Escandio

El escandio es un elemento químico de la tabla periódica cuyo símbolo es Sc y su número atómico es 21. Es un metal de transición que se encuentra en minerales de Escandinavia y que se clasifica con frecuencia entre los lantánidos por sus similitudes con ellos.[1][2]

Calcio ← Escandio → Titanio
 
 
21		 Sc
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada
Información general
Nombre, símbolo, número Escandio, SC, 21
Serie química Metales de transición
Grupo, período, bloque 3, 4, d
Masa atómica 44,955910 u
Configuración electrónica [Ar] 3d1 4s2
Electrones por nivel 2, 8, 9, 2 (imagen)
Apariencia Blanco plateado
Propiedades atómicas
Radio medio 160 pm
Electronegatividad 1,36 (escala de Pauling)
Radio atómico (calc) 184 pm (radio de Bohr)
Radio covalente 144 pm
Radio de van der Waals Sin datos pm
Estado(s) de oxidación 3
Óxido Base débil
1.ª energía de ionización 633,1 kJ/mol
2.ª energía de ionización 1235,0 kJ/mol
3.ª energía de ionización 2388,6 kJ/mol
4.ª energía de ionización 7090,6 kJ/mol
5.ª energía de ionización 8843 kJ/mol
6.ª energía de ionización 10 679 kJ/mol
7.ª energía de ionización 13 310 kJ/mol
8.ª energía de ionización 15 250 kJ/mol
9.ª energía de ionización 17 370 kJ/mol
10.ª energía de ionización 21 726 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 2985 kg/m3
Punto de fusión 1814 K (1541 °C)
Punto de ebullición 3103 K (2830 °C)
Entalpía de vaporización 314,2 kJ/mol
Entalpía de fusión 14,1 kJ/mol
Presión de vapor 22,1 Pa a 1812 K
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
Calor específico 568 J/(K·kg)
Conductividad eléctrica 1,77 × 106 S/m
Conductividad térmica 15,8 W/(K·m)
Velocidad del sonido Sin datos m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del escandio
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

Es un elemento de bloque D metálico de color blanco plateado, históricamente se ha clasificado como un elemento de tierras raras,[3] 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 tierras raras y de uranio, pero se extrae de estos minerales solo en unas pocas minas en todo el mundo. Debido a la baja disponibilidad y 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.[4]

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 existe entre el berilio y el aluminio. En los compuestos químicos de los elementos del grupo 3, el estado de oxidación predominante es +3.

Características principales

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.[5]

Es un metal blando, muy ligero, resistente al ataque del ácido nítrico y fluorhídrico, cuyo color plateado deslustra expuesto al aire adoptando un color ligeramente rosado. Su estado de oxidación más común es +3 y sus sales son incoloras. Sus propiedades son más parecidas a las del itrio y los lantánidos que a las del titanio por lo que suele incluirse con frecuencia entre las tierras raras.

Aplicaciones

El óxido de escandio Sc2O3, se utiliza en luces de alta intensidad y añadiendo yoduro de escandio en las lámparas de vapor de mercurio se consigue una luz solar artificial de muy alta calidad. El isótopo radiactivo Sc-46 se usa en la industria petrolífera como trazador.

La aplicación principal del escandio en peso es en las aleaciones de aluminio-escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre 0,1 % y 0,5 % del escandio. Estas fueron utilizadas en los aviones militares rusos Mig 21 y Mig 29. Sin embargo, las aleaciones de titanio, que son similares en ligereza y resistencia, son más baratas y mucho más ampliamente utilizadas.

La adición de escandio al aluminio limita el crecimiento de granos en la zona de calor de los componentes de aluminio soldados. Esto tiene dos efectos beneficiosos: el Al
3Sc precipitado forma cristales más pequeños que en otras aleaciones de aluminio,[6] y se reduce el volumen de las zonas libres de precipitados en los límites de grano de las aleaciones de aluminio endurecibles por envejecimiento.[6] Ambos efectos aumentan la utilidad de la aleación. El precipitado de Al
3Sc es un precipitado coherente que fortalece la matriz de aluminio mediante la aplicación de campos de deformación elásticos que inhiben el movimiento de dislocación (es decir, deformación plástica).El Al
3Sc tiene un equilibrio L12 de estructura de superrejilla exclusiva de este sistema.[7] Se puede lograr una fina dispersión de precipitado a nanoescala mediante un tratamiento térmico que también puede fortalecer las aleaciones mediante el endurecimiento del orden.[8]

Los desarrollos recientes incluyen la adición de metales de transición como el Zr y de metales de tierras raras como el Er, que producen cáscaras que rodean el precipitado esférico Al
3Sc que reducen el engrosamiento.[9] Estas envolturas están dictadas por la difusividad del elemento de aleación y reducen el coste de la aleación debido a que se sustituye menos Sc en parte por Zr manteniendo la estabilidad y se necesita menos Sc para formar el precipitado.[10] Estos han hecho que Al
3Sc sea algo 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 utilizan mucho más.[11]

La aleación Al
20Li
20Mg
10Sc
20Ti
30 es tan fuerte como el titanio, ligera como el aluminio y dura como algunas cerámicas.[12]

Historia

El escandio (del latín científico scandĭum, y éste de Scandio, Escandinavia) fue descubierto por Lars Fredrick Nilson en 1879 mientras trabajaba con su equipo en la búsqueda de metales tierras raras mediante análisis espectral de los minerales euxenita y gadolinita. Para aislar el elemento procesó 10 kg de exenita con otros residuos de tierras raras logrando aproximadamente 2 gramos de óxido (Sc2O3) de gran pureza.

