Σκάνδιο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Σκάνδιο
Sc-TableImage.png
Σκάνδιο
Γενικά
Όνομα Σκάνδιο
Σύμβολο Sc
Ατομικός αριθμός 21
Χημική ομάδα Στοιχεία μετάπτωσης
Ομάδα
Περίοδος
Τομέας
ΙIIB (3)
4
d
Ατομικό βάρος 44,955912(6) amu
Εμφάνιση Αργυρόλευκο στερεό μέταλλο
Βασική ηλεκτρονική διαμόρφωση [Ar] 3d1 4s2
Ηλεκτρόνια ανά
στοιβάδα
2, 8, 9, 2
Σταθερότερες βαθμίδες οξείδωσης 0, +3
Ηλεκτραρνητικότητα 1,36 (κλίμακα Pauling)
Ατομική ακτίνα 162 pm
Ομοιοπολική ακτίνα 144 pm
Ενέργεια ιονισμού 633,1 kJ/mole (Sc → Sc+ + e-)
1.355 kJ/mole (Sc → Sc2+ + 2e-)
2.388,6 kJ/mole (Sc → Sc3+ + 3e-)
Ιονική ακτίνα Sc3+ 91 pm
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης 1.541 °C (1.814,16 K)
Σημείο βρασμού 2.836 °C (3.109,16 K)
Πυκνότητα 2.985 kg/m3 (0 °C, 1 atm)
Σκληρότητα Mohs 6,0
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση
εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το σκάνδιο είναι χημικό στοιχείο με σύμβολο Sc και ατομικό αριθμό 21. Είναι ένα αργυρόλευκο μέταλλο, το οποίο ιστορικά κατατάχθηκε μερικές φορές στις σπάνιες γαίες μαζί με το ύττριο και τις λανθανίδες. Το 1879 ο Λαρς Φρέντρικ Νίλσον (Lars Fredrik Nilson) και η ομάδα του, ανακάλυψαν το νέο (τότε) χημικό στοιχείο με φασματοσκοπική ανάλυση, σε μεταλλεύματα ευξενίτη και γαδολινίτη από τη Σκανδιναβία, εξ ου και η ονομασία του.

Το σκάνδιο ανευρίσκεται στα περισσότερα κοιτάσματα σπάνιων γαιών και ουρανίου, αλλά εξάγεται από αυτά μόνο σε λίγα ορυχεία παγκοσμίως. Χάρη στη μικρή του διαθεσιμότητα και τις δυσκολίες της απομόνωσης μεταλλικού σκανδίου, κάτι που έγινε εφικτό το 1937, χρειάστηκε να φθάσει η δεκαετία του 1970 πριν ανακαλυφθούν οι πρώτες εφαρμογές του. Τότε ανακαλύφθηκαν τα θετικά αποτελέσματα από τη δημιουργία κραμάτων του με αλουμίνιο. Αυτά τα κράματα παραμένουν η κύρια πρακτική εφαρμογή του σκανδίου.

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο Μεντελέγεφ (Dmitri Mendeleev) προέβλεψε την ύπαρξη ενός χημικού στοιχείου, που ονόμασε «εκαβόριο», με ατομική μάζα 40-48 amu το 1869. Δέκα χρόνια αργότερα ο Λαρς Φρέντρικ Νίλσον (Lars Fredrik Nilson) ανακάλυψε το νέο (τότε) χημικό στοιχείο σε μεταλλεύματα ευξενίτη και γαδολινίτη από τη Σκανδιναβία. Κατάφερε να απομονώσει 2 g οξείδιο του σκανδίου (Sc2O3) με υψηλή καθαρότητα[1][2]. Το ονόμασε «σκάνδιο», από τη λατινική λέξη «Scandia» που σημαίνει Σκανδιναβία. Ο Νίλσον (Nilson) δεν γνώριζε τότε την πρόβλεψη του Μεντελέγεφ, αλλά ο Per Teodor Cleve αναγνώρισε τη συνεισφορά και τον ανέφερε.[3].

Το μεταλλικό σκάνδιο απομονώθηκε για πρώτη φορά το 1937 με ηλεκτρόλυση του (σχετικά) εύτηκτου μίγματος χλωριούχου καλίου (KCl), χλωριούχου λιθίου (LiCl) και χλωριούχου σκανδίου (ScCl3), στου 700-800 °C.[4]. Η πρώτη λίβρα 99% καθαρού σκανδίου παράχθηκε το 1960. Η πρώτη χρήση του για παραγωγή κράματος με αλουμίνιο έγινε το 1971, ως αμερικανική πατέντα, αλλά πολύ σύντομα ανάλογα κράματα ανέπτυξε και η τότε ΕΣΣΔ [5].

