Scândio, com símbolo Sc e número atômico 21, é facilmente solúvel em água, pode interagir com água quente e escurece facilmente no ar. Sua valência principal é +3. É frequentemente misturado com gadolínio, érbio e outros elementos, com baixo rendimento e um teor de aproximadamente 0,0005% na crosta. O escândio é frequentemente usado para fazer vidros especiais e ligas leves de alta temperatura.
Atualmente, as reservas comprovadas de escândio no mundo são de apenas 2 milhões de toneladas, das quais 90 a 95% estão contidas em minérios de bauxita, fosforita e ferro-titânio, e uma pequena parte em minérios de urânio, tório, tungstênio e terras raras, distribuídos principalmente na Rússia, China, Tajiquistão, Madagascar, Noruega e outros países. A China é muito rica em recursos de escândio, com enormes reservas minerais relacionadas ao escândio. De acordo com estatísticas incompletas, as reservas de escândio na China são de cerca de 600.000 toneladas, que estão contidas em depósitos de bauxita e fosforita, depósitos de tungstênio em veios de pórfiro e quartzo no sul da China, depósitos de terras raras no sul da China, depósito de minério de ferro de terras raras de Bayan Obo na Mongólia Interior e depósito de magnetita de vanádio e titânio de Panzhihua em Sichuan.
Devido à escassez de escândio, seu preço também está muito alto e, em seu pico, o preço do escândio foi inflado para 10 vezes o preço do ouro. Embora o preço do escândio tenha caído, ele ainda é quatro vezes o preço do ouro!
Descobrindo a História
Em 1869, Mendeleev notou uma lacuna na massa atômica entre o cálcio (40) e o titânio (48), e previu que também havia um elemento de massa atômica intermediária não descoberto. Ele previu que seu óxido era X ₂ O Å. O escândio foi descoberto em 1879 por Lars Frederik Nilson, da Universidade de Uppsala, na Suécia. Ele o extraiu da mina de ouro negro raro, um minério complexo que contém 8 tipos de óxidos metálicos. Ele extraiuÓxido de érbio(III)de minério de ouro preto raro e obtidoÓxido de itérbio(III)deste óxido, e há outro óxido de elemento mais leve, cujo espectro mostra que se trata de um metal desconhecido. Este é o metal previsto por Mendeleev, cujo óxido éSc₂O₃O próprio metal escândio foi produzido a partir deCloreto de escândiopor fusão eletrolítica em 1937.
Mendeleev
Configuração eletrônica
Configuração eletrônica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
O escândio é um metal de transição macio, branco prateado, com ponto de fusão de 1541 ℃ e ponto de ebulição de 2831 ℃.
Por um período considerável após sua descoberta, o uso do escândio não foi demonstrado devido à sua dificuldade de produção. Com o crescente aprimoramento dos métodos de separação de elementos de terras raras, agora existe um fluxo de processo maduro para purificar compostos de escândio. Como o escândio é menos alcalino que o ítrio e o lantanídeo, o hidróxido é o mais fraco, então o mineral misto de elementos de terras raras contendo escândio será separado do elemento de terras raras pelo método de "precipitação em etapas" quando o hidróxido de escândio (III) é tratado com amônia após ser transferido para a solução. O outro método é separar o nitrato de escândio por decomposição polar do nitrato. Como o nitrato de escândio é o mais fácil de decompor, o escândio pode ser separado. Além disso, a recuperação abrangente do escândio que o acompanha de depósitos de urânio, tório, tungstênio, estanho e outros minerais também é uma fonte importante de escândio.
Após a obtenção de um composto de escândio puro, este é convertido em ScCl Å e cofundido com KCl e LiCl. O zinco fundido é usado como cátodo para eletrólise, causando a precipitação do escândio no eletrodo de zinco. Em seguida, o zinco é evaporado para obter o escândio metálico. Este é um metal branco prateado leve com propriedades químicas muito ativas, que pode reagir com água quente para gerar gás hidrogênio. Assim, o escândio metálico que você vê na imagem é selado em um frasco e protegido com gás argônio; caso contrário, o escândio formará rapidamente uma camada de óxido amarelo-escuro ou cinza, perdendo seu brilho metálico.