En 1869 Dmitri Mendeleyev predijo, basándose en las leyes periódicas, que este metal debía tener propiedades similares a las del boro por lo que llamó al elemento aún por descubrir ekaboro (símbolo Eb). Aproximadamente en la misma época que Nilson, Per Theodor Cleve descubrió el óxido de escandio y confirmó que se trataba del ekaboro.

En 1937 se aisló por vez primera el metal por electrólisis de una solución eutéctica de potasio, litio y cloruros de escandio a 700-800 °C empleando como electrodos un filamento de wolframio y un baño de cinc líquido en un crisol de grafito. La primera libra de escandio del 99% de pureza se fabricó en 1960.

Abundancia y obtención

Las únicas fuentes concentradas conocidas del metal, que no se encuentra en estado nativo, son minerales poco abundantes de Escandinavia y Madagascar como euxenita, gadolinita y thortveitita. 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 a 30 ppm). El escandio es solo el 50.º elemento más común en la Tierra (35.º más abundante en la corteza).[13] Sin embargo, el escandio se distribuye escasamente y se encuentra en pequeñas cantidades en muchos minerales.[14] Minerales raros de Escandinavia[15] y Madagascar[16] como thortveitita, euxenita y gadolinita son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento. La thortveitita puede contener hasta un 45% de escandio en forma de óxido de escandio.[15]


Es más abundante en el Sol y estrellas similares (23.º en abundancia) que en la Tierra (50.º) donde se encuentra muy repartido, apareciendo trazas del metal en más de 800 minerales. El color azul del aguamarina, variedad del berilo, se cree que se debe a la presencia de escandio y aparece entre los residuos de la wolframita tras la extracción del wolframio.

La thortveitita es la principal mena de escandio siendo otra fuente importante los residuos de la extracción del uranio donde se obtiene como subproducto. El metal se obtiene industrialmente por reducción del fluoruro de escandio con calcio.

La forma estable de escandio se crea en supernovas a través del proceso R.[17] Además, el escandio se crea por espalación de rayos cósmicos de los núcleos de hierro más abundantes.

  • 28Si + 17n → 45Sc (Proceso-R)
  • 56Fe + p → 45Sc + 11C + n (Espalación de rayos cósmicos)

Producción

La producción mundial de escandio es del orden de 15-20 toneladas por año, en forma de óxido de escandio . La demanda es aproximadamente 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 apatita en la península de Kola, Rusia ; desde entonces, muchos otros países han construido instalaciones de producción de escandio, incluidas 5 toneladas/año (7,5 toneladas/año de Sc 2 O 3 ) por Nickel Asia Corporation y Sumitomo Metal en Filipinas.[18][19]

En los Estados Unidos, NioCorp Development espera recaudar en breve mil millones $[20] para la apertura de una mina de niobio en su sitio de Elk Creek en el sureste de Nebraska[21] que puede producir hasta 95 toneladas de óxido de escandio anualmente.[22] En cada caso, el escandio es un subproducto de la extracción de otros elementos y se vende como óxido de escandio.[23][24][25]

Precio

El Servicio Geológico de Estados Unidos 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.[26]

Isótopos

El escandio natural tiene un único isótopo estable, el Sc-45. Se conocen 13 isótopos radiactivos de los que los más estables son el Sc-46 con un periodo de semidesintegración de 83,79 días, el Sc-47 (3,3492 días) y Sc-48 (43,67 horas); los demás isótopos radiactivos tiene periodos de semidesintegración inferiores a las 4 horas y la mayoría menores de 2 minutos. Se conocen además 5 estados metaestables, siendo el más estable el Scm-44 (periodo de semidesintegración de 58,6 horas).

La masa atómica de los isótopos de escandio varía desde 39,978 uma del Sc-40 hasta 53,963 uma del Sc-54. El modo de desintegración principal de los isótopos más ligeros que el estable (Sc-45) es la captura electrónica originándose isótopos de calcio, mientras que los isótopos más pesados que el estable se desintegran principalmente mediante emisión beta dando lugar a isótopos de titanio.

