Skandij

Skandij () jeste hemijski element sa simbolom Sc i atomskim brojem 21. To je srebrenasto-metalni element iz  d-bloka, historijski nekad svrstavan u rijetke zemne elemente, zajedno sa itrijem i lantanoidima. Otkriven je 1879. spektralnom analizom minerala euksenita i gadolinita iz Skandinavije.

Skandij je prisutan u većini depozita rijetkih zemalja i uranijevih spojeva, ali se iz ovih ruda dobija još samo iz nekoliko rudnika u svijetu. Zbog niske dostupnosti i poteškoća pri pripremi metalnog skandija, što je prvi put učinjeno 1937. sve do 1970tih nisu bile razvijene aplikacije za korištenje skandija kao metala. Pozitivni efekti skandija na legure aluminija otkrivene su 1970tih, a njegova upotreba u takvim legurama i do danas je ostala njegov najznačajniji vid potrošnje. Svjetska trgovina čistog metalnog skandija iznosi u prosjeku oko 50 kg godišnje.

Osobine spojeva skandija su približno između osobina spojeva aluminija i itrija. Postoji i takozvana dijagonalna veza između ponašanja magnezija i skandija, kao što je to slučaj između berilija i aluminija. U hemijskim spojevima ovog elementa iz treće grupe periodnog sistema, dominira oksidacijsko stanje +3.

 Historija 
Mendeljejev, za kojeg se vezuje nadimak otac periodnog sistema, predvidio je postojanje elementa kojeg je nazvao eka-bor, za kojeg je smatrao da ima atomsku masu između 40 i 48. Tek 1879. Lars Fredrik Nilson i njegovi saradnici otkrili su ovaj element u sastavu minerala euksenita i gadolinita. Nilson je dobio oko 2 grama skandij-oksida vrlo visoke čistoće. Novom elementu dao je ime scandium iz latinskog Scandia, prema Skandinaviji. Nilson navodno nije bio upoznat sa Mendeljejevijim predviđanjima, ali je tu činjenicu zapazio Cleve i o njegovom otkriću obavijestio Mendeljejeva.

Metalni skandij je prvi put dobijen 1937. elektrolizom eutektične smjese kalija, litija i skandij-hlorida pri temperaturi od 700–800 °C. Prva veća količina 99% čistog metalnog skandija proizvedena je 1960. Njegovo korištenje u aluminijevim legurama počelo je 1971. što je patentirano u SAD-u. Legure aluminija i skandija također su bile razvijene i u bivšem SSSR-u.

Laserski kristali gadolinij-skandij-galij granata (GSGG) korišteni su u aplikacijama za razvoj strateške odbrane (u sklopu američke strateške odbrambene inicijative ili SDI) tokom 1980tih i 1990tih.

 Osobine 
 Hemijske 
Skandij je mehak metal srebrenastog izgleda. Kada je izložen na zraku, djelimično oksidira poprimajući blagu zlatno-žutu ili ružičastu nijansu. Podložan je atmosferskim utjecajima i sporo se rastvara u većini razblaženih kiselina. Ne reagira sa mješavinom dušične (HNO3) i 48%-tne fluorovodične kiseline (HF) u omjeru 1:1, a smatra se da je to zbog stvaranja nepropusnog pasivizirajućeg sloja. Opiljci skandija se mogu zapaliti u prisustvu zraka, sagorijevajući blještavim žutim plamenom i dajući skandij(III)-oksid.

 Izotopi 
Skandij postoji u prirodi isključivo kao izotop 45Sc, koji ima nuklearni spin 7/2. Postoji 13 poznatih radioaktivnih izotopa među kojima su najstabilniji izotopi 46Sc sa vremenom poluraspada od 83,8 dana, zatim 47Sc sa vremenom poluraspada od 3,35 dana i 48Sc sa vremenom poluraspada od 43,7 dana. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 4 sata, a većina od tih imaju vremena poluraspada kraća od 2 minute. Ovaj element također ima i pet metastabilnih izotopa među kojima je najstabilniji 44mSc (t1/2 = 58,6 h).

Izotopi skandija kreću se od 36Sc do 60Sc. Njihov primarni način raspada kod onih čije su mase niže od jedinog stabilnog izotopa, 45Sc, jeste elektronski zahvat, dok je primarni način raspada kod težih izotopa emisija beta zraka. Osnovni proizvod raspada kod izotopa sa atomskim težinama ispod 45Sc je kalcij dok su kod izotopa sa višim atomskim težinama izotopi titanija.

