El escandio es un elemento químico ; tiene símbolo Sc y número atómico 21. Es un elemento del bloque d metálico de color blanco plateado . Históricamente se ha clasificado como elemento de tierras raras , [9] junto con el itrio y los lantánidos . Fue descubierto en 1879 mediante análisis espectral de los minerales euxenita y gadolinita de Escandinavia . [10]
El escandio está presente en la mayoría de los depósitos de tierras raras y compuestos de uranio , pero sólo se extrae de estos minerales en unas pocas minas en todo el mundo. Debido a la baja disponibilidad y las dificultades en la preparación de escandio metálico, que se hizo 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 . Hasta el día de hoy, su uso en este tipo de aleaciones sigue siendo su única aplicación importante. El comercio mundial de óxido de escandio es de 15 a 20 toneladas por año. [11]
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, del mismo modo 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.
El escandio es un metal blando con 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 . [12]
En la naturaleza, el escandio se encuentra exclusivamente como isótopo 45 Sc, que tiene un espín nuclear de 7/2; este es su único isótopo estable. Se han caracterizado veinticinco radioisótopos siendo el más estable el 46 Sc, que tiene una vida media de 83,8 días; 47 Sc, 3,35 días; el emisor de positrones 44 Sc , 4 horas; y 48 Sc, 43,7 horas. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 4 horas, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 2 minutos. Este elemento también tiene cinco isómeros nucleares , siendo el más estable el 44m2 Sc ( t 1/2 = 58,6 h). [13]
Los isótopos conocidos del escandio oscilan entre 36 Sc y 60 Sc. El modo de desintegración primario en masas inferiores a la del único isótopo estable, 45 Sc, es la captura de electrones , y el modo primario en masas superiores es la emisión beta . Los productos primarios de desintegración con pesos atómicos inferiores a 45 Sc son isótopos de calcio y los productos primarios de pesos atómicos superiores son isótopos de titanio . [13]
En la corteza terrestre , el escandio no es raro. Las estimaciones varían de 18 a 25 ppm, lo que es comparable a la abundancia de cobalto (20 a 30 ppm). El escandio es sólo el 50º elemento más común en la Tierra (el 35º más abundante en la corteza), pero es el 23º elemento más común en el Sol . [14] Sin embargo, el escandio se distribuye escasamente y se encuentra en pequeñas cantidades en muchos minerales . [15] Minerales raros de Escandinavia [16] y Madagascar [17] como tortveitita , euxenita y gadolinita son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento. La tortveitita puede contener hasta un 45% de escandio en forma de óxido de escandio . [dieciséis]
La forma estable del escandio se crea en las supernovas mediante el proceso r . [18] Además, el escandio se crea por espalación de rayos cósmicos de los núcleos de hierro más abundantes .
La producción mundial de escandio es del orden de 15 a 20 toneladas por año, en forma de óxido de escandio . La demanda es ligeramente mayor [19] y tanto la producción como la demanda siguen aumentando. En 2003, sólo 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 . [ cita necesaria ] Desde entonces, muchos otros países han construido instalaciones productoras de escandio, incluidas 5 toneladas/año (7,5 toneladas/año Sc 2 O 3 ) de Nickel Asia Corporation y Sumitomo Metal Mining en Filipinas . [20] [21] En los Estados Unidos, NioCorp Development espera [ ¿cuándo? ] para recaudar mil millones de dólares [22] para abrir una mina de niobio en su sitio de Elk Creek en el sureste de Nebraska , [23] que podría producir hasta 95 toneladas de óxido de escandio al año. [24] En cada caso, el escandio es un subproducto de la extracción de otros elementos y se vende como óxido de escandio. [25] [26] [27]
Para producir escandio metálico, el óxido se convierte en fluoruro de escandio y luego se reduce con calcio metálico . [28]
Madagascar y la región noruega de Iveland - Evje tienen los únicos depósitos de minerales con alto contenido de escandio, la tortveitita (Sc,Y) 2 (Si 2 O 7 ), pero no están siendo explotados. [26] El mineral kolbeckita ScPO 4 ·2H 2 O tiene un contenido muy alto de escandio pero no está disponible en ningún depósito más grande. [26]
La ausencia de una producción fiable, segura, estable y a largo plazo ha limitado las aplicaciones comerciales del escandio. A pesar de este bajo nivel de uso, el escandio ofrece importantes beneficios. Particularmente prometedor es el refuerzo de aleaciones de aluminio con tan solo un 0,5% de escandio. [29] La circona estabilizada con escandio disfruta de una creciente demanda en el mercado para su uso como electrolito de alta eficiencia en pilas de combustible de óxido sólido .
