Escandio

El escandio es un elemento químico con el símbolo Sc y el número atómico 21. Un elemento de bloque D metálico de color blanco plateado, históricamente ha sido clasificado como un elemento de tierras raras, junto con el itrio y los lantánidos. Fue descubierto en 1879 mediante análisis espectral de los minerales euxenita y gadolinita de Escandinavia.

El escandio está presente en la mayoría de los depósitos de compuestos de uranio y tierras raras, pero se extrae de estos minerales solo en unas pocas minas en todo el mundo. Debido a la baja disponibilidad y a las dificultades en la preparación del escandio metálico, que se realizó por primera vez en 1937, las aplicaciones del escandio no se desarrollaron hasta la década de 1970, cuando se descubrieron los efectos positivos del escandio en las aleaciones de aluminio y su uso en dichas aleaciones. sigue siendo su única aplicación importante. El comercio mundial de óxido de escandio es de 15 a 20 toneladas por año.

Las propiedades de los compuestos de escandio son intermedias entre las del aluminio y el itrio. Existe una relación diagonal entre el comportamiento del magnesio y el escandio, al igual que entre el berilio y el aluminio. En los compuestos químicos de los elementos del grupo 3, el estado de oxidación predominante es +3.

Propiedades

Características químicas

El escandio es un metal blando de apariencia plateada. Desarrolla un tono ligeramente amarillento o rosado cuando se oxida con el aire. Es susceptible a la intemperie y se disuelve lentamente en la mayoría de los ácidos diluidos. No reacciona con una mezcla 1:1 de ácido nítrico (HNO ₃) y ácido fluorhídrico (HF) al 48,0%, posiblemente debido a la formación de una capa pasiva impermeable. Las virutas de escandio se encienden en el aire con una llama amarilla brillante para formar óxido de escandio.

Isótopos

En la naturaleza, el escandio se encuentra exclusivamente como isótopo Sc, que tiene un espín nuclear de 7/2; este es su único isótopo estable. Se han caracterizado veinticinco radioisótopos, siendo el más estable Sc, que tiene una vida media de 83,8 días; SC, 3,35 días; el emisor de positrones Sc, 4 horas; y Sc, 43,7 horas. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 4 horas, y la mayoría de estos tienen vidas medias inferiores a 2 minutos. Este elemento también tiene cinco isómeros nucleares, siendo el más estable Sc (t _1/2 = 58,6 h).

Los isótopos conocidos de escandio van desde Sc a Sc. El modo principal de decaimiento en masas inferiores al único isótopo estable, Sc, es la captura de electrones, y el modo principal en masas superiores es la emisión beta. Los productos primarios de desintegración con pesos atómicos por debajo de Sc son isótopos de calcio y los productos primarios de pesos atómicos más altos son isótopos de titanio.

Ocurrencia

En la corteza terrestre, el escandio no es raro. Las estimaciones varían de 18 a 25 ppm, que es comparable a la abundancia de cobalto (20-30 ppm). El escandio es solo el 50º elemento más común en la Tierra (el 35º más abundante en la corteza), pero es el 23º elemento más común en el Sol. Sin embargo, el escandio se distribuye escasamente y se encuentra en cantidades mínimas en muchos minerales. Los minerales raros de Escandinavia y Madagascar, como la tortveitita, la euxenita y la gadolinita, son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento. La tortveitita puede contener hasta un 45 % de escandio en forma de óxido de escandio.

La forma estable de escandio se crea en las supernovas a través del proceso r. Además, el escandio se crea por espalación de rayos cósmicos de los núcleos de hierro más abundantes.

• Si + 17n → Sc (proceso r)
• Fe + p → Sc + C + n (espalación de rayos cósmicos)

Producción

La producción mundial de escandio es del orden de 15 a 20 toneladas por año, en forma de óxido de escandio. La demanda es un 50% más alta, y tanto la producción como la demanda siguen aumentando. En 2003, solo tres minas producían escandio: las minas de uranio y hierro en Zhovti Vody en Ucrania, las minas de tierras raras en Bayan Obo, China y las minas de apatito en la península de Kola, Rusia; desde entonces, muchos otros países han construido instalaciones productoras de escandio, incluidas 5 toneladas/año (7,5 toneladas/año Sc ₂ O ₃) de Nickel Asia Corporation y Sumitomo Metal Mining en Filipinas. En Estados Unidos, NioCorp Development espera recaudar mil millones de dólareshacia la apertura de una mina de niobio en su sitio de Elk Creek en el sureste de Nebraska, que podría producir hasta 95 toneladas de óxido de escandio al año. En cada caso, el escandio es un subproducto de la extracción de otros elementos y se vende como óxido de escandio.

Para producir escandio metálico, el óxido se convierte en fluoruro de escandio y luego se reduce con calcio metálico.

