Escândio: história, propriedades, reações, riscos e usos - Ciência - 2023

Contente

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 se assemelhar 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 estar próximo ao cobre, ferro ou ouro. No entanto, ainda é impressionante, e as propriedades físicas de suas ligas podem competir com as do titânio.

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. Fora isso, 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; portanto, 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.

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 que recebeu 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 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 facto o químico suíço Per Teodor Cleve que 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 pôde ser obtido 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 referida como fase α e a segunda, fase β.

A fase α hexagonal mais densa é estável à temperatura ambiente; enquanto a fase β cúbica menos densa é estável acima de 1337ºC. 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, ele não o torna 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 4s²

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, consequentemente, as distâncias entre eles sejam estreitadas.

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 seus três elétrons de valência (3d¹4s²) 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 Sc²⁺, seu número de oxidação será +2, e você terá perdido dois elétrons (3d¹4s⁰); e se for o Sc³⁺O mais estável desses cátions, ele terá um número de oxidação de +3 e é isoeletrônico ao argônio.

Resumindo, seus números de oxidação são: +1, +2 e +3. Por exemplo, em Sc₂OU₃o número de oxidação do escândio é +3 porque a existência de Sc é assumida³⁺ (Sc₂³⁺OU₃^2-).

Propriedades

Aparência física

É um metal branco prateado na sua forma pura e elementar, com uma textura macia e lisa. Adquire tonalidades rosa-amareladas quando passa a ser recoberto por uma camada de óxido (Sc₂OU₃).

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 da vaporização

332,7 kJ / mol.

Condutividade térmica

66 µΩ · cm a 20 ° C.

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 (Sc²⁺ gasoso).

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

Rádio atômico

162 pm.

Ordem magnética

Paramagnético.

Isótopos

De todos os isótopos de escândio, ⁴⁵Sc 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 meias-vidas; como ele ⁴⁶Sc (t_1/2 = 83,8 dias), ⁴⁷Sc (t_1/2 = 3,35 dias), ⁴⁴Sc (t_1/2 = 4 horas), e ⁴⁸Sc (t_1/2 = 43,7 horas). Outros radioisótopos têm t_1/2 menos de 4 horas.

Acidez

O cátion Sc³⁺ é um ácido relativamente forte. Por exemplo, em água pode formar o complexo aquoso [Sc (H₂OU)₆]³⁺, que por sua vez pode virar o pH para um valor abaixo de 7, devido à geração de íons H₃OU⁺ como um produto de sua hidrólise:

[Sc (H₂OU)₆]³⁺(ac) + H₂O (l) <=> [Sc (H₂OU)₅OH]²⁺(ac) + H₃OU⁺(ac)

A acidez do escândio também pode ser interpretada de acordo com a definição de Lewis: ele tem uma alta tendência para 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 (H₂OU)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

Devido ao fato de que 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, Sc₂OU₃. A mesma fórmula química indica antecipadamente o estado de oxidação de +3 para o escândio. Assim, para chamar esse composto de escândio, e como outros, são utilizadas as nomenclaturas sistemática, estoque e tradicional.

O SC₂OU₃ 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 utilizá-lo como cofator, se exercer uma influência nas células, embora semelhante, aos íons de Ca²⁺ o Fé³⁺.

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

Alguns estudos estatísticos dentro da medicina possivelmente o associam 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 encontrar 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 rocha, podem ser extraídos 22 gramas de escândio.

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 não tem preferência por nenhum dos ânions formadores de minerais típicos (como carbonato, CO₃^2-, ou enxofre, S^2-).

Não está em seu estado puro. Nem é o seu óxido mais estável, Sc₂OU₃, que se combina com outros metais ou silicatos para definir minerais; tais 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 é classificado como o número 23 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 TiO₂; nos resíduos do processamento do urânio, bem como nos 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, que demorou tanto para ser obtido no estado nativo ou metálico, foram devido ao fato de que Sc₂OU₃ é difícil reduzir; ainda mais do que TiO₂, para mostrar o Sc³⁺ uma afinidade maior do que a de Ti⁴⁺ em direção ao O^2-(assumindo 100% de caráter iônico em seus respectivos óxidos).

