ESCÂNDIO: HISTÓRIA, PROPRIEDADES, REAÇÕES, RISCOS E USOS - QUÍMICA - 2024

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 de terras raras menos comuns. Embora suas propriedades possam ser semelhantes 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 ser próximo ao cobre, ferro ou ouro. No entanto, ainda é impressionante, e as propriedades físicas de suas ligas podem competir com as do titânio.

Amostra ultrapura de escândio elementar. Fonte: Imagens de alta resolução de elementos químicos

Além disso, 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.

Em grande parte de seus compostos, inorgânicos ou orgânicos, participa da ligação com um número de oxidação de +3; isto é, assumindo a presença do cátion Sc ³⁺. 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 recebido 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 fato o químico suíço Per Teodor Cleve quem 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): o hexagonal compacto (hcp) e o cúbico centrado no corpo (bcc). A primeira é geralmente chamada de fase α e a segunda de fase β.

A fase α hexagonal mais densa é estável à temperatura ambiente; enquanto a fase β cúbica menos densa é estável acima de 1337 ºC. 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. Pela sua configuração eletrônica pode-se saber quais elétrons normalmente participam de sua ligação metálica:

3d ¹ 4s ²

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 no máximo seus três elétrons de valência (3d ¹ 4s ²). 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 (3d ¹ 4s ¹).

Se for Sc ²⁺, seu número de oxidação será +2 e terá perdido dois elétrons (3d ¹ 4s ⁰); e se for Sc ³⁺, o mais estável desses cátions, terá um número de oxidação de +3 e é isoeletrônico ao argônio.

Resumindo, seus números de oxidação são: +1, +2 e +3. Por exemplo, no Sc ₂ O ₃ o número de oxidação do escândio é +3 ​​porque a existência de Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2-) é assumida.

Propriedades

Aparência física

É um metal branco prateado na sua forma pura e elementar, com uma textura macia e suave. Adquire tonalidades rosa-amareladas quando passa a ser recoberto por uma camada de óxido (Sc ₂ O ₃).

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 (Sc ²⁺ gasoso).

Terceiro: 2388,6 kJ / mol (gás Sc ³⁺).

Rádio atômico

162 pm.

Ordem magnética

Paramagnético.

Isótopos

De todos os isótopos de escândio, o ⁴⁵ Sc ocupa quase 100% da abundância total (isso se reflete em seu peso atômico muito próximo de 45 u).

Os outros consistem em radioisótopos com diferentes meias-vidas; tal como ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 dias), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 dias), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 horas) e ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 horas). Outros radioisótopos têm t _1/2 menos de 4 horas.

Acidez

O cátion Sc ³⁺ é um ácido relativamente forte. Por exemplo, na água pode formar o complexo aquoso ³⁺, que por sua vez pode levar o pH a um valor abaixo de 7, devido ao fato de gerar íons H ₃ O ⁺ como produto de sua hidrólise:

³⁺ (aq) + H ₂ O (l) <=> ²⁺ (aq) + H ₃ O ⁺ (aq)

A acidez do escândio também pode ser interpretada de acordo com a definição de Lewis: ele tem alta tendência a aceitar elétrons e, portanto, a formar complexos de coordenação.

Número de coordenação

Uma propriedade importante do escândio é que seu número de coordenação, na maioria de seus compostos inorgânicos, estruturas ou cristais orgânicos, é 6; isso significa que o Sc está rodeado por seis vizinhos (ou forma seis ligações). Acima, o complexo aquoso 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).

Um exemplo deste último temos al, que forma uma estrutura em cadeia com os grupos AcO (acetiloxi ou acetoxi) atuando como pontes entre os átomos de Sc.

Nomenclatura

Como 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 seu óxido, Sc ₂ O ₃. A mesma fórmula química indica antecipadamente o estado de oxidação de +3 para o escândio. Assim, para chamar este composto de escândio, e como outros, utilizam-se as nomenclaturas sistemática, estoque e tradicional.

Sc ₂ O ₃ 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 íons Sc ³⁺; quais enzimas específicas podem utilizá-lo como co-fator, se exercer influência nas células, embora semelhante, aos íons Ca ²⁺ ou Fe ³⁺.

Sabe-se, entretanto, que os íons Sc ³⁺ exercem efeitos antibacterianos, possivelmente interferindo no metabolismo dos íons Fe ³⁺.

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 em suas raízes e nódulos. Por esse motivo, 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 rochas, podem ser extraídos 22 gramas de escândio.

O problema é que seus átomos não estão localizados, mas espalhados; isto é, não existem minerais que sejam precisamente ricos em escândio em sua composição de massa. Portanto, diz-se que não há preferência por nenhum dos ânions formadores de minerais típicos (como carbonato, CO ₃ ^2- ou sulfeto, S ^2-).