 Rasprostranjenost 
U pogledu rasprostranjenosti u Zemljinoj kori, skandij nije toliko rijedak. Procjene o njegovoj zastupljenosti se kreću od 18 do 25 ppm, što se otprilike može porediti sa rasprostranjenošću kobalta (20–30 ppm). Skandij je tek 50. najčešći element na Zemlji (odnosno 35. najrasprostranjeniji u kori), ali je istovremeno i 23. po rasprostranjenosti na Suncu. Ipak, skandij je vrlo oskudno distribuiran te se nalazi u tragovima u mnogim mineralima. Rijetki minerali iz Skandinavije i sa Madagaskara kao što su tortveitit, euksenit i gadolinit su jedini poznati izvori gdje je skandij koncentriran u dovoljnoj mjeri. Mineral tortveitit može sadržavati i do 45% skandija u obliku skandij(III)-oksida.

Stabilni oblik skandija nastaje u supernovi putem r-procesa.

 Dobijanje 
Proizvodnja skandija u svijetu je reda veličine oko 2 tone godišnje u obliku skandij-oksida. Primarna proizvodnja iznosi oko 400 kg, dok se ostatak odnosi na zalihe koje je Rusija napravila tokom Hladnog rata. U 2003. postojala su samo tri rudnika iz kojih se dobijao skandij: rudnici uranija i željeza u Žovti Vodi u Ukrajini, rudnik rijetkih metala u Bayan Obou u Kini te rudnik apatita na poluostrvu Kola u Rusiji. U svakom od ovih, skadnij je bio nusproizvod izdvajanja drugih elemenata i metala a na tržište je dolazio kao skandij-oksid. Proizvodnja metalnog skandija je reda veličine oko 10 kg godišnje. Pri tome se oksid prvo prevodi u skandij(III)-fluorid te se zatim reducira sa metalnim kalcijem.

Madagaskar i područje oko Ivelanda i Evje u južnoj Norveškoj jedini imaju depozite minerala sa velikim udjelom skandija, tortveitita (Sc,Y)2(Si2O7) i kolbeckita ScPO4·2H2O, ali se oni ne eksploatišu. Nedostatak sigurne, stabilne i dugoročne proizvodnje u znatnoj mjeri je ograničio komercijalnu upotrebu skandija. Međutim, i pored slabe upotrebe, skandij nudi značajne pogodnosti. Naročito je obećavajuća osobina pojačavanja legura aluminija neznatnim dodavanjem do 0,5% skandija. Cirkonija (cirkonij-dioksid) stabilizirana skandijem ima sve veću potražnju na tržištu za upotrebu kao elektrolit visokih performansi u gorivim ćelijama sa čvrstim oksidima.

 Upotreba 
Dodavanje skandija u aluminij ograničava nekontroliran rast zrna koji se dešava u zonama pod velikim utjecajem toplote uzrokovane zavarivanjem komponenti od aluminija. Ovo ima dva poželjna efekta: istaloženi Al3Sc formira manje kristale od onih pronađenih u drugim legurama aluminija, a zapremina zone bez taloga, koja obično postoji na granicama zrna kod aluminijskih legura stvrdnutih običnim hlađenjem, je smanjena. Oba ova efekta na određeni način povećavaju korisnost legure. Međutim, legure titanija, koje su dosta slične po snazi i lahkoći, mnogo su jeftinije i u znatno široj upotrebi.

Legura sa oznakom Al20Li20Mg10Sc20Ti30 se pokazala da je snažna kao titanij, lahka poput aluminija, a tvrda kao keramika.

Osnovna upotreba skandija po težini je u aluminijsko-skandijskim legurama koje služe za izradu manjih komponenti u avioindustriji. Te legure sadrže između 0,1% i 0,5% skandija. Korištene su u proizvodnji ruskih vojnih aviona, naročito za MiG-21 i MiG-29.

Neki predmeti među sportskom opremom, za koje je potrebno koristiti materijale visokih performansi, napravljeni su od legura skandij-aluminija, među kojima su bejzbol palice i dijelovi i ramovi za bicikla. Štapovi za lacrosse su također jednim dijelom napravljeni od skandija. Američka kompanija za proizvodnju oružja Smith & Wesson koristi legure skandija za izradu revolvera, gdje one ulaze u sastav okvira i kućišta, dok se za cijevi revolvera koriste titanijski ili ugljični čelici. Stomatolozi koriste kristale lasere od erbij-hrom: itrij-skandij-galij granata (skr. Er, Cr:YSGG) za uklanjanje karijesa i u endodonciji.

