스칸듐 : 역사, 속성, 반응, 위험 및 용도 - 화학 - 2026

스칸듐은 그 화학 기호 Sc의 주기율표의 전이 금속의 제 인 전이 금속이며, 또한 적어도 공통 희토류 원소 중 하나이며; 그 속성이 란타나 이드의 속성과 비슷할 수 있지만 모든 저자가 이러한 방식으로 분류하는 것을 승인하는 것은 아닙니다.

대중적인 수준에서 그것은 눈에 띄지 않는 화학 원소입니다. 스칸디나비아의 희토류 광물에서 태어난 그 이름은 구리, 철 또는 금 옆에있을 수 있습니다. 그러나 여전히 인상적이며 합금의 물리적 특성은 티타늄과 경쟁 할 수 있습니다.

초순수 원소 스칸듐 샘플. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

또한 기술 세계, 특히 조명 및 레이저 측면에서 점점 더 많은 단계가 이루어지고 있습니다. 태양과 비슷한 빛을 발산하는 등대를 본 사람이라면 누구나 스칸듐의 존재를 간접적으로 목격했을 것입니다. 그렇지 않으면 항공기 제조에 유망한 항목입니다.

스칸듐 시장이 직면 한 주요 문제는 그것이 널리 분산되어 있고 미네랄이나 풍부한 공급원이 없다는 것입니다. 그래서 그것의 추출은 지각이 적은 금속이 아니더라도 비용이 많이 듭니다. 자연에서는 쉽게 환원 될 수없는 고체 인 산화물로 발견됩니다.

무기 또는 유기 화합물의 대부분에서 산화수가 +3 인 결합에 참여합니다. 즉, Sc ³⁺ 양이온의 존재를 가정합니다 . 스칸듐은 비교적 강한 산이며 유기 분자의 산소 원자와 매우 안정적인 배위 결합을 형성 할 수 있습니다.

역사

스칸듐은 1879 년 스위스 화학자 Lars F. Nilson에 의해 화학 원소로 인식되었습니다. 그는 광물에 포함 된 이트륨을 얻기 위해 유 크세 나이트와가 돌리 나이트 광물로 작업했습니다. 그는 분광 분석 (원자 방출 스펙트럼) 연구 덕분에 흔적에 알려지지 않은 원소가 있음을 발견했습니다.

광물에서 그와 그의 팀은 스칸디나비아에서 샘플을 확실하게 수집하여 얻은 이름 인 각각의 스칸듐 산화물을 얻었습니다. 그때까지 희토류라고 불린 광물.

그러나 8 년 전인 1871 년에 드미트리 멘델레예프는 스칸듐의 존재를 예측했습니다. 그러나 ekaboro라는 이름으로 화학적 특성이 붕소와 유사하다는 것을 의미합니다.

그리고 실제로 스칸듐을 ekaboro에 돌린 것은 스위스의 화학자 Per Teodor Cleve였습니다. 따라서 동일한 화학 원소입니다. 특히 주기율표에서 전이 금속 블록을 시작하는 것입니다.

1937 년에 Werner Fischer와 그의 협력자들이 칼륨, 리튬 및 염화 스칸듐 혼합물의 전기 분해를 통해 금속 스칸듐 (그러나 불순물)을 분리 할 수 ​​있었을 때 수년이 지났습니다. 1960 년이 되어서야 마침내 99 % 정도의 순도로 얻을 수있었습니다.

구조 및 전자 구성

원소 스칸듐 (원산 및 순수)은 두 가지 구조 (동소체)로 결정화 될 수 있습니다 : 소형 육각형 (hcp) 및 체심 입방체 (bcc). 첫 번째는 일반적으로 α 단계라고하고 두 번째는 β 단계라고합니다.

밀도가 더 높은 육각형 α상은 주변 온도에서 안정적입니다. 밀도가 낮은 입방 β상은 1337ºC 이상에서 안정적입니다. 따라서이 마지막 온도에서 두 상 또는 동소체 (금속의 경우)간에 전이가 발생합니다.

