スカンジウム：歴史、特性、反応、リスク、用途 - 化学

スカンジウムは、その化学記号Scは、周期表における遷移金属の第一であるが、少なくとも共通の希土類元素の一つである;遷移金属でありますその特性はランタニドの特性に似ているかもしれませんが、すべての著者がそのような方法でそれを分類することを承認するわけではありません。

ポピュラーなレベルでは、それは気付かれない化学要素です。その名前はスカンジナビアの希土類鉱物に由来し、現在では銅、鉄、金の隣にある可能性があります。しかし、それはまだ印象的であり、その合金の物理的性質はチタンの物理的性質と競合する可能性があります。

超高純度の元素スカンジウムサンプル。出典：化学元素の高解像度画像

また、テクノロジーの世界では、特に照明とレーザーに関して、ますます多くのステップが行われています。灯台が太陽に似た光を放射しているのを見た人なら誰でも、スカンジウムの存在を間接的に目撃するでしょう。それ以外の場合は、航空機製造の有望なアイテムです。

スカンジウム市場が直面している主な問題は、スカンジウムが広く分散しており、鉱物や豊富な供給源がないことです。そのため、地殻の存在量が少ない金属ではない場合でも、抽出には費用がかかります。自然界では、容易に還元できない固体の酸化物として見られます。

無機または有機の化合物の大部分で、酸化数+3の結合に参加します。つまり、Sc ³⁺カチオンの存在を想定しています。スカンジウムは比較的強い酸であり、有機分子の酸素原子と非常に安定した配位結合を形成できます。

歴史

スカンジウムは1879年にスイスの化学者ラースF.ニルソンによって化学元素として認識されました。彼はそれらに含まれるイットリウムを得ることを意図して鉱物のユーキナイトとガドリナイトを扱いました。彼は分光分析（原子発光スペクトル）の研究のおかげで、痕跡に未知の元素があることを発見しました。

鉱物から、彼と彼のチームは、スカンジナビアからサンプルを確実に収集したことで名付けられたそれぞれの酸化スカンジウムを得ることに成功しました。それまで希土類と呼ばれていた鉱物。

しかし、8年前の1871年、ドミトリメンデレーエフはスカンジウムの存在を予測していました。しかし、エカボロという名前で、その化学的性質がホウ素のそれに似ていることを意味しました。

そして、実際にはスカンジウムをエカボロに帰したのはスイスの化学者であるテオドール・クリーブであり、したがって同じ化学元素でした。具体的には、周期表で遷移金属のブロックを開始するもの。

1937年、ヴェルナーフィッシャーと彼の共同研究者が、塩化カリウム、リチウム、およびスカンジウムの混合物の電気分解によって金属スカンジウム（しかし不純）を分離することに成功した何年も経ちました。ようやく純度99％前後で入手できるようになったのは1960年。

構造と電子構成

元素スカンジウム（天然および純粋）は、2つの構造（同素体）に結晶化できます。コンパクトな六角形（hcp）と体心立方（bcc）です。通常、1つ目はα相と呼ばれ、2つ目はβ相と呼ばれます。

より密度の高い六角形のα相は、周囲温度で安定しています。一方、密度の低い立方晶β相は1337℃以上で安定しています。したがって、この最後の温度で、両方の相または同素体（金属の場合）の間で遷移が発生します。

スカンジウムは通常hcp固体に結晶化しますが、非常に緻密な金属にはなりません。少なくとも、はい、アルミニウム以上です。その電子構成から、どの電子が通常その金属結合に関与するかを知ることができます。

3d ¹ 4s ²

したがって、3dおよび4s軌道の3つの電子は、Sc原子が結晶内に配置される方法で干渉します。

六角形の結晶に圧縮するには、その核の引力は、内殻の電子によって弱くシールドされているこれらの3つの電子がSc原子からあまり遠くに迷わず、その結果、それらの間の距離が狭くなるようなものでなければなりません。

高圧相

α相とβ相は温度変化に関連しています。ただし、金属ニオブNbと同様の正方相があり、金属スカンジウムが20 GPaを超える圧力を受けたときに発生します。

酸化数

スカンジウムは最大3つの価電子（3d ¹ 4s ²）を失う可能性があります。理論的には、最初に「移動」するのは4秒軌道の軌道です。

したがって、化合物にSc ⁺カチオンが存在すると仮定すると、その酸化数は+1になります。これは彼が4s軌道（3d ¹ 4s ¹）から電子を失ったと言っているのと同じです。

Sc ^2+の場合、その酸化数は+2になり、2つの電子を失います（3d ¹ 4s ⁰）。そして、それがこれらのカチオンの中で最も安定なSc ³⁺である場合、それは+3の酸化数を持ち、それはアルゴンと等電子です。