Precauciones

El polvo de escandio metálico es inflamable. El escandio elemental se considera no tóxico, aunque no se han realizado pruebas exhaustivas de compuestos de escandio en animales.[27] La dosis letal media (LD50) niveles de cloruro de escandio para las ratas se han determinado como 755 mg/kg por vía intraperitoneal y 4 g/kg para la administración oral.[28] A la luz de estos resultados, los compuestos de escandio deben manipularse como compuestos de toxicidad moderada. El cuerpo parece manipular el escandio de una manera similar al galio, su contraparte del bloque D completo, con peligros similares relacionados con su hidróxido poco soluble.[cita requerida]

Véase también

Referencias
  1. Garritz, Andoni (1998). Química. Pearson Educación. p. 856. ISBN 978-9-68444-318-1.
  2. Parry, Robert W. (1973). Química: fundamentos experimentales. Reverte. p. 703. ISBN 978-8-42917-466-3.
  3. IUPAC Recommendations, Nomenclature of Inorganic Chemistry
  4. «Mineral Commodity Summaries 2020». US Geological Survey Mineral Commodities Summary 2020. US Geological Survey. Consultado el 10 de febrero de 2020.
  5. "Scandium." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
  6. Ahmad, Zaki (2003). «The properties and application of scandium-reinforced aluminum». JOM 55 (2): 35. Bibcode:2003JOM....55b..35A. S2CID 8956425.
  7. Knipling, Keith E.; Dunand, David C.; Seidman, David N. (1 de marzo de 2006). «Criteria for developing castable, creep-resistant aluminum-based alloys – A review». Zeitschrift für Metallkunde 97 (3): 246-265. ISSN 0044-3093. S2CID 4681149.
  8. Knipling, Keith E.; Karnesky, Richard A.; Lee, Constance P.; Dunand, David C.; Seidman, David N. (1 de septiembre de 2010). «Precipitation evolution in Al–0.1Sc, Al–0.1Zr and Al–0.1Sc–0.1Zr (at.%) alloys during isochronal aging». Acta Materialia (en inglés) 58 (15): 5184-5195. Bibcode:2010AcMat..58.5184K. ISSN 1359-6454.
  9. Booth-Morrison, Christopher; Dunand, David C.; Seidman, David N. (1 de octubre de 2011). «Resistencia al engrosamiento a 400°C de aleaciones Al-Zr-Sc-Er reforzadas por precipitación». Acta Materialia (en inglés) 59 (18): 7029-7042. Bibcode:2011AcMat..59.7029B. ISSN 1359-6454.
  10. De Luca, Anthony; Dunand, David C.; Seidman, David N. (15 de octubre de 2016). «Propiedades mecánicas y optimización del envejecimiento de una aleación diluida de Al-Sc-Er-Zr-Si con una alta relación Zr/Sc». Acta Materialia (en inglés) 119: 35-42. Bibcode:2016AcMat.119...35D. ISSN 1359-6454.
  11. Schwarz, James A.; Contescu, Cristian I.; Putyera, Karol (2004). Enciclopedia Dekker de nanociencia y nanotecnología 3. CRC Press. p. 2274. ISBN 978-0-8247-5049-7.
  12. Youssef, Khaled M.; Zaddach, Alexander J.; Niu, Changning; Irving, Douglas L.; Koch, Carl C. (2015). «A Novel Low-Density, High-Hardness, High-entropy Alloy with Close-packed Single-phase Nanocrystalline Structures». Materials Research Letters 3 (2): 95-99.
  13. Lide, David R. (2004). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. pp. 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9.
  14. Bernhard, F. (2001). «Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria». Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema. ISBN 978-90-265-1846-1.
  15. Kristiansen, Roy (2003). «Scandium – Mineraler I Norge». Stein (en noruego): 14-23.
  16. von Knorring, O.; Condliffe, E. (1987). «Mineralized pegmatites in Africa». Geological Journal 22: 253.
  17. Cameron, A.G.W. (June 1957). «Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis». CRL-41.
  18. «Establishment of Scandium Recovery Operations». Consultado el 26 de octubre de 2018.
  19. Iwamoto, Fumio. «Commercial Scandium Oxide Production by Sumitomo Metal Mining Co. Ltd.». TMS. Archivado desde el original el 27 de febrero de 2021. Consultado el 26 de octubre de 2018.
  20. «NioCorp Announces Final Closing of Non-Brokered Private Placement for Aggregate Gross Proceeds of C$1.77 Million». Consultado el 18 de mayo de 2019.
  21. «Long-discussed niobium mine in southeast Nebraska is ready to move forward, if it gathers $1 billion in financing .». Consultado el 18 de mayo de 2019.
  22. NioCorp Superalloy Materials The Elk Creek Superalloy Materials Project, archivado desde el original el 19 de agosto de 2021, consultado el 18 de mayo de 2019.
  23. Deschamps, Y. «Scandium». mineralinfo.com. Archivado desde el original el 24 de marzo de 2012. Consultado el 21 de octubre de 2008.
  24. «Mineral Commodity Summaries 2015: Scandium». United States Geological Survey.
  25. Scandium. USGS.
  26. «Mineral Commodity Summaries». USGS. Consultado el 13 de septiembre de 2020.
  27. Horovitz, Chaim T.; Birmingham, Scott D. (1999). Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer. ISBN 978-0-306-45657-2.
  28. Haley, Thomas J.; Komesu, L.; Mavis, N.; Cawthorne, J.; Upham, H. C. (1962). «Pharmacology and toxicology of scandium chloride». Journal of Pharmaceutical Sciences 51 (11): 1043-5. PMID 13952089.

Enlaces externos
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