스칸듐은 일반적으로 hcp 고체로 결정화되지만 매우 조밀 한 금속으로 만들지는 않습니다. 적어도 알루미늄보다는 그렇습니다. 전자 구성에서 일반적으로 금속 결합에 어떤 전자가 참여하는지 알 수 있습니다.

3d ¹ 4s ²

따라서 3d 및 4s 궤도의 세 전자는 Sc 원자가 결정에 위치하는 방식에 개입합니다.

육각형 결정으로 압축하려면 핵의 인력은 내부 껍질의 전자에 의해 약하게 차폐 된이 세 전자가 Sc 원자에서 너무 멀리 떨어져 있지 않고 결과적으로 그들 사이의 거리가 좁아 지도록해야합니다.

고압 단계

α 및 β 단계는 온도 변화와 관련이 있습니다. 그러나 금속 니오븀 Nb와 유사한 정방 정상이 있는데, 이는 금속 스칸듐이 20GPa 이상의 압력을받을 때 발생합니다.

산화 번호

스칸듐은 최대 3 개의 원자가 전자 (3d ¹ 4s ² ) 까지 잃을 수 있습니다 . 이론적으로 가장 먼저 "가는"것은 4s 궤도에있는 것입니다.

따라서 화합물에 Sc ⁺ 양이온이 존재한다고 가정하면 산화 수는 +1입니다. 이것은 그가 4s 궤도 (3d ¹ 4s ¹ ) 에서 전자를 잃었다 고 말하는 것과 같습니다 .

Sc ²⁺ 이면 산화수는 +2가되며 두 개의 전자를 잃게됩니다 (3d ¹ 4s ⁰ ). 그리고 그것이이 양이온들 중 가장 안정한 Sc ³⁺ 이면, 그것은 +3의 산화수를 가질 것이고 아르곤과 등 전자입니다.

요컨대, 산화수는 +1, +2, +3입니다. 예를 들어 Sc ₂ O ₃ 에서 Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- )의 존재를 가정하기 때문에 스칸듐의 산화수는 +3 입니다.

속성

외모

은백색 금속으로 순수하고 원소 형태로 부드럽고 매끄러운 질감을가집니다. 산화층 (Sc ₂ O ₃ ) 으로 덮기 시작하면 노란색을 띠는 분홍색 톤을 얻습니다 .

몰 질량

44.955g / 몰.

녹는 점

1541 ° C

비점

2836 ° C

몰 열용량

25.52 J / (몰 · K).

융합 열

14.1 kJ / 몰.

기화열

332.7 kJ / 몰.

열 전도성

20 ° C에서 66 µΩ · cm

밀도

2.985g / mL, 고체 및 2.80g / mL, 액체. 고체 밀도는 알루미늄 (2.70g / mL)에 가깝습니다. 즉, 두 금속 모두 매우 가볍습니다. 그러나 스칸듐은 더 높은 온도에서 녹습니다 (알루미늄의 녹는 점은 660.3ºC).

전기 음성도

1.36 폴링 척도.

이온화 에너지

첫째 : 633.1 kJ / mol (Sc ⁺ 기체).

둘째 : 1235.0 kJ / mol (Sc ²⁺ 기체).

셋째 : 2388.6 kJ / mol (Sc ³⁺ 가스).

원자 라디오

오후 162.

자기 주문

상자성.

동위 원소

스칸듐의 모든 동위 원소 중에서 ⁴⁵ Sc는 총 풍부도의 거의 100 %를 차지합니다 (이는 45u에 매우 가까운 원자량에 반영됩니다).

나머지는 반감기가 다른 방사성 동위 원소로 구성됩니다. 예 : ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83.8 일), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3.35 일), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 시간) 및 ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43.7 시간). 다른 방사성 동위 원소의 t _1/2 은 4 시간 미만입니다.