Madagascar y la región de Iveland-Evje en Noruega tienen los únicos yacimientos de minerales con alto contenido de escandio, tortveitita (Sc,Y) ₂ (Si ₂ O ₇) pero estos no están siendo explotados. El mineral kolbeckita ScPO ₄ ·2H ₂ O tiene un contenido de escandio muy alto pero no está disponible en depósitos más grandes.

La ausencia de una producción fiable, segura, estable y a largo plazo ha limitado las aplicaciones comerciales del escandio. A pesar de este bajo nivel de uso, el escandio ofrece beneficios significativos. Particularmente prometedor es el refuerzo de las aleaciones de aluminio con tan solo un 0,5 % de escandio. La zirconia estabilizada con escandio goza de una creciente demanda en el mercado para su uso como electrolito de alta eficiencia en celdas de combustible de óxido sólido.

Precio

El USGS informa que, de 2015 a 2019 en los EE. UU., el precio de pequeñas cantidades de lingotes de escandio ha sido de $ 107 a $ 134 por gramo, y el del óxido de escandio de $ 4 a $ 5 por gramo.

Compuestos

La química del escandio está dominada casi por completo por el ion trivalente, Sc. Los radios de los iones M en la siguiente tabla indican que las propiedades químicas de los iones de escandio tienen más en común con los iones de itrio que con los iones de aluminio. En parte debido a esta similitud, el escandio a menudo se clasifica como un elemento similar a los lantánidos.

Óxidos e hidróxidos

El óxido Sc₂O₃y el hidróxido Sc(OH)₃son anfóteros:SC(OH)₃+ 3 OH→ [Sc(OH)₆](ion escandato)SC(OH)₃+ 3 horas+ 3 horas₂O → [Esc(H₂O)₆]

α- y γ-ScOOH son isoestructurales con sus contrapartes de óxido de hidróxido de aluminio. Soluciones de SCen el agua son ácidos debido a la hidrólisis.

Haluros y pseudohaluros

Los haluros ScX ₃, donde X= Cl, Br o I, son muy solubles en agua, pero ScF ₃ es insoluble. En los cuatro haluros, el escandio tiene 6 coordenadas. Los haluros son ácidos de Lewis; por ejemplo, ScF ₃ se disuelve en una solución que contiene exceso de ion fluoruro para formar [ScF ₆ ]. El número de coordinación 6 es típico para Sc(III). En los iones Y y La más grandes, los números de coordinación 8 y 9 son comunes. El triflato de escandio se usa a veces como catalizador ácido de Lewis en química orgánica.

Derivados orgánicos

El escandio forma una serie de compuestos organometálicos con ligandos ciclopentadienilo (Cp), de comportamiento similar al de los lantánidos. Un ejemplo es el dímero con puente de cloro, [ScCp ₂ Cl] ₂ y derivados relacionados de ligandos de pentametilciclopentadienilo.

Estados de oxidación poco comunes

Los compuestos que presentan escandio en estados de oxidación distintos de +3 son raros pero están bien caracterizados. El compuesto azul-negro CsScCl ₃ es uno de los más simples. Este material adopta una estructura similar a una lámina que exhibe una amplia unión entre los centros de escandio (II). El hidruro de escandio no se conoce bien, aunque parece no ser un hidruro salino de Sc(II). Como se observa para la mayoría de los elementos, se ha observado espectroscópicamente un hidruro de escandio diatómico a altas temperaturas en fase gaseosa. Los boruros y carburos de escandio no son estequiométricos, como es típico de los elementos vecinos.

También se han observado estados de oxidación más bajos (+2, +1, 0) en compuestos de organoscandio.

Historia

Dmitri Mendeleev, a quien se hace referencia como el padre de la tabla periódica, predijo la existencia de un elemento ekaboron, con una masa atómica entre 40 y 48 en 1869. Lars Fredrik Nilson y su equipo detectaron este elemento en los minerales euxenita y gadolinita en 1879. Nilson preparó 2 gramos de óxido de escandio de alta pureza. Llamó al elemento escandio, del latín Scandia que significa "Escandinavia". Aparentemente, Nilson no estaba al tanto de la predicción de Mendeleev, pero Per Teodor Cleve reconoció la correspondencia y notificó a Mendeleev.

El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937 mediante electrólisis de una mezcla eutéctica de cloruros de potasio, litio y escandio, a 700–800 °C. La primera libra de metal escandio con una pureza del 99 % se produjo en 1960. La producción de aleaciones de aluminio comenzó en 1971, luego de una patente estadounidense. Las aleaciones de aluminio y escandio también se desarrollaron en la URSS.