Aplicações
Indústria de iluminação
Os usos do escândio concentram-se em direções muito brilhantes, e não é exagero chamá-lo de Filho da Luz. A primeira arma mágica do escândio é chamada lâmpada de escândio e sódio, que pode ser usada para trazer luz a milhares de lares. Esta é uma lâmpada elétrica de iodetos metálicos: a lâmpada é preenchida com iodeto de sódio e triiodeto de escândio, e escândio e folha de sódio são adicionados ao mesmo tempo. Durante a descarga de alta tensão, os íons de escândio e íons de sódio emitem luz, respectivamente, de seus comprimentos de onda de emissão característicos. As linhas espectrais do sódio são 589,0 e 589,6 nm, duas famosas luzes amarelas, enquanto as linhas espectrais do escândio são 361,3 ~ 424,7 nm, uma série de emissões de luz ultravioleta próxima e azul. Como elas se complementam, a cor geral da luz produzida é a luz branca. É precisamente por apresentarem características como alta eficiência luminosa, boa coloração, economia de energia, longa vida útil e forte capacidade de dissipação de neblina que as lâmpadas de escândio e sódio podem ser amplamente utilizadas em câmeras de televisão, praças, estádios esportivos e iluminação pública, sendo conhecidas como fontes de luz de terceira geração. Na China, esse tipo de lâmpada está sendo gradualmente promovido como uma nova tecnologia, enquanto em alguns países desenvolvidos, esse tipo de lâmpada já era amplamente utilizado no início da década de 1980.
A segunda arma mágica do escândio são as células solares fotovoltaicas, que podem coletar a luz espalhada pelo solo e transformá-la em eletricidade para impulsionar a sociedade humana. O escândio é o melhor metal de barreira em células solares de silício semicondutoras e isolantes metálicos.
Sua terceira arma mágica é chamada de fonte de raios γ A. Essa arma mágica pode brilhar intensamente por si só, mas esse tipo de luz não pode ser captado a olho nu, pois é um fluxo de fótons de alta energia. Geralmente, extraímos 45Sc de minerais, que é o único isótopo natural do escândio. Cada núcleo de 45Sc contém 21 prótons e 24 nêutrons. O 46Sc, um isótopo radioativo artificial, pode ser usado como fonte de radiação γ ou como átomo traçador, e também pode ser usado para radioterapia de tumores malignos. Há também aplicações como laser de granada de ítrio, gálio e escândio.Fluoreto de escândioFibra óptica infravermelha de vidro e tubo de raios catódicos revestido de escândio na televisão. Parece que o escândio nasce com brilho.
Indústria de ligas
O escândio em sua forma elementar tem sido amplamente utilizado para dopar ligas de alumínio. A adição de alguns milésimos de escândio ao alumínio resulta na formação de uma nova fase Al3Sc, que desempenha um papel de metamorfismo na liga de alumínio, alterando significativamente sua estrutura e propriedades. A adição de 0,2% a 0,4% de escândio (que é semelhante à proporção de sal adicionada a vegetais refogados em casa, sendo necessária apenas uma pequena quantidade) pode aumentar a temperatura de recristalização da liga em 150-200 °C e melhorar significativamente a resistência a altas temperaturas, a estabilidade estrutural, o desempenho de soldagem e a resistência à corrosão. Também pode evitar o fenômeno de fragilização, que é comum durante o trabalho prolongado em altas temperaturas. Liga de alumínio de alta resistência e alta tenacidade, nova liga de alumínio soldável de alta resistência e resistente à corrosão, nova liga de alumínio de alta temperatura, liga de alumínio de alta resistência e resistente à irradiação de nêutrons, etc., têm perspectivas de desenvolvimento muito atraentes nos setores aeroespacial, aviação, navios, reatores nucleares, veículos leves e trens de alta velocidade.