Η θέση του στον περιοδικό πίνακα[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι ομάδες 1-3 του περιοδικού συστήματος θα μπορούσαν να γραφούν ως εξής:

1 2 3
H
Li Be B
Na Mg Al
K Ca Sc
Rb Sr Y
Cs Ba La
Fr Ra Ac

Αυτή η ομαδοποίηση, όμως, δείχνει (εσφαλμένα) ότι οι ιδιότητες του σκανδίου είναι περίπου ενδιάμεσες μεταξύ αυτών του αργιλίου (Al) και του υττρίου (Υ), όπως ομοίως είναι αυτές του ασβεστίου (Ca) ενδιάμεσες αυτών του μαγνησίου (Mg) και του στροντίου (Sr). Επίσης δείχνει (εσφαλμένα) ότι υπάρχει διαγώνια σχέση μεταξύ μαγνησίου και σκανδίου, όπως ακριβώς συμβαίνει μεταξύ βηρυλλίου (Be) και αργιλίου.

Ωστόσο, και στον κανονικό περιοδικό πίνακα το βόριο και το αργίλιο τοποθετούνται στην ομάδα IIIA (13), όπου οι παραπάνω περιγραφόμενες σχέσεις είναι λιγότερο προφανείς. Ομοίως και στη υπόλοιπη ομάδα IIIΒ (3), υπήρχαν διαφωνίες για την κοινή κατάταξη σε μια ομάδα των στοιχείων της, σκάνδιο, ύττριο και θεωρητικά μαζί όλες οι λανθανίδες και οι ακτινίδες.[6]. Στις χημικές ενώσεις των στοιχείων της ομάδας αυτής (ΙΙΙΒ ή 3), η πιο σταθερή βαθμίδα οξείδωσης είναι +3, αφού τα ιόντα M3+ έχουν την πλέον σταθερή ηλεκτρονική δομή των ευγενών αερίων. Τα περισσότερα σύγχρονα χημικά εγχειρίδια πάντως τοποθετούν όλα αυτά τα χημικά στοιχεία στην ίδια ομάδα του περιοδικού συστήματος.

Ισότοπα του σκανδίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στη φύση το σκάνδιο αποτελείται από ένα σταθερό ισότοπο, το 45Sc, με πυρηνικό σπιν 7/2. Άλλα 13 ραδιοϊσότοπα έχουν χαρακτηριστεί, περιλαμβάνοντας το σταθερότερο από αυτά 46Sc με ημιζωή 83,8 ημέρες, το 47Sc με ημιζωή 3,35 ημέρες και το 48Sc με ημιζωή 43,7 ώρες. Τα υπόλοιπα 10 ραδιοϊσότοπα έχουν ημιζωή λιγότερη από 4 ώρες. Επίσης, το σκάνδιο έχει ακόμη 12 μετακαταστάσεις, η μακροβιώτερη από τις οποίες είναι η 44m2Sc με ημιζωή 58,6 ώρες[7]. Τα ισότοπα του σκανδίου έχουν ατομική μάζα 40 - 54 amu[7].

Συνολικός πίνακας των ισοτόπων του σκανδίου[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

σύμβολα
νουκλιδίων
Z(p) N(n)  
ισοτοπική μάζα (([amu]])
 