Não está em seu estado puro. Nem é o seu óxido mais estável, Sc ₂ O ₃, 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 Sc ³⁺ podem ser incorporados como impurezas em algumas pedras preciosas, como água-marinha ou em minas de urânio. E no céu, dentro das estrelas, esse 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 TiO ₂; nos resíduos do processamento do urânio, bem como 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 para a extração do escândio, que demorou tanto para ser obtido no estado nativo ou metálico, foram devidas ao fato de que o Sc ₂ O ₃ é difícil de reduzir; ainda mais do que TiO ₂, uma vez que Sc ^{3+ mostra} uma afinidade maior do que Ti ⁴⁺ para O ^2- (assumindo 100% de caráter iônico em seus respectivos óxidos).

Ou seja, é mais fácil desoxigenar TiO _{2 do} que Sc ₂ O ₃ com um bom agente de redução (normalmente carbono ou metais alcalinos ou alcalino-terrosos). É por isso que o Sc ₂ O ₃ é primeiro transformado em um composto cuja redução é menos problemática; tal como fluoreto de escândio, ScF ₃. Em seguida, ScF ₃ é reduzido com cálcio metálico:

2ScF ₃ (s) + 3Ca (s) => 2Sc (s) + 3CaF ₂ (s)

O Sc ₂ O ₃ 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 da extração das rochas.

Eletrólise

Outro método para produzir escândio é primeiro obter seu sal de cloreto, ScCl ₃, e então 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) => 2ScCl ₃ (aq) + 3H ₂ (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) + 6H ₂ O (l) => 2Na ₃ Sc (OH) ₆ (aq) + 3H ₂ (g)

E agora ele se comporta como um ácido (reage com NaOH), para formar um sal escândalo; a do sódio, Na ₃ Sc (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) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Halides

O escândio reage com todos os halogênios para formar haletos de fórmula química geral ScX ₃ (X = F, Cl, Br, etc.).

Por exemplo, ele reage com o iodo de acordo com a seguinte equação:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Da mesma forma, reage com cloro, bromo e flúor.

Formação de hidróxido

O escândio metálico pode se dissolver na água para produzir seu respectivo hidróxido e gás hidrogênio:

2Sc (s) + 6H ₂ O (l) => 2Sc (OH) ₃ (s) + H ₂ (g)

Hidrólise ácida

Complexos aquosos ³⁺ podem ser hidrolisados ​​de tal forma que acabam formando pontes Sc- (OH) -Sc, até definir 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 extensão, 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 de 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 em seu peso. Diz-se que, se usado maciçamente um dia, poderia reduzir o peso da aeronave em 15-20%.

Do mesmo modo, ligas de escândio têm sido utilizadas para armações de revólveres ou para a fabricação de artigos esportivos, como tacos de beisebol, bicicletas especiais, canas de pesca, tacos de golfe, etc.; embora ligas de titânio tendam a substituí-los por serem mais baratos.

A mais conhecida dessas ligas é Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀, que é tão forte quanto titânio, leve como alumínio e dura como cerâmica.

impressao 3D

Ligas de Sc-Al têm sido usadas para fazer impressões 3D metálicas, a fim de colocar ou adicionar camadas em um sólido pré-selecionado.

Iluminações de estádio

Os faróis dos estádios imitam a luz do sol graças à ação do iodeto de escândio junto com os vapores de mercúrio. Fonte: Pexels.

Iodeto de escândio, ScI ₃, é adicionado (junto com iodeto de sódio) para 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 dá a sensação de ver um jogo em plena luz do dia.

Efeitos semelhantes foram usados ​​para dispositivos elétricos, como câmeras digitais, telas de televisão ou monitores de computador. Da mesma forma, faróis com lâmpadas de ₃ Hg ScI foram colocados 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 (como Sc ₂ O ₃, novamente).

Cerâmica

O carboneto de escândio e o titânio formam uma cerâmica de excepcional dureza, perdendo apenas para a dos diamantes. No entanto, seu uso é restrito a materiais com aplicações muito avançadas.

Cristais de coordenação orgânica

Os íons Sc ³⁺ podem coordenar-se com vários ligantes orgânicos, especialmente se forem moléculas oxigenadas.

Isso porque as ligações Sc-O formadas são muito estáveis ​​e, portanto, 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

1. Irina Shtangeeva. (2004). Escândio. Universidade Estadual de São Petersburgo São Petersburgo. Recuperado de: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Escândio. Recuperado de: en.wikipedia.org
3. Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2019). Escândio. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com
4. Dr. Doug Stewart. (2019). Fatos sobre o elemento escândio. Chemicool. Recuperado de: chemicool.com
5. Escala. (2018). Escândio. Recuperado de: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 de julho de 2019). Uma visão geral do Scandium. Recuperado de: Thoughtco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA, & Makhmudov, EA (2012). Em questão de papel biológico de escândio. Recuperado de: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (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
9. Marina O. Barsukova et al. (2018). Estruturas escândio-orgânico: avanços e perspectivas. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Investing News Network. (11 de novembro de 2014). Aplicativos Scandium: Uma Visão Geral. Dig Media Inc. Recuperado de: investingnews.com