El USGS informa que, de 2015 a 2019 en EE. UU., el precio de pequeñas cantidades de lingotes de escandio ha sido de 107 a 134 dólares por gramo, y el del óxido de escandio de 4 a 5 dólares por gramo. [30]
La química del escandio está casi completamente dominada por el ion trivalente Sc 3+ . Los radios de los iones M 3+ en la siguiente tabla indican que las propiedades químicas de los iones de escandio tienen más en común con los iones de itrio que con los iones de aluminio. En parte debido a esta similitud, el escandio a menudo se clasifica como un elemento similar a los lantánidos. [31]
El óxido Sc
2oh
3y el hidróxido Sc(OH)
3son anfóteros : [32]
α- y γ-ScOOH son isoestructurales con sus homólogos de óxido de hidróxido de aluminio . [33] Soluciones de Sc3+
en el agua son ácidos debido a la hidrólisis .
Los haluros ScX 3 , donde X= Cl , Br , o I , son muy solubles en agua, pero ScF 3 es insoluble. En los cuatro haluros, el escandio tiene 6 coordenadas. Los haluros son ácidos de Lewis ; por ejemplo, ScF 3 se disuelve en una solución que contiene un exceso de ion fluoruro para formar [ScF 6 ] 3− . El número de coordinación 6 es típico de Sc(III). En los iones más grandes Y 3+ y La 3+ , los números de coordinación de 8 y 9 son comunes. El triflato de escandio se utiliza a veces como catalizador ácido de Lewis en química orgánica . [34]
El escandio forma una serie de compuestos organometálicos con ligandos ciclopentadienilo (Cp), de comportamiento similar al de los lantánidos. Un ejemplo es el dímero con puente de cloro, [ScCp 2 Cl] 2 y derivados relacionados de ligandos de pentametilciclopentadienilo . [35]
Los compuestos que presentan escandio en estados de oxidación distintos de +3 son raros pero están bien caracterizados. El compuesto azul-negro CsScCl 3 es uno de los más simples. Este material adopta una estructura en forma de lámina que exhibe una extensa unión entre los centros de escandio (II). [36] El hidruro de escandio no se comprende bien, aunque parece no ser un hidruro salino de Sc(II). [5] Como se observa para la mayoría de los elementos, se ha observado espectroscópicamente un hidruro de escandio diatómico a altas temperaturas en la fase gaseosa. [4] Los boruros y carburos de escandio no son estequiométricos , como es típico de los elementos vecinos. [37]
También se han observado estados de oxidación más bajos (+2, +1, 0) en compuestos organoscandios. [38] [39] [40] [41]
Dmitri Mendeleev , considerado el padre de la tabla periódica , predijo en 1869 la existencia del elemento ekaboron , con una masa atómica entre 40 y 48. Lars Fredrik Nilson y su equipo detectaron este elemento en los minerales euxenita y gadolinita en 1879. Nilson preparó 2 gramos de óxido de escandio de gran pureza. [42] [43] Llamó al elemento escandio, del latín Scandia que significa "Escandinavia". Al parecer, Nilson no estaba al tanto de la predicción de Mendeleev, pero Per Teodor Cleve reconoció la correspondencia y notificó a Mendeleev. [44] [45]
El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937 mediante electrólisis de una mezcla eutéctica de cloruros de potasio , litio y escandio , a 700-800 ° C . [46] La primera libra de metal escandio puro al 99% se produjo en 1960. La producción de aleaciones de aluminio comenzó en 1971, tras una patente estadounidense. [47] En la URSS también se desarrollaron aleaciones de aluminio y escandio . [48]
Los cristales láser de granate de gadolinio-escandio-galio (GSGG) se utilizaron en aplicaciones de defensa estratégica desarrolladas para la Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) en las décadas de 1980 y 1990. [49] [50]
A principios de 2018, se recopiló evidencia a partir de datos de espectrómetro de abundancias significativas de escandio, vanadio e itrio en estrellas gigantes rojas en el Cúmulo de Estrellas Nucleares (NSC) en el Centro Galáctico . Investigaciones posteriores demostraron que se trataba de una ilusión causada por la temperatura relativamente baja (por debajo de 3.500 K) de estas estrellas que enmascaraba las señales de abundancia, y que este fenómeno era observable en otras gigantes rojas. [51]
