (1987). »Mineralized pegmatites in Africa«. Geological Journal. 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619.
14. Cameron, A.G.W. (Junij 1957). »Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis« (PDF). CRL-41.
15. »Establishment of Scandium Recovery Operations« (PDF). Pridobljeno 26. oktobra 2018.
16. Iwamoto, Fumio. »Commercial Scandium Oxide Production by Sumitomo Metal Mining Co. Ltd«. TMS. Arhivirano iz prvotnega spletišča dne 27. februarja 2021. Pridobljeno 26. oktobra 2018.
17. »NioCorp Announces Final Closing of Non-Brokered Private Placement for Aggregate Gross Proceeds of C$1.77 Million« (tiskovna objava). Pridobljeno 18. maja 2019.
18. »Long-discussed niobium mine in southeast Nebraska is ready to move forward, if it gathers $1 billion in financing «. Pridobljeno 18. maja 2019.
19. NioCorp Superalloy Materials The Elk Creek Superalloy Materials Project (PDF), arhivirano iz prvotnega spletišča (PDF) dne 19. avgusta 2021, pridobljeno 18. maja 2019
20. Deschamps, Y. »Scandium« (PDF). mineralinfo.com. Arhivirano iz prvotnega spletišča (PDF) dne 24. marca 2012. Pridobljeno 21. oktobra 2008.
21. »Mineral Commodity Summaries 2015: Scandium« (PDF). United States Geological Survey.
22. Scandium. USGS.
23. Nilson, Lars Fredrik (1879). »Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac«. Comptes Rendus (v francoščini). 88: 642–647.
24. Nilson, Lars Fredrik (1879). »Ueber Scandium, ein neues Erdmetall«. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (v nemščini). 12 (1): 554–557. doi:10.1002/cber.187901201157.
25. Cleve, Per Teodor (1879). »Sur le scandium«. Comptes Rendus (v francoščini). 89: 419–422.
26. Weeks, Mary Elvira (1956). The discovery of the elements (6th izd.). Easton, PA: Journal of Chemical Education.
27. Fischer, Werner; Brünger, Karl; Grieneisen, Hans (1937). »Über das metallische Scandium«. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (v nemščini). 231 (1–2): 54–62. doi:10.1002/zaac.19372310107.
28. Burrell, A. Willey Lower "Aluminum scandium alloy" U.S. Patent 3,619,181 issued on November 9, 1971.
29. Zakharov, V. V. (2003). »Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys«. Metal Science and Heat Treatment. 45 (7/8): 246. Bibcode:2003MSHT...45..246Z. doi:10.1023/A:1027368032062.
30. Hedrick, James B. »Scandium«. REEhandbook. Pro-Edge.com. Arhivirano iz prvotnega spletišča dne 2. junija 2012. Pridobljeno 9. maja 2012.
31. Samstag, Tony (1987). »Star-wars intrigue greets scandium find«. New Scientist: 26.^{[mrtva povezava]}
32. Horovitz, Chaim T.; Birmingham, Scott D. (1999). Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer. ISBN 978-0-306-45657-2.
33. Haley, Thomas J.; Komesu, L.; Mavis, N.; Cawthorne, J.; Upham, H. C. (1962). »Pharmacology and toxicology of scandium chloride«. Journal of Pharmaceutical Sciences. 51 (11): 1043–5. doi:10.1002/jps.2600511107. PMID 13952089.