Scandium
Contexte des écoles Wikipédia
Arrangeant une sélection Wikipedia pour les écoles dans le monde en développement sans internet était une initiative de SOS Enfants. Visitez le site Web d'enfants SOS au http://www.soschildren.org/
| Scandium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
21 Sc | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Apparence | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
blanc argenté  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés générales | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nom, symbole, nombre | scandium, Sc, 21 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prononciation | / s k æ n ré Je ə m / SKAN -dee-əm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Élément Catégorie | métal de transition | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Groupe, période, bloc | 3, 4, ré | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Poids atomique standard | 44.955912 (6) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuration électronique | [ Ar ] 3d 1 4s 2 2, 8, 9, 2  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Histoire | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prédiction | Dmitri Mendeleev (1871) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Découverte | Lars Fredrik Nilson (1879) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Premier isolement | Lars Fredrik Nilson (1879) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés physiques | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Phase | solide | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densité (à proximité rt) | 2,985 g · cm -3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Liquid densité au mp | 2,80 g · cm -3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Point de fusion | 1814 K , 1541 ° C, 2806 ° F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Point d'ébullition | 3109 K, 2836 ° C, 5136 ° F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La chaleur de fusion | 14,1 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Chaleur de vaporisation | 332,7 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacité thermique molaire | 25,52 J · mol -1 .K -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La pression de vapeur | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés atomiques | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| États d'oxydation | 3, 2, 1 (Oxyde amphotère) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Électronégativité | 1,36 (échelle de Pauling) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| énergies d'ionisation ( plus) | 1er: 633,1 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2ème: 1235,0 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3ème: 2388,6 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon atomique | 162 h | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon covalente | 170 ± 19 heures | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon de Van der Waals | 211 h | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Miscellanées | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Crystal structure | hexagonale compacte  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ordre magnétique | paramagnétique | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Résistivité électrique | ( rt) (α, le poly) calc. 562 nΩ · m | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivité thermique | 15,8 W · m -1 · K -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dilatation thermique | ( rt) (α, le poly) 10,2 um / (m · K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Le module d'Young | 74,4 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Module de cisaillement | 29,1 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Module Bulk | 56,6 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Coefficient de Poisson | 0,279 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureté Brinell | 750 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numéro de registre CAS | 7440-20-2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La plupart des isotopes stables | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Article détaillé: Isotopes de scandium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le scandium est un élément chimique avec le symbole Sc et de numéro atomique 21. Un métallique blanc argenté métal de transition , il a toujours été parfois classée comme une élément des terres rares, ainsi que l'yttrium et les lanthanides . Il a été découvert en 1879 par analyse spectrale des minéraux euxénite et gadolinite partir Scandinavie.
Scandium est présent dans la plupart des dépôts de terre rares et uranium composés, mais il est extrait de ces minerais en seulement quelques mines dans le monde entier. En raison de la faible disponibilité et les difficultés dans la préparation de scandium métallique, qui a été fait en 1937, il a fallu attendre les années 1970, avant les demandes de scandium ont été développés. Les effets positifs de scandium sur aluminium alliages ont été découverts dans les années 1970, et son utilisation dans de tels alliages reste sa seule application majeure. Le commerce mondial du métal pur est d'environ une centaine de livres par an en moyenne.
Les propriétés des composés de scandium sont intermédiaires entre celles de l'aluminium et de l'yttrium. Un relation diagonale existe entre le comportement de magnésium et le scandium, tout comme il est entre le béryllium et d'aluminium. Dans les composés chimiques des éléments indiqués dans le groupe 3, ci-dessus, l'état d'oxydation prédominant est trois.
Propriétés
Les caractéristiques chimiques de l'élément
Scandium est un métal mou avec un aspect argenté. Il développe une fonte légèrement jaunâtre ou rosâtre lorsqu'il est oxydé par l'air. Il est sensible aux intempéries et se dissout lentement dans la plupart des acides dilués. Il ne réagit pas avec un mélange 1: 1 d' acide nitrique (HNO 3) et acide fluorhydrique (HF), éventuellement en raison de la formation d'un imperméable couche passive.
Isotopes
Scandium existe naturellement exclusivement comme isotope Sc 45, qui a un spin nucléaire de 7/2. Treize des radio-isotopes ont été caractérisés par le plus stable étant Sc 46 avec une demi-vie de 83,8 jours, 47 Sc avec une demi-vie de 3,35 jours, et 48 Sc, avec une demi-vie de 43,7 heures. Tout le reste isotopes radioactifs ont des demi-vies qui sont moins de 4 heures, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies qui sont moins de 2 minutes. Cet élément a également cinq méta Etats avec plus stable Sc l'être de 44m (t ½ = 58,6 h).