Prve metal-halogene lampe zasnovane na skandiju patentirao je General Electric, a prvobitno ih je počeo proizvoditi za tržište Sjeverne Amerike. Danas se one proizvode u gotovo svim razvijenijim industrijskim zemljama svijeta. Oko 20 kg (u vidu Sc2O3) skandija se godišnje potroši u SAD-u za proizvodnju visokointenzitetnih lampi na bazi pražnjenja. Skandij-jodid, zajedno sa natrij-jodidom, kada se dodaje u izmijenjeni oblik lampe na bazi živinih para, dobija se jedna vrsta metal-halogene lampe. Ovakve lampe su izvor bijele svjetlosti sa visokim indeksom uzvrata boje, koja u dovoljnoj mjeri zamjenjuje sunčevu svjetlost što omogućava dobru reprodukciju boja kod TV kamera. Oko 80 kg skandija se potroši u svijetu godišnje za proizvodnju metal-halogenih lampi odnosno sijalica.

Radioaktivni izotop 46Sc koristi se u rafinerijama nafte kao sredstvo za trasiranje. Skandij-triflat je katalitička Lewisova kiselina korištena u organskoj hemiji.

 Spojevi 
Hemija skandija je gotovo u potpunosti obilježena trovalentnim ionom, Sc3+. Radijusi iona M3+ u tabeli ispod pokazuju da su u smislu hemijskih osobina, ioni skandija više slični onima kod itrija nego aluminija. Djelimično zbog ove sličnosti, skandij se ponekad uvrštava u elemente slične lantanoidima.

{|class="wikitable"
|+ Ionski radijusi (pm)
|-
|Al||Sc||Y||La||Lu
|-
|53,5||74,5||90,0||103,2||86,1
|}

 Oksidi i hidroksidi 
Oksid Sc2O3 i hidroksid Sc(OH)3 su amfoterni:
Sc(OH)3 + 3 OH− → Sc
Sc(OH)3 + 3 H+ + 3 H2O → [Sc(H2O)6]3+

Oblici α- i γ- skandij oksohidroksida (ScO(OH)) su izostrukturni sa njihovim analogom aluminij oksohidroksidom. Rastvori Sc3+ u vodi su kiselog karaktera zbog hidrolize.

 Halidi i pseudohalidi 
Halidi ScX3 (gdje je X = Cl, Br ili I) su vrlo dobro rastvorljivi u vodi, a ScF3 je nerastvorljiv. Sva četiri halida skandija su 6-to koordinirana. Halidi su Lewisove kiseline; naprimjer ScF3 se rastvara u rastvoru koji sadrži suvišak fluoridnih iona dajući [ScF6]3−. Koordinacijski broj 6 je tipičan za Sc(III). Kod većih iona poput Y3+ i La3+, uobičajeni su koordinacijski brojevi 8 i 9. Skandij(III)-triflat se ponekad koristi kao katalizator Lewisove kiseline u organskoj hemiji.

 Organski derivati 
Skandij gradi cijelu seriju organometalnih spojeva sa ciklopentadienilnim ligandima (Cp), što dosta sliči ponašanju lantanoida. Jedan od primjera je dimer premošten hlorom, [ScCp2Cl]2 i povezani derivati pentametilciklopentadienilnih liganda.

 Neuobičajena oksidacijska stanja 
Spojevi koji uključuju skandij u oksidacijskim stanjima različitim od +3 su rijetki ali su relativno dobro istraženi. Plavo-crni spoj CsScCl3 jedan je od najjednostavnijih. Ovaj materijal usvaja listastu strukturu koja iskazuje snažne veze između skandija(II) u centru. Skandij-hidrid nije istražen u dovoljnoj mjeri mada se prema istraživanjima pokazuje da on nije slani hidrid Sc(II). Kao što je to posmatrano kod mnogih elemenata, diatomski skandij-hidrid je proučavan spektroskopski pri visokim temperaturama u gasnoj fazi. Skandij-boridi i karbidi su nestehiometrijski, poput onih kod susjednih elemenata iz periodnog sistema.

Niža oksidacijska stanja (+2, +1, 0) su također uočena u organoskandijskim spojevima.

 Zdravlje i sigurnost 
Elementarni skandij se smatra neotrovnim, a provedena su istraživanja na malim životinjama na otrovnost spojeva skandija. Rezultati su pokazali da nivo srednje smrtonosne doze (LD50) skandij(III)-hlorida za pacove iznosi oko 4 mg/kg putem intraperitonealne injekcije te 755 mg/kg pri oralnom unošenju. U svjetlu ovih rezultata, sa spojevima skandija neophodno je pažljivo rukovanje kao spojevima umjerene toksičnosti.

 Reference 

Kategorija:Hemijski elementi