つまり、それらの酸化数は+ 1、+ 2、+ 3です。たとえば、Sc ₂ O ₃では、スカンジウムの酸化数は+3です。これは、Sc ³⁺（Sc ₂³⁺ O ₃^2-）の存在が想定されているためです。

プロパティ

外見

ピュアでエレメンタルな形の銀白色の金属で、柔らかく滑らかな質感です。酸化物（Sc ₂ O ₃）の層で覆われ始めると、黄色がかったピンクの色調になります。

モル質量

44.955 g / mol。

融点

1541°C

沸点

2836°C

モル熱容量

25.52 J /（mol・K）。

融合熱

14.1 kJ / mol。

気化熱

332.7 kJ / mol。

熱伝導率

20°Cで66 µΩ・cm

密度

2.985 g / mL、固体、および2.80 g / mL、液体。その固体密度はアルミニウムの密度（2.70 g / mL）に近いことに注意してください。これは、両方の金属が非常に軽いことを意味します。しかし、スカンジウムはより高い温度で溶解します（アルミニウムの融点は660.3℃）。

電気陰性

ポーリングスケールで1.36。

イオン化エネルギー

最初：633.1 kJ / mol（Sc ⁺ガス）。

第二：1235.0 kJ / mol（Sc ²⁺ガス状）。

第三：2388.6 kJ / mol（Sc ³⁺ガス）。

原子ラジオ

162 pm。

磁気秩序

常磁性。

同位体

スカンジウムのすべての同位体のうち、⁴⁵ Scは総存在量のほぼ100％を占めます（これは45 uに非常に近い原子量に反映されています）。

その他は半減期の異なる放射性同位元素で構成されています。など⁴⁶のSc（T _1/2 = 83.8日）、⁴⁷のSc（T _1/2 = 3.35日）、⁴⁴のSc（T _1/2 = 4時間）、及び⁴⁸のSc（T _1/2 = 43.7時間）。他の放射性同位元素は、t _1/2が4時間未満です。

酸度

Sc ³⁺カチオンは比較的強い酸です。たとえば、水中では水複合体^3+を形成し、加水分解の生成物としてH ₃ O ⁺イオンを生成するため、pHを7未満の値に変える可能性があります。

³⁺（aq）+ H ₂ O（l）<=> ²⁺（aq）+ H ₃ O ⁺（aq）

スカンジウムの酸性度は、ルイスの定義に従って解釈することもできます。スカンジウムは電子を受け入れる傾向が高く、したがって配位錯体を形成する傾向があります。

コーディネート番号

スカンジウムの重要な特性は、その無機化合物、構造、または有機結晶のほとんどにおいて、その配位数が6であることです。それは、Scが6つの隣人に囲まれている（または6つの結合を形成している）ことを意味します。上記では、複雑な³⁺水溶液がすべての最も単純な例です。

結晶では、Scの中心は八面体です。他のイオン（イオン性固体中）と相互作用するか、共有結合した中性原子（共有固体中）と相互作用します。

後者の例には、Sc原子間のブリッジとして機能するAcOグループ（アセチルオキシまたはアセトキシ）と鎖構造を形成するalがあります。

命名法

ほとんどの場合、ほとんどの化合物のスカンジウムの酸化数は+3であるため、これは一意であると見なされ、命名法は大幅に簡略化されています。アルカリ金属やアルミニウム自体と同じです。

たとえば、その酸化物、Sc ₂ O _3を考えてみましょう。同じ化学式は、スカンジウムの酸化状態+3を前もって示しています。したがって、この化合物をスカンジウムと呼ぶために、そして他のように、系統的、在庫および伝統的な命名法が使用されます。

ストックの命名法によれば、Sc ₂ O ₃は酸化スカンジウムであり、（III）は省略されます（ただし、唯一の可能な酸化状態ではありません）。伝統的な命名法によると、名前の末尾に–icoが付いたスカンディックオキサイド。そして、体系的な命名法のギリシャ数字の接頭辞のルールに従う三酸化ジスカンジウム。

生物学的役割

スカンジウムは、現時点では、明確な生物学的役割を欠いています。つまり、体がどのようにしてSc ³⁺イオンを蓄積または吸収できるかは不明です。Ca ²⁺またはFe ³⁺イオンと同様であるが、細胞に影響を与える場合、どの特定の酵素がそれを補因子として使用できるか。

しかしながら、Sc ³⁺イオンはおそらくFe ³⁺イオンの代謝を妨害することにより抗菌効果を発揮することが知られている。

医学内のいくつかの統計的研究は、それをおそらく胃障害、肥満、糖尿病、脳軟膜炎および他の疾患に関連付けます。しかし十分に啓発的な結果はありません。

同様に、植物は通常、相当量のスカンジウムを葉や茎に蓄積するのではなく、根や根粒に蓄積します。したがって、バイオマス中のその濃度は低く、その生理学的機能への関与がほとんどないことを示していると主張することができ、結果として、それは土壌により多く蓄積することになります。

