Skandium

český názevSkandium
latinský názevScandium
anglický názevScandium
chemická značkaSc
protonové číslo21
relativní atomová hmotnost44,95591
perioda4
skupinaIII.B
zařazenípřechodné kovy
rok objevu1879
objevitelL. F. Nilson
teplota tání [°C]1541
teplota varu [°C]2836
hustota [g cm-3]3,0
hustota při teplotě tání [g cm-3]2,8
elektronegativita1,36
standardní el. potenciál [V]−2,03
oxidační stavyI, II, III
elektronová konfigurace[Ar]3d1 4s2
atomový poloměr [pm]216
specifické teplo [J g-1K-1]0,6
slučovací teplo [kJ mol-1]14,1
tepelná vodivost [W m-1 K-1]15,8
elektrická vodivost [S m-1]1,8.106
1. ionizační potenciál [eV]6,5614
2. ionizační potenciál [eV]12,8
3. ionizační potenciál [eV]24,76
tvrdost podle Mohse2,5
tvrdost podle Brinella [MPa]750
modul pružnosti ve smyku [GPa]29
modul pružnosti v tahu [GPa]74
bod supravodivosti [K]0,05
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce skandia

SkandiumChemický prvek skandium je tažný, bílý, neušlechtilý kov s charakteristickým žlutým nádechem. Vyskytuje se ve dvou alotropických modifikacích, hexagonální α-Sc přechází při teplotě 1335°C na kubické β-Sc.

Skadium je značně reaktivní prvek. Vysoká reaktivita je způsobena nestabilní elektronovou konfigurací, skandium je prvním prvkem 4. periody, který má obsazen orbital d a velice ochotně tedy uvolňuje 3 elektrony za tvorby bezbarvého, diamagnetického kationu Sc3+. S vodou reaguje za vzniku oxidu skanditého. Při zahřátí na teplotu 200°C hoří na vzduchu za vzniku oxidu Sc2O3, s chlorem se přímo slučuje na chlorid ScCl3 při teplotě 400°C, s dusíkem reaguje za vzniku nitridu ScN až za teplot okolo 800°C. Skandium velmi ochotně reaguje již za teploty okolo 100°C s oxidem dusičitým za vzniku dusičnanu skanditého Sc(NO3)3.

Dobře se rozpouští v běžných minerálních i některých organických kyselinách za vzniku skandité soli a vývoje vodíku. Skadité soli silných kyselin bývají velmi dobře rozpustné ve vodě, soli slabých kyselin jsou špatně rozpustné. Reakce s velmi zředěnou kyselinou dusičnou probíhá bez vzniku vodíku:

8Sc + 30HNO3 → 8Sc(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

Sloučeniny

Ve sloučeninách, kterých tvoří celou řadu, vystupuje skandium téměř výhradně v oxidačním stavu +III jako kation skanditý Sc3+, za určitých podmínek tvoří také skanditany [ScO2]- nebo diskanditany [Sc2O4]2-. Většina rozpustných sloučenin skandia snadno podléhá hydrolýze. Sloučeniny skandia v jiných oxidačních stavech jsou vzácné a nemají zvláštní praktický význam, v ox. stavu I se vyskytuje ve formě chloridu skandného ScCl, v ox. stavu II se vyskytuje ve formě sulfidu skandnatého ScS.

Díky malému iontovému poloměru má ze všech prvků III.B skupiny nejsilnější sklon k tvorbě komplexních sloučenin, ve kterých se vyskytuje s koordinačním číslem 6, běžné jsou např. hexafluoroskanditany [ScF6]3- nebo hexahydroxoskanditany [Sc(OH)6]3-.

Vlastnosti většiny sloučenin skandia se podobají vlastnostem sloučenin lanthanu, některé sloučeniny skandia se však svým chováním více blíží vlastnostem sloučenin vápníku nebo hliníku.

Od ostatních kovů skupiny III.B se skandium odlišuje několika vlastnostmi. Hydroxid skanditý Sc(OH)3 vykazuje amfoterní vlastnosti, na rozdíl od hydroxidů ostatních prvků téže skupiny, které jsou alkalické. Termickým rozkladem hydratovaného chloridu skanditého vzniká oxid skanditý, termickým rozkladem chloridů dalších kovů téže skupiny vznikají oxid-chloridy typu MOCl.

S některými nekovy tvoří skandium vedle běžných valenčních sloučenin také sloučeniny nestechiometrického složení, např. s křemíkem tvoří skandium silicid ScSi2, který se více podobá intermetalickým sloučeninám. Také s chlorem tvoří řadu sloučenin nestechiometrického složení, např. Sc7Cl10 nebo Sc5Cl8. S výjimkou vanadu, chromu, hafnia a tantalu se skandium přímo slučuje se všemi ostatními kovy za vzniku intermetalických sloučenin rozmanitého složení.

Analytické stanovení skandia se provádí komplexometrickou titrací na Alizarin S. V silně kyselém prostředí (pH=2) je bod ekvivalence indikován změnou barvy indikátoru z červené na žlutou. V alkalickém prostředí (pH=10-11) se stanovení skandia provádí titrací na eriochromovou čerň, v ekvivalentním bodu se barva indikátoru změní z červené na modrou.

Výskyt skandia v přírodě

V přírodě se skandium vyskytuje velmi vzácně v monazitových píscích, většinou v doprovodu lanthanu a yttria. Průměrný obsah skandia v zemské kůře je 22 ppm.