La adición de escandio al aluminio limita el crecimiento de granos en la zona de calor de los componentes soldados de aluminio. Esto tiene dos efectos beneficiosos: el Al 3 Sc precipitado forma cristales más pequeños que en otras aleaciones de aluminio [52] y se reduce el volumen de las zonas libres de precipitado en los límites de grano de las aleaciones de aluminio que endurecen por envejecimiento. [52] El precipitado de Al 3 Sc es un precipitado coherente que fortalece la matriz de aluminio mediante la aplicación de campos de tensión elásticos que inhiben el movimiento de dislocación (es decir, deformación plástica). Al 3 Sc tiene una estructura de superred L1 2 de equilibrio exclusiva de este sistema. [53] Se puede lograr una fina dispersión del precipitado a nanoescala mediante un tratamiento térmico que también puede fortalecer las aleaciones mediante endurecimiento ordenado. [54] Los desarrollos recientes incluyen las adiciones de metales de transición como el circonio (Zr) y metales de tierras raras como el erbio (Er) que producen capas que rodean el precipitado esférico de Al 3 Sc que reducen el engrosamiento. [55] Estas capas están dictadas por la difusividad del elemento de aleación y reducen el costo de la aleación debido a que se sustituye en parte menos Sc por Zr mientras se mantiene la estabilidad y se necesita menos Sc para formar el precipitado. [56] Estos han hecho que el Al 3 Sc 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 mucho más utilizadas. [57]
La aleación Al 20 Li 20 Mg 10 Sc 20 Ti 30 es tan resistente como el titanio, ligera como el aluminio y dura como algunas cerámicas. [58]
La principal aplicación del escandio en peso son las aleaciones de aluminio y escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre un 0,1% y un 0,5% de escandio. Fueron utilizados en aviones militares rusos, concretamente en los Mikoyan-Gurevich MiG-21 y MiG-29 . [52]
Algunos artículos de equipamiento deportivo, que se basan en materiales ligeros de alto rendimiento, se han fabricado con aleaciones de escandio y aluminio, incluidos bates de béisbol , [59] postes de tiendas de campaña y cuadros y componentes de bicicletas . [60] Los palos de lacrosse también se fabrican con escandio. La empresa estadounidense de fabricación de armas de fuego Smith & Wesson produce pistolas y revólveres semiautomáticos con armazones de aleación de escandio y cilindros de titanio o acero al carbono. [61] [62]
Desde 2013, Apworks GmbH, una filial de Airbus, comercializa una aleación de aluminio que contiene escandio de alta resistencia procesada mediante impresión 3D de metal (Laser Powder Bed Fusion) bajo la marca Scalmalloy, que afirma tener una resistencia y ductilidad muy altas. [63]
Los dentistas utilizan láseres de granate de itrio, escandio y galio dopados con erbio, cromo ( Er,Cr:YSGG ) para la preparación de cavidades y en endodoncia. [64]
Las primeras lámparas de halogenuros metálicos a base de escandio fueron patentadas por General Electric y fabricadas en América del Norte, aunque ahora se producen en los principales países industrializados. En los Estados Unidos se utilizan anualmente aproximadamente 20 kg de escandio (como Sc 2 O 3 ) para lámparas de descarga de alta intensidad. [65] Un tipo de lámpara de halogenuros metálicos , similar a la lámpara de vapor de mercurio , está hecha de triyoduro de escandio y yoduro de sodio . Esta lámpara es una fuente de luz blanca con un alto índice de reproducción cromática que se parece lo suficiente a la luz solar para permitir una buena reproducción del color con cámaras de televisión . [66] Cada año se utilizan en todo el mundo unos 80 kg de escandio en lámparas y bombillas de halogenuros metálicos. [67]
El isótopo radiactivo 46 Sc se utiliza en las refinerías de petróleo como agente rastreador. [65] El triflato de escandio es un ácido de Lewis catalítico utilizado en química orgánica . [68]
La transición nuclear de 12,4 keV de 45 Sc se ha propuesto como referencia para aplicaciones de cronometraje, con una precisión teórica hasta tres órdenes de magnitud mejor que las referencias actuales de cesio. [69]
El escandio elemental se considera no tóxico, aunque no se han realizado pruebas exhaustivas en animales de compuestos de escandio. [70] Los niveles de dosis letal media (LD50 ) de cloruro de escandio para ratas se han determinado en 755 mg/kg para administración intraperitoneal y 4 g/kg para administración oral. [71] A la luz de estos resultados, los compuestos de escandio deben tratarse como compuestos de toxicidad moderada. El escandio parece ser manejado por el cuerpo de manera similar al galio , con peligros similares relacionados con su hidróxido poco soluble . [72]