Les isotopes de gamme de scandium Sc de 36 à 60 Sc. Le primaire mode de désintégration à des masses plus faibles que le seul isotope stable, 45 Sc, est capture d'électrons, et le premier mode au-dessus des masses, il est émissions beta. Le primaire produits de désintégration à poids atomiques ci-dessous 45 Sc sont calcium isotopes et les produits primaires de poids atomiques élevés sont titane isotopes.
Occurrence
Sur le plan de la croûte terrestre, le scandium est pas particulièrement rare. Les estimations varient de 18 à 25 ppm, ce qui est comparable à l'abondance de cobalt (20-30 ppm). Scandium est seulement le 50e élément le plus commun sur terre (35e le plus abondant dans la croûte), mais ce est la 23e élément le plus commun dans le Sun . Toutefois, le scandium est distribué peu et se produit dans l'état de traces dans de nombreux minéraux . Minéraux rares en provenance de Scandinavie et de Madagascar tels que Thortveitite, euxenite, et gadolinite sont concentrées seulement les sources connues de cet élément. Thortveitite peut contenir jusqu'à 45% de scandium dans la forme de scandium (III) oxyde.
La forme stable de scandium est créé dans supernovas via le r-processus.
Production
La production mondiale de scandium est de l'ordre de 2 tonnes par an sous forme de l'oxyde de scandium. La production primaire est de 400 kg tandis que le reste est à partir des stocks de la Russie générés au cours de la guerre froide . En 2003, seulement trois mines ont produit scandium: les mines d'uranium et de fer dans Zhovti Vody en Ukraine , les mines de terres rares Bayan Obo, la Chine et les mines d'apatite dans le Péninsule de Kola, en Russie . Dans chaque cas, le scandium est un sous-produit de l'extraction d'autres éléments et est vendu sous forme d'oxyde de scandium.
La production de scandium métallique est de l'ordre de 10 kg par an. L'oxyde est transformé en le fluorure de scandium et métallique réduit avec du calcium .
Madagascar et Iveland- Evje région en Norvège ont les seuls gisements de minéraux à haute teneur en scandium, Thortveitite (Sc, Y) 2 (Si 2 O 7) et kolbeckite BPSC 4 · 2H 2 O, mais ceux-ci ne sont pas exploitées.
L'absence de production fiable, sûr, stable et à long terme a limité les applications commerciales de scandium. Malgré ce faible niveau d'utilisation, le scandium offre des avantages significatifs. Particulièrement prometteuse est le renforcement des alliages d'aluminium avec aussi peu que 0,5% de scandium. zircone Scandium stabilisé bénéficie d'une demande croissante du marché pour l'utilisation comme un électrolyte à haute efficacité dans les piles à combustible à oxyde solide.
Composés
La chimie est presque entièrement dominé par l'ion trivalent, Sc 3+. Les rayons des ions M de la table ci-dessous indiquent que, en termes de propriétés chimiques, les ions de scandium sont plus proches de ceux de l'yttrium que pour celles de l'aluminium. Dans le cadre de cette similarité, scandium est souvent considéré comme un élément lanthanide-like.
Oxydes et hydroxydes
L'oxyde Sc 2 O 3 et l'hydroxyde Sc (OH) 3 sont amphotère:
- Sc (OH) 3 + 3 OH - → Sc (OH) 3-
6 - Sc (OH) 3 + 3 + H + 3 H 2 O → [Sc (H 2 O) 6] 3+
Les formes α- et γ- d'hydroxyde de l'oxyde de scandium (OCS (OH)), sont avec leur isostructural homologues d'oxyhydroxyde d'aluminium. Solutions de Sc 3+ dans l'eau sont acide à cause de hydrolyse.
Halogénures et pseudohalogénures
Le SCX halogénures 3 (X = Cl, Br, I) sont très solubles dans l'eau, mais ScF 3 est insoluble. Dans les quatre halogénures scandium est 6-coordonnés. Les halogénures sont Acides de Lewis; par exemple, ScF 3 dissout une solution contenant un excès de fluorure pour former [ScF 6] 3-. L'indice de coordination 6 est typique de Sc (III). Dans les grandes Y 3+ et La 3+, nombres de coordination de 8 et 9 sont communs. Scandium (III) le triflate est parfois utilisée en tant que Catalyseur acide de Lewis dans la chimie organique .
Dérivés organiques
Scandium forme une série de composés organométalliques avec ligands cyclopentadiényle (Cp), similaire au comportement des lanthanides. Un exemple est le dimère ponté de chlore, [SCCP 2 Cl] 2 et de dérivés apparentés pentaméthylcyclopentadiényl ligands.