Největší zásoby skandia se nacházejí v ložiscích niklových a kobaltových rud v oblasti Syerston a Lake Innes, Nový jižní Wales, Austrálie, v ložiscích wolframu, cínu a železa v čínských provinciích Fujian, Guangdong, Guangxi, Jiangxi a Zhejian, v apatitu na ruském poloostrově Kola, v uranových rudách v Kazachstánu, v pegmatitech regionu Befanomo na Madagaskaru a v thortveititem bohatých pegmatitech v norských regionech Iveland-Evje a Finmark. Značné zásoby skandia ukrývají odvaly hlušiny po těžbě fluoritu, která probíhala v letech 1952-1971 na ložisku Crystal Mountain poblíž Darby (Montana, USA) a hlušina po těžbě rud tantalu v Muskogee (Oklahoma, USA). Významné množství skandia se získává jako vedlejší produkt při zpracování železné rudy z ukrajinské oblasti Žoltyje Vody.

Přírodní skandium je ze 100 % tvořeno stabilním izotopem 45Sc, uměle bylo připraveno 12 radioaktivních izotopů s nukleonovými čísly 40 až 52.

Mezi známé minerály skandia patří např. bazzit Be3(Sc,Al)2Si6O, kolbeckit ScPO4·2H2O nebo juonniit CaMgSc(PO4)2(OH)·4H2O. Nejvyšší obsah skandia (32,13 % Sc) má nerost pretulit ScPO4. Další minerály skandia.

Výroba skandia

Výroba skandia se provádí elektrolýzou taveniny ScCl3. Chlorid skanditý, nutný pro elektrolýzu, se připravuje chlorací oxidu skaditého pomocí směsi Cl2 a S2Cl2 při teplotě 800°C nebo častěji působením CCl4 při teplotě 750°C:

2Sc2O3 + 3CCl4 → 4ScCl3 + 3CO2

V minulosti se používala i přímá chlorace působením plynného chloru na směs oxidu skanditého a koksu. Reakce probíhala při teplotách nad 1200°C:

Sc2O3 + 3C + 3Cl2 → 2ScCl3 + 3CO

Zajímavostí je český příspěvek ke zvládnutí výroby kovového skandia. V roce 1956 byl zveřejněn postup pracovníků VŠCHT na přípravu kovového skandia redukcí ScF3 vápníkem v molybdenovém kelímku, zahřívaném v argonové atmosféře pomocí vysokofrekvenčního ohřevu:

2ScF3 + 3Ca → 2Sc + 3CaF2

Čisté kovové skandium bylo poté izolováno vakuovou sublimací při tlaku 10-4 torr. Jednalo se teprve o druhý vyrobený vzorek kovového skandia ve světovém měřítku. Také řada sloučenin skandia, např. ScOF, Sc2OC, Sc(BrO3)3, byla poprvé na světě připravena na katedře anorganické chemie VŠCHT.

Světová roční výroba skandia pro nevojenské účely dosahuje hodnoty pouhých 10 t. Mezi producenty kovového skandia patří kromě Číny ještě Rusko, Ukrajina a Kazachstán, v ostatních státech se v současnosti skandium nevyrábí.

Praktické využití

Praktické využití skandia je doposud velmi omezené. Skandium se používá jako mikrolegovací přísada do vysoce pevných a lehkých slitin pro úzce specializované (vojenské, kosmické) účely. Slitiny legované skandiem se vyznačují nízkou hustotou, dobrou svařitelností a definovanými pevnostními i únavovými vlastnostmi. Obvyklými typy slitin jsou Al-Li-Sc, Al-Mg-Sc nebo Al-Zr-Sc. Největší podíl skandia ve formě lehké slitiny byl použit při konstrukci sovětské stíhačky MIG-29. V civilním letectví byly slitiny legované skandiem využity při konstrukci letounu Airbus A-350.

Na světových trzích se skandium obchoduje zejména ve formě svého oxidu, jeho cena se liší podle stupně dosažené čistoty. Oxid skanditý o čistotě 99,0 % se v roce 2012 obchodoval za 900 USD/kg, oxid o čistotě 99,9995 % se prodával za průměrnou cenu 5900 USD/kg. Kovové skandium se prodávalo za průměrnou cenu 206 USD/g.

Sloučeniny skandia se využívají k výrobě speciálních skel a žáruvzdorných materiálů. Jodid skanditý ScI3 se přidává do rtuťových výbojek pro úpravu barvy jejich světla. Síran skanditý Sc2(SO4)3 se používá jako mořidlo na osivo kukuřice a hrachu.

Některé binární sloučeniny skandia vykazují zajímavé fyzikální vlastnosti. Např. karbid Sc15C19, který se vyznačuje mimořádnou tvrdostí (56 GPa), která ho řadí na třetí místo mezi nejtvrdší materiály, hned za diamant a kubický nitrid boru. Karbid skandia velmi snadno hydrolyzuje za vzniku vodíku a allylenu (propin), což jeho praktické využití značně komplikuje. Borid skandia ScB12 vykazuje negativní hodnotu tepelné roztažnosti, při zahřívání se tedy jeho objem zmenšuje.

Radioaktivní izotop 46Sc (T1/2 = 83 dní) se používá jako značkovací látka při sledování petrochemických a metalurgických procesů.

Zdroje

vápník ← skandium → titan

TOPlist