O escândio também é um excelente modificador para o ferro, e uma pequena quantidade de escândio pode melhorar significativamente a resistência e a dureza do ferro fundido. Além disso, o escândio também pode ser usado como aditivo para ligas de tungstênio e cromo de alta temperatura. É claro que, além de ser usado na fabricação de roupas de casamento para terceiros, o escândio tem um alto ponto de fusão e densidade semelhante à do alumínio, sendo também usado em ligas leves de alto ponto de fusão, como a liga de escândio-titânio e a liga de escândio-magnésio. No entanto, devido ao seu alto preço, geralmente é usado apenas em indústrias de manufatura de ponta, como ônibus espaciais e foguetes.
Material cerâmico
O escândio, uma substância única, é geralmente usado em ligas, e seus óxidos desempenham um papel importante em materiais cerâmicos de forma semelhante. O material cerâmico de zircônia tetragonal, que pode ser usado como material de eletrodo para células a combustível de óxido sólido, possui uma propriedade única: a condutividade desse eletrólito aumenta com o aumento da temperatura e da concentração de oxigênio no ambiente. No entanto, a estrutura cristalina desse material cerâmico em si não pode existir de forma estável e não tem valor industrial; é necessário dopar algumas substâncias que possam fixar essa estrutura para manter suas propriedades originais. A adição de 6 a 10% de óxido de escândio é semelhante a uma estrutura de concreto, permitindo que a zircônia seja estabilizada em uma estrutura quadrada.
Há também materiais cerâmicos de engenharia, como nitreto de silício de alta resistência e resistência a altas temperaturas, como densificadores e estabilizadores.
Como densificador,Óxido de escândiopode formar uma fase refratária Sc2Si2O7 na borda de partículas finas, reduzindo assim a deformação em alta temperatura de cerâmicas de engenharia. Comparado com outros óxidos, pode melhorar ainda mais as propriedades mecânicas em alta temperatura do nitreto de silício.
Química catalítica
Na engenharia química, o escândio é frequentemente utilizado como catalisador, enquanto o Sc2O3 pode ser utilizado na desidratação e desoxidação de etanol ou isopropanol, na decomposição de ácido acético e na produção de etileno a partir de CO e H2. O catalisador de PtAl contendo Sc2O3 também é um catalisador importante para processos de purificação e refino de hidrogenação de óleo pesado na indústria petroquímica. Em reações de craqueamento catalítico, como o cumeno, a atividade do catalisador de zeólita Sc-Y é 1000 vezes maior que a do catalisador de silicato de alumínio; em comparação com alguns catalisadores tradicionais, as perspectivas de desenvolvimento de catalisadores de escândio são muito promissoras.
Indústria de energia nuclear
Adicionar uma pequena quantidade de Sc2O3 ao UO2 em combustível nuclear de reator de alta temperatura pode evitar a transformação de rede, o aumento de volume e o craqueamento causados pela conversão de UO2 em U3O8.
Célula de combustível
Da mesma forma, adicionar 2,5% a 25% de escândio às baterias alcalinas de níquel aumentará sua vida útil.
Melhoramento agrícola
Na agricultura, sementes como milho, beterraba, ervilha, trigo e girassol podem ser tratadas com sulfato de escândio (a concentração é geralmente de 10-3 a 10-8 mol/L, com diferentes plantas apresentando concentrações diferentes), e o efeito real de promover a germinação foi alcançado. Após 8 horas, o peso seco das raízes e brotos aumentou 37% e 78%, respectivamente, em comparação com as mudas, mas o mecanismo ainda está em estudo.
Da atenção de Nielsen à dívida dos dados de massa atômica até os dias de hoje, o escândio entrou na mente das pessoas por apenas cem ou vinte anos, mas ficou praticamente parado por cem anos. Foi somente com o vigoroso desenvolvimento da ciência dos materiais no final do século passado que ele lhe trouxe vitalidade. Hoje, os elementos de terras raras, incluindo o escândio, tornaram-se estrelas importantes na ciência dos materiais, desempenhando papéis em constante mudança em milhares de sistemas, trazendo mais conveniência às nossas vidas a cada dia e criando um valor econômico ainda mais difícil de mensurar.
Horário da publicação: 29/06/2023