Ou seja, é mais fácil remover o oxigênio do TiO₂ do que Sc₂OU₃ com um bom agente de redução (normalmente carbono ou metais alcalinos ou alcalino-terrosos). É por isso que o Sc₂OU₃ 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) + 3CaF₂(s)

O SC₂OU₃ 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 dos de sua extração das rochas.

Eletrólise

Outro método para produzir escândio é primeiro obter seu sal de cloreto, ScCl₃e, em seguida, 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; 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) => 2ScCl₃(ac) + 3H₂(g)

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

2Sc (s) + 6NaOH (aq) + 6H₂O (l) => 2Na₃Sc (OH)₆(aq) + 3H₂(g)

E agora se comporta como um ácido (reage com NaOH), para formar um sal de escândalo; o de sódio, Na₃Sc (OH)₆, com o ânion escandato, Sc (OH)₆^3-.

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) + 3O₂(g) => 2Sc₂OU₃(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) + 3I₂(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) + 6H₂O (l) => 2Sc (OH)₃(s) + H₂(g)

Hidrólise ácida

Os complexos aquosos [Sc (H₂OU)₆]³⁺eles podem ser hidrolisados de tal forma que acabam formando pontes Sc- (OH) -Sc, até definirem um cluster com três átomos de escândio.

Riscos

Além de seu papel biológico, os efeitos fisiológicos e toxicológicos exatos do escândio são desconhecidos.

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; desde 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; ainda menos se o metal puder se acumular no solo e nas águas, passando então para as plantas e, em menor medida, 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 de seu peso. Diz-se que, se usado maciçamente um dia, pode 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, varas de pesca, tacos de golfe, etc .; embora as ligas de titânio tendam a substituí-los por serem mais baratos.

A mais conhecida dessas ligas é o Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Você₃₀, que é tão forte quanto o titânio, tão leve quanto o alumínio e tão duro quanto a cerâmica.

impressao 3D

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

Iluminações de estádio

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 dão a sensação de assistir a um jogo em plena luz do dia.

Efeitos semelhantes foram usados para dispositivos elétricos, como câmeras digitais, telas de televisão ou monitores de computador. Além disso, faróis com essas lâmpadas da ScI₃-Hg foram localizados 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 que contém 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 superaquecimento.

Um exemplo de um desses óxidos sólidos é a zirconita estabilizada com escândio (na forma de Sc₂OU₃, 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⁺ eles podem coordenar com vários ligantes orgânicos, especialmente se forem moléculas oxigenadas.

Isso se deve ao fato das ligações Sc-O formadas serem muito estáveis, e por isso acabam formando cristais com estruturas surpreendentes, em cujos poros podem ser desencadeadas reações químicas, comportando-se como catalisadores heterogêneos; ou para abrigar moléculas neutras, comportando-se como um depósito 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

Irina Shtangeeva. (2004). Escândio. Universidade Estadual de São Petersburgo São Petersburgo. Recuperado de: researchgate.net
Wikipedia. (2019). Escândio. Recuperado de: en.wikipedia.org
Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2019). Escândio. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com
Dr. Doug Stewart. (2019). Fatos sobre o elemento de escândio. Chemicool. Recuperado de: chemicool.com
Escala. (2018). Escândio. Recuperado de: scale-project.eu
Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 de julho de 2019). Uma visão geral do Scandium. Recuperado de: Thoughtco.com
Kist, A.A., Zhuk, L.I., Danilova, E.A., & Makhmudov, E.A. (2012). Sobre a questão do papel biológico do escândio. Recuperado de: inis.iaea.org
W.A. Grosshans, Y.K. Vohra & W.B. Holzapfel. (1982). Transformações de fase de alta pressão em ítrio e escândio: Relação com estruturas cristalinas de terras raras e actinídeos. Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 29, Edições 1-3, Páginas 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
Marina O. Barsukova et al. (2018). Estruturas escândio-orgânico: avanços e perspectivas. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
Investing News Network. (11 de novembro de 2014). Aplicativos Scandium: Uma Visão Geral. Dig Media Inc. Recuperado de: investingnews.com