Los cristales láser de granate de gadolinio-escandio-galio (GSGG) se utilizaron en aplicaciones de defensa estratégica desarrolladas para la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) en las décadas de 1980 y 1990.

Estrellas gigantes rojas cerca del Centro Galáctico

A principios de 2018, se recopiló evidencia a partir de datos espectrómetros de abundancias significativas de escandio, vanadio e itrio en estrellas gigantes rojas en el Cúmulo Estelar Nuclear (NSC) en el Centro Galáctico. Investigaciones posteriores mostraron que se trataba de una ilusión causada por la temperatura relativamente baja (por debajo de 3500 K) de estas estrellas que enmascaraba las señales de abundancia, y que este fenómeno era observable en otras gigantes rojas.

Aplicaciones

La adición de escandio al aluminio limita el crecimiento del grano en la zona de calor de los componentes de aluminio soldados. Esto tiene dos efectos beneficiosos: el Al ₃ Sc precipitado forma cristales más pequeños que en otras aleaciones de aluminio, y se reduce el volumen de las zonas libres de precipitado en los límites de grano de las aleaciones de aluminio endurecidas por envejecimiento. El precipitado Al ₃ Sc es un precipitado coherente que fortalece la matriz de aluminio mediante la aplicación de campos de tensión elástica que inhiben el movimiento de dislocación (es decir, deformación plástica). Al ₃ Sc tiene una estructura de superred de equilibrio L1 ₂ exclusiva de este sistema.Se puede lograr una dispersión fina de precipitado a escala nanométrica mediante un tratamiento térmico que también puede fortalecer las aleaciones mediante el endurecimiento ordenado. Los desarrollos recientes incluyen la adición de metales de transición como Zr y metales de tierras raras como Er que producen capas que rodean el precipitado esférico de Al ₃ Sc que reducen el engrosamiento. Estas capas están dictadas por la difusividad del elemento de aleación y reducen el costo de la aleación debido a que menos Sc se sustituye en parte por Zr mientras se mantiene la estabilidad y se necesita menos Sc para formar el precipitado. Estos han hecho Al ₃ Scalgo competitivo con las aleaciones de titanio junto con una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, las aleaciones de titanio, que son similares en ligereza y resistencia, son más baratas y se usan mucho más.

La aleación Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ es tan resistente como el titanio, ligera como el aluminio y dura como algunas cerámicas.

La principal aplicación del escandio por peso es en aleaciones de aluminio y escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre 0,1% y 0,5% de escandio. Fueron utilizados en aviones militares rusos, concretamente en los MiG-21 y MiG-29 de Mikoyan-Gurevich.

Algunos artículos de equipamiento deportivo, que se basan en materiales ligeros de alto rendimiento, se han fabricado con aleaciones de escandio y aluminio, como bates de béisbol, postes de tiendas de campaña y cuadros y componentes de bicicletas. Los palos de lacrosse también están hechos con escandio. La empresa estadounidense de fabricación de armas de fuego Smith & Wesson produce pistolas y revólveres semiautomáticos con marcos de aleación de escandio y cilindros de titanio o acero al carbono.

Los dentistas utilizan láseres de granate itrio-escandio-galio dopado con erbio-cromo (Er,Cr:YSGG) para la preparación de cavidades y en endodoncia.

Las primeras lámparas de halogenuros metálicos a base de escandio fueron patentadas por General Electric y fabricadas en América del Norte, aunque ahora se producen en todos los principales países industrializados. Aproximadamente 20 kg de escandio (como Sc ₂ O ₃) se utilizan anualmente en los Estados Unidos para lámparas de descarga de alta intensidad. Un tipo de lámpara de haluro metálico, similar a la lámpara de vapor de mercurio, está hecha de triyoduro de escandio y yoduro de sodio. Esta lámpara es una fuente de luz blanca con un alto índice de reproducción cromática que se parece lo suficiente a la luz del sol para permitir una buena reproducción cromática con cámaras de televisión. Alrededor de 80 kg de escandio se utilizan en lámparas/bombillas de halogenuros metálicos en todo el mundo por año.

El isótopo radiactivo Sc se utiliza en las refinerías de petróleo como agente de rastreo. El triflato de escandio es un ácido de Lewis catalítico utilizado en química orgánica.

Salud y seguridad

El escandio elemental se considera no tóxico, aunque no se han realizado pruebas exhaustivas de compuestos de escandio en animales. Los niveles de dosis letal media (LD ₅₀) para el cloruro de escandio para ratas se han determinado en 755 mg/kg para administración intraperitoneal y 4 g/kg para administración oral. A la luz de estos resultados, los compuestos de escandio deben manejarse como compuestos de toxicidad moderada. El escandio parece ser manejado por el cuerpo de una manera similar al galio, su contraparte completa del bloque d, con peligros similares relacionados con su hidróxido poco soluble.