ημιζωή πυρηνικό
spin
αναπαράσταση
ισοτοπικής
σύνθεσης
(κλάσμα mole)
εύρος φυσικής
διασποράς
(κλάσμα mole)
Ενέργεια διέγερσης
36Sc 21 15 36,01492(54)#
37Sc 21 16 37,00305(32)# 7/2-#
38Sc 21 17 37,99470(32)# <300 ns (2-)#
39Sc 21 18 38,984790(26) <300 ns (7/2-)#
40Sc 21 19 39,977967(3) 182,3(7) ms 4-
41Sc 21 20 40,96925113(24) 596,3(17) ms 7/2-
42Sc 21 21 41,96551643(29) 681,3(7) ms 0+
42mSc 616,28(6) keV 61,7(4) s (7,5,6)+
43Sc 21 22 42,9611507(20) 3,891(12) h 7/2-
43m1Sc 151,4(2) keV 438(7) µs 3/2+
43m2Sc 3.123,2(3) keV 470(4) ns (19/2)-
44Sc 21 23 43,9594028(19) 3,97(4) h 2+
44m1Sc 67,8680(14) keV 154,2(8) ns 1-
44m2Sc 270,95(20) keV 58,61(10) h 6+
44m3Sc 146,224(22) keV 50,4(7) µs 0-
45Sc 21 24 44,9559119(9) σταθερό 7/2- 1,0000
45mSc 12,40(5) keV 318(7) ms 3/2+
46Sc 21 25 45,9551719(9) 83,79(4) d 4+
46m1Sc 52,011(1) keV 9,4(8) µs 6+
46m2Sc 142,528(7) keV 18,75(4) s 1-
47Sc 21 26 46,9524075(22) 3,3492(6) d 7/2-
47mSc 766,83(9) keV 272(8) ns (3/2)+
48Sc 21 27 47,952231(6) 43,67(9) h 6+
49Sc 21 28 48,950024(4) 57,2(2) min 7/2-
50Sc 21 29 49,952188(17) 102,5(5) s 5+
50mSc 256,895(10) keV 350(40) ms 2+,3+
51Sc 21 30 50,953603(22) 12.4(1) s (7/2)-
52Sc 21 31 51,95668(21) 8,2(2) s 3(+)
53Sc 21 32 52,95961(32)# >3 s (7/2-)#
54Sc 21 33 53,96326(40) 260(30) ms 3+#
54mSc 110(3) keV 7(5) µs (5+)
55Sc 21 34 54,96824(79) 0,115(15) s 7/2-#
56Sc 21 35 55,97287(75)# 35(5) ms (1+)
57Sc 21 36 56,97779(75)# 13(4) ms 7/2-#
58Sc 21 37 57,98371(86)# 12(5) ms (3+)#
59Sc 21 38 58,98922(97)# 10# ms 7/2-#
60Sc 21 39 59,99571(97)# 3# ms 3+#

Σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Οι τιμές που σημειώνονται με # δεν είναι απόλυτα τεκμηριωμένες από πειραματικά δεδομένα, αλλά προέρχονται, τουλάχιστον εν μέρει, από συστηματικά μοντέλα. Τα σπιν με αμφιβολίες είναι κλεισμένα σε παρενθέσεις.
  • Οι αβεβαιότητες δίνονται επίσης σε παρενθέσεις, αφορώντας τα τελευταία ψηφία. Οι τιμές της αβεβαιότητας αναφέρονται στην φυσική διαφοροποίηση, εκτός από την ισοτοπική σύνθεση και την χαρακτηρισμένη ως πρότυπη ατομική μάζα από την IUPAC, που αυξάνουν τις αβεβαιότητες.

Προέλευση και παραγωγή[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σκάνδιο

Το σκάνδιο δεν είναι ιδιαίτερα σπάνιο στο γήιινο φλοιό. Εκτιμάται ότι η μέση συγκέντρωσή του είναι μεταξύ 18 και 25 ppm, συγκρίσιμη π.χ. με την του κοβαλτίου (Co) (20-30 ppm). Ωστόσο, το σκάνδιο κατανέμεται άνισα και συχνά περιέχεται σε ίχνη σε πολλά ορυκτά.[8]. Σπάνια ορυκτά από τη Σκανδιναβία[9] και τη Μαδαγασκάρη[10], όπως κάποια ειδικά ορυκτά θορτβεϊτίτη, ευξενίτη και γαδολινίτη είναι τα μόνα γνωστά κοιτάσματα συγκεντρωμένης ποσότητας του στοιχείου. Ο θορτβεϊτίτης π.χ. μπορεί να περιέχει μέχρι και 45% οξείδιο του σκανδίου (Sc2O3)[9].

Το σκάνδιο είναι πιο άφθονο στον Ήλιο και σε πολλά άλλα άστρα, σε σχέση με τη Γη. Είναι μόλις το 50ό στοιχείο σε αφθονία στη Γη (35ο ειδικά στο φλοιό της), αλλά είναι το 23ο στον Ήλιο.[11].

Η παγκόσμια παραγωγή σκανδίου είναι της τάξης των 2 τόνων το χρόνο, με τη μορφή του οξειδίου του σκανδίου. Η κύρια παραγωγή είναι 400 kg, ενώ το υπόλοιπο προέρχεται σπό τσ αποθέματα της Ρωσίας που δημιουργήθηκαν κατά τον Ψυχρό Πόλεμο. Το 2003 μόνο τρία (3) ορυχεία παρήγαγαν σκάνδιο:

  1. Το ορυχείο ουρανίου και σιδήρου στο Ζόβτι Βόντυ της Ουκρανίας.
  2. Το ορυχείο σπανίων γαιών στο Μπαϋάν Όμπο της Κίνα.
  3. Το ορυχείο απατίτη στη χερσόνησο Κόλα της Ρωσίας.