États d'oxydation rares
Composés qui comportent scandium dans l'état d'oxydation autre que trois sont rares, mais bien caractérisée. Le composé bleu-noir CsScCl 3 est l'un des plus simple. Ce matériau adopte une structure en forme de feuille qui présente une grande liaison entre les centres de scandium (II). D'hydrure de scandium est pas bien comprise, mais il ne semble pas être un saline hydrure de Sc (II). Comme cela est observé pour la plupart des éléments, un hydrure de scandium diatomique a été observé par spectroscopie à haute température dans la phase gazeuse. borures et carbures sont Scandium non-stoechiométrique, ce qui est typique pour les éléments voisins.
Histoire
Dmitri Mendeleïev , créateur de la table périodique , prédit l'existence d'un élément ekaboron, avec un masse atomique entre 40 et 48 en 1869. Lars Fredrik Nilson et son équipe détectée cet élément dans les minéraux euxénite et gadolinite. Nilson préparé deux grammes de l'oxyde de scandium d'une grande pureté. Il a nommé le scandium de l'élément, du latin Scandia signifiant "Scandinavia". Nilson était apparemment pas au courant de la prédiction de Mendeleïev, mais Par Teodor Cleve reconnu la correspondance et notifiée Mendeleïev.
Scandium métallique a été produite pour la première fois en 1937 par électrolyse d'un mélange eutectique, à 700-800 ° C , de potassium , de lithium , et chlorures de scandium. Le premier livre de 99% de scandium métal pur a été produit en 1960. L'utilisation des alliages d'aluminium a commencé en 1971, à la suite d'un brevet américain. Alliages aluminium-scandium ont également été développés dans le URSS .
Cristaux de gadolinium-scandium-grenat de gallium (GSGG) laser ont été utilisés dans des applications de défense stratégiques élaborés dans le Initiative de défense stratégique (IDS) dans les années 1980 et les années 1990.
Applications
L'addition de scandium à l'aluminium limite la croissance excessive des grains qui se produit dans la zone affectée par la chaleur de composants en aluminium soudés. Cela a deux effets bénéfiques: le précipité Al 3 Sc formes de petits cristaux sont formés dans d'autres alliages d'aluminium et le volume des zones exemptes précipité qui existent normalement dans les limites de grains d'alliages d'aluminium à durcissement structural est réduite. Ces deux effets augmentent l'utilité de l'alliage. Cependant, des alliages de titane, qui sont similaires à la légèreté et la résistance, sont moins coûteux et beaucoup plus largement utilisé.
La principale application de scandium en poids est dans les alliages aluminium-scandium pour mineurs composants de l'industrie aérospatiale. Ces alliages contiennent entre 0,1% et 0,5% de scandium. Ils ont été utilisés dans l'avion militaire russe, en particulier la MiG-21 et MiG-29.
Certaines pièces d'équipement de sport, qui se appuient sur les matériaux de haute performance, ont été réalisés avec des alliages aluminium-scandium, y compris bâtons de baseball, et vélo cadres et composants. bâtons de crosse sont également réalisés avec des alliages de titane-scandium pour profiter de la force de titane. La société américaine de fabrication des armes à feu Smith & Wesson revolvers produit avec des cadres composés d'un alliage de scandium et les cylindres de titane ou d'acier au carbone.
Les dentistes utilisent erbium, le chrome: yttrium-scandium-grenat de gallium (Er, Cr: YSGG) lasers pour la préparation de la cavité et en endodontie.
Environ 20 kg (Sc 2 O 3) du scandium est utilisé chaque année dans le États-Unis pour faire des lampes à décharge à haute intensité. L'iodure de scandium, de même que l'iodure de sodium, lorsqu'il est ajouté à une forme modifiée de Lampe à vapeur de mercure, produit une forme de Lampe à halogénure de métal. Cette lampe est une source de lumière blanche à haute Indice de rendu de couleur qui ressemble à la lumière du soleil suffisante pour permettre une bonne reproduction des couleurs avec TV caméras. Environ 80 kg de scandium est utilisé dans les lampes à halogénures métalliques / ampoules par an à l'échelle mondiale. Les premières lampes aux halogénures métalliques à base de scandium-ont été brevetées par General Electric et fabrique en Amérique du Nord, mais ils sont maintenant produites dans tous les grands pays industrialisés. Le isotope radioactif 46 Sc est utilisé dans les raffineries de pétrole comme un agent de traçage. Triflate de scandium est un catalyseur L'acide de Lewis utilisé dans la chimie organique .
La santé et la sécurité
Scandium élémentaire est considéré comme l'expérimentation animale non toxique et peu de composés de scandium a été fait. Le dose létale moyenne (DL 50) des niveaux de scandium (III) chlorure de rats ont été déterminées comme 4 mg / kg pour intrapéritonéale et 755 mg / kg pour l'administration orale. À la lumière de ces résultats composés de scandium doivent être manipulés comme des composés de toxicité modérée.