どこで見つけて生産するか

鉱物と星

スカンジウムは他の化学元素ほど豊富ではないかもしれませんが、地球の地殻におけるその存在は水銀といくつかの貴金属のそれを超えています。実際、その存在量はコバルトとベリリウムのそれとほぼ同じです。1トンの岩石ごとに、22グラムのスカンジウムを抽出できます。

問題は、それらの原子が特定されずに散在していることです。つまり、質量組成が正確にスカンジウムに富む鉱物はありません。したがって、典型的な鉱物を形成する陰イオン（炭酸塩、CO ₃^2-、硫化物S ^2-など）は優先されないと言われています。

純粋な状態ではありません。最も安定な酸化物であるSc ₂ O _3も、他の金属またはケイ酸塩と結合して鉱物を定義しません。トルトベイタイト、ユーセナイト、ガドリナイトなど。

これら3つのミネラル（それ自体はまれ）はスカンジウムの主な天然源であり、ノルウェー、アイスランド、スカンジナビア、マダガスカルの地域で発見されています。

そうでなければ、Sc ³⁺イオンは、アクアマリンなどの一部の宝石やウラン鉱山に不純物として組み込まれる可能性があります。そして空の中で、星の中で、この要素は豊富に23位にランク付けされています。コスモス全体を考えるとかなり高いです。

産業廃棄物と廃棄物

スカンジウムも不純物として見つかると言われています。たとえば、TiO ₂顔料に含まれています。ウラン処理からの廃棄物とその放射性鉱物; 金属アルミニウムの生産におけるボーキサイト残留物。

ニッケルとコバルトのラテライトにも見られ、後者は将来のスカンジウムの有望な供給源です。

冶金的還元

スカンジウムの抽出を取り巻く途方もない困難は、自然状態または金属状態で得るのに非常に時間がかかりましたが、Sc ₂ O ₃を還元するのが難しいという事実が原因でした。Sc ^3+は O ^2-に対してTi ⁴⁺よりも高い親和性を^示すので（それぞれの酸化物のイオン特性が100％であると仮定）、TiO ₂よりもさらに優れています。

つまり、優れた還元剤（通常は炭素またはアルカリまたはアルカリ土類金属）を使用すると、Sc ₂ O ₃よりもTiO ₂を脱酸素する方が簡単です。これが、Sc ₂ O ₃が最初に還元の問題が少ない化合物に変換される理由です。フッ化スカンジウム、ScF _3など。次に、ScF ₃は金属カルシウムで還元されます。

2ScF ₃（s）+ 3Ca（s）=> 2ScF（s）+ 3CaF ₂（s）

Sc ₂ O ₃は、すでに述べた鉱物に由来するか、他の元素（ウランや鉄など）の抽出の副産物です。それはスカンジウムの商業的形態であり、その年間生産量（15トン）の低さは、岩石からの抽出に加えて、処理の高コストを反映しています。

電解

スカンジウムを生成する別の方法は、最初にその塩化物塩、ScCl _3を入手し、次にそれを電気分解にかけることです。したがって、金属スカンジウムは一方の電極（スポンジのような）で生成され、塩素ガスは他方の電極で生成されます。

反応

両性主義

スカンジウムは軽金属であることの特徴をアルミニウムと共有するだけでなく、両性でもあります。つまり、酸や塩基のように振る舞います。

たとえば、他の多くの遷移金属と同様に、強酸と反応して塩と水素ガスを生成します。

2Sc（s）+ 6HCl（aq）=> 2ScCl ₃（aq）+ 3H ₂（g）

そうすることで、それは塩基のように振る舞います（HClと反応します）。しかし、同じように、水酸化ナトリウムなどの強塩基と反応します。

2Sc（s）+ 6NaOH（aq）+ 6H ₂ O（l）=> 2Na ₃ Sc（OH）₆（aq）+ 3H ₂（g）

そして今、それは酸のように振る舞い（NaOHと反応）、スカンジウム酸塩を形成します。ナトリウム、Na ₃ Sc（OH）₆、スカンジウム酸アニオン、Sc（OH）₆^3-。

酸化

スカンジウムは空気にさらされると、それぞれの酸化物に酸化し始めます。熱源を使用すると、反応が促進され、自動触媒反応が起こります。この反応は、次の化学式で表されます。