Σε κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις το σκάνδιο εξάγονταν ως παραπροϊόν άλλων στοιχείων[12] και πωλούνταν ως οξείδιο του σκανδίου. Η παραγωγή μεταλλικού σκανδίου είναι της τάξης των 10 kg το χρόνο.[13][12]. Το οξείδιο (Sc2O3) μετατρέπονταν σε φθοριούχο σκάνδιο (ScF3) και ανάγονταν σε μέταλλο (Sc) από μεταλλικό ασβέστιο (Ca):


Sc_2O_3 + 6HF \xrightarrow{} 2ScF_3 + 3H_2O


2ScF_3 + 3Ca \xrightarrow{} 3CaF_2 + 2Sc

Η Μαδαγασκάρη και η περιοχή Ίβελαντ Εβνζ στη Νορβηγία είναι τα μόνα γνωστά ορυκτά κοιτάσματα θορτβεϊτίτη (Y,Sc)2(Si2O7) και κολμπεκίτη (ScPO4·2H2O) με υψηλή συγκέντρωση σε σκάνδιο, αλλά δεν είναι υπό εκμετάλλευση.[13]. Άλλα κοιτάσματα σκανδίου περιλαμβάνουν τα ορυχεία νικελίου (Ni) και κοβαλτίου (Co) στο Σύερστον και Λίμνη Ίννες στη Νέα Νότια Ουαλία (Αυστραλία), σιδήρου (Fe), κασσιτέρου (Sn) και κοιτάσματα βολφραμίου στην Κίνα, καθώς και σε κοιτάσματα ουρανίου (U) στη Ρωσία και στο Καζακστάν. Ως το 2003, τουλάχιστον, κανένα από αυτά τα κοιτάσματα δεν ήταν υπό εκμετάλλευση ως προς το σκάνδιο, αλλά ίσως να υπήρχε, αν υπήρχε επαρκής ζήτηση[12]. Δεν υπήρχε κύρια παραγωγή σκανδίου στην Αμερική, την Ευρώπη ή την Αυστραλία.

Αναφορές και σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Lars Fredrik Nilson (1879). «Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac». Comptes Rendus 88: 642–647. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k30457/f639.table. 
  2. F. L. Nilson (1879). «Ueber Scandium, ein neues Erdmetall». Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 12 (1): 554–557. doi:10.1002/cber.187901201157. 
  3. Per Teodor Cleve (1879). «Sur le scandium». Comptes Rendus 89: 419–422. http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3046j/f432.table. 
  4. Fischer, Werner (1937). «Über das metallische Scandium». Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 231 (1-2): 54–62. doi:10.1002/zaac.19372310107. 
  5. Zakharov, V. V. (2003). «Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys». Metal Science and Heat Treatment 45 (7-8): 246–253. doi:10.1023/A:1027368032062. 
  6. Lavelle, L. (2008). «Lanthanum (La) and Actinium (Ac) Should Remain in the d-block». J. Chem. Ed. 85: 1482. 
  7. 7,0 7,1 Audi, Georges (2003). «The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties». Nuclear Physics A (Atomic Mass Data Center) 729: 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  8. 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. ISBN 9026518463. 
  9. 9,0 9,1 Kristiansen, Roy (2003). «Scandium - Mineraler I Norge» (στα Norwegian). Stein: 14–23. http://www.nags.net/nags/magasin/2003/Sc-minerals.pdf. 
  10. von Knorring, O. (1987). «Mineralized pegmatites in Africa». Geological Journal 22: 253–270. 
  11. Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics. σελ. 4—28. ISBN 9780849304859. 
  12. 12,0 12,1 12,2 Deschamps, Y.. «Scandium». mineralinfo.com. http://www.mineralinfo.org/Substance/Scandium/Sc.pdf. Ανακτήθηκε στις 2008-10-21. 
  13. 13,0 13,1 «Mineral Commodity Summaries 2008: Scandium». United States Geological Survey. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/scandium/mcs-2008-scand.pdf. Ανακτήθηκε στις 2008-10-20. 

Πηγές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  • Sargent-Welch Scientific Company

Εξωτερικοί σύνδεσμοι[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Wiktionary logo
Το Βικιλεξικό έχει λήμμα που έχει σχέση με το λήμμα:
Commons logo
Τα Wikimedia Commons έχουν πολυμέσα σχετικά με το θέμα


Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Scandium της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Isotopes of scandium της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).