4Sc（s）+ 3O ₂（g）=> 2Sc ₂ O ₃（s）

ハライド

スカンジウムはすべてのハロゲンと反応して、一般化学式ScX ₃（X = F、Cl、Brなど）のハロゲン化物を形成します。

たとえば、次の方程式に従ってヨウ素と反応します。

2Sc（s）+ 3I ₂（g）=> 2ScI ₃（s）

同じように、塩素、臭素、フッ素とも反応します。

水酸化物の形成

金属スカンジウムは水に溶解して、それぞれの水酸化物と水素ガスを生成します。

2Sc（s）+ 6H ₂ O（l）=> 2Sc（OH）₃（s）+ H ₂（g）

酸加水分解

水性³⁺錯体は、最終的にSc-（OH）-Scブリッジを形成するように加水分解され、3つのスカンジウム原子を持つクラスターを定義します。

リスク

その生物学的役割に加えて、スカンジウムの正確な生理学的および毒性学的影響は不明です。

その微細な固体が吸入され、それにより肺に損傷を引き起こさない限り、その元素形態では無毒であると考えられています。同様に、その化合物は毒性がゼロであると見なされているため、理論的にはその塩の摂取はリスクを表すものではありません。用量が高くない限り（ラットでテスト済み）。

ただし、これらの側面に関するデータは非常に限られています。したがって、スカンジウム化合物のいずれかが本当に無毒であるとは想定できません。金属が土壌や水に蓄積し、その後植物に伝わり、動物には伝わらない場合は、さらに少なくなります。

現時点では、スカンジウムはまだ重金属と比較して明白なリスクを表していません。カドミウム、水銀、鉛など。

用途

合金

スカンジウムの価格は、チタンやイットリウム自体のような他の金属と比較して高いですが、そのアプリケーションは、努力と投資の価値があります。その一つは、アルミニウム合金の添加剤として使用することです。

このようにして、Sc-Al合金（および他の金属）は軽さを保持しますが、高温（割れない）で腐食に対してさらに耐性があり、チタンと同じくらいの強度があります。

スカンジウムがこれらの合金に及ぼす影響は、スカンジウムが微量（0.5質量％未満）添加するだけで十分であり、その重量の大幅な増加を観察することなく、特性が大幅に向上します。1日大量に使用すると、航空機の重量を15〜20％削減できると言われています。

同様に、スカンジウム合金は、リボルバーのフレーム、または野球のバット、特殊な自転車、釣り竿、ゴルフクラブなどのスポーツ用品の製造に使用されてきました。チタン合金は安価なので、それらに取って代わる傾向があります。

これらの合金で最もよく知られているのは、Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti _30で、チタンと同じくらい強く、アルミニウムと同じくらい軽く、セラミックと同じくらい硬い。

3Dプリント

Sc-Al合金は、事前に選択されたソリッドにそれらの層を配置または追加するために、メタリック3Dプリントを作成するために使用されています。

スタジアムのイルミネーション

スタジアム内の灯台は、ヨウ化スカンジウムと水銀蒸気の作用により、太陽光を模倣しています。出典：Pexels。

ヨウ化スカンジウムScI _3を（ヨウ化ナトリウムとともに）水銀灯に追加して、太陽を模した人工照明を作成します。そのため、スタジアムや一部のスポーツフィールドでは、夜間であっても、室内の照明が白昼に試合を観戦するような感覚をもたらします。

同様の効果は、デジタルカメラ、テレビ画面、コンピューターモニターなどの電気機器にも使用されています。同様に、このような₃ HgのScIランプを備えたヘッドライトは、映画やテレビのスタジオに設置されています。

固体酸化物燃料電池

SOFCは、英語の頭字語（固体酸化物燃料電池）のため、電解媒体として酸化物またはセラミックを使用します。この場合、スカンジウムイオンを含む固体。これらのデバイスでの使用は、その優れた導電性と温度上昇を安定させる能力によるものです。そのため、過熱することなく機能します。

そのような固体酸化物の一例は、スカンジウムで安定化されたジルコナイト（再びＳｃ₂Ｏ₃として）である。

セラミックス

炭化スカンジウムとチタンは、ダイヤモンドに次ぐ、並外れた硬度のセラミックを構成しています。ただし、その使用は非常に高度なアプリケーションを持つ材料に制限されています。

有機配位結晶

Sc ³⁺イオンは、特にそれらが酸素化された分子である場合、複数の有機リガンドと調整できます。

これは、形成されたSc-O結合が非常に安定しているため、細孔の化学反応がトリガーされ、不均一な触媒のように振る舞う、驚くべき構造を持つ結晶を構築してしまうためです。または中性分子を収納し、固体の貯蔵庫のように振る舞います。

同様に、そのような有機スカンジウム配位結晶は、感覚物質、分子ふるい、またはイオン伝導体を設計するために使用できます。

参考文献

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