신맛

Sc ³⁺ 양이온 은 비교적 강한 산입니다. 예를 들어, 물에서 수성 복합체 ^3+를 형성 할 수 있으며 , 이는 가수 분해의 산물로 H ₃ O ⁺ 이온 을 생성하기 때문에 pH를 7 미만의 값으로 바꿀 수 있습니다 .

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

스칸듐의 산성도는 루이스 정의에 따라 해석 될 수 있습니다. 그것은 전자를 받아들이는 경향이 높기 때문에 배위 복합체를 형성하는 경향이 있습니다.

조정 번호

스칸듐의 중요한 특성은 대부분의 무기 화합물, 구조 또는 유기 결정에서 배위 수가 6이라는 것입니다. 이는 Sc가 6 개의 이웃으로 둘러싸여 있음을 의미합니다 (또는 6 개의 결합을 형성 함). 위의 복잡한 수성 ³⁺ 는 가장 간단한 예입니다.

결정에서 Sc의 중심은 팔면체입니다. 다른 이온 (이온 성 고체) 또는 공유 결합 된 중성 원자 (공유 고체)와 상호 작용합니다.

후자의 예는 Al이 있는데, 이는 Sc 원자 사이의 다리 역할을하는 AcO 그룹 (아세틸 옥시 또는 아세 톡시)과 함께 사슬 구조를 형성합니다.

명명법

거의 기본적으로 대부분의 화합물에서 스칸듐의 산화수는 +3이기 때문에 고유 한 것으로 간주되고 따라서 명명법이 상당히 단순화됩니다. 알칼리 금속이나 알루미늄 자체에서 발생하는 것과 매우 유사합니다.

예를 들어, 산화물 Sc ₂ O _{3를 고려하십시오} . 동일한 화학식이 미리 스칸듐에 대해 +3의 산화 상태를 나타냅니다. 따라서,이 복합 스칸듐이라고 부르기 위해 다른 것과 마찬가지로 체계적이고 재고가 있으며 전통적인 명명법이 사용됩니다.

Sc ₂ O ₃ 은 스톡 명명법에 따라 (III)을 생략 한 스칸듐 산화물입니다 (유일하게 가능한 산화 상태는 아니지만). 전통적인 명명법에 따라 이름 끝에 접미사 –ico가있는 scandic oxide; 그리고 체계적인 명명법의 그리스 숫자 접두사의 규칙을 따르는 삼산화 디 스칸듐.

생물학적 역할

현재 스칸듐에는 정의 된 생물학적 역할이 없습니다. 즉, 신체가 Sc ³⁺ 이온을 어떻게 축적하거나 동화시킬 수 있는지는 알 수 없습니다 . Ca ²⁺ 또는 Fe ³⁺ 이온과 유사하지만 세포에 영향을 미치는 특정 효소가 보조 인자로 사용할 수 있습니다 .

그러나 Sc ³⁺ 이온 은 Fe ³⁺ 이온의 대사를 방해하여 항균 효과를 발휘 하는 것으로 알려져 있습니다.

의학 분야의 일부 통계 연구는이를 위장 장애, 비만, 당뇨병, 뇌성 연수 막염 및 기타 질병과 연관시킬 수 있습니다. 그러나 충분히 깨달은 결과가 없습니다.

마찬가지로, 식물은 보통 잎이나 줄기가 아니라 뿌리와 결절에 상당한 양의 스칸듐을 축적합니다. 따라서 바이오 매스의 농도가 낮고 생리적 기능에 거의 참여하지 않고 결과적으로 토양에 더 많이 축적된다는 것을 의미한다고 주장 할 수 있습니다.

찾아서 생산하는 곳

미네랄과 별

스칸듐은 다른 화학 원소만큼 풍부하지는 않지만 지각에 존재하는 그 존재는 수은과 일부 귀금속의 존재를 초과합니다. 사실, 그것의 풍부함은 코발트와 베릴륨의 그것과 비슷합니다. 암석 1 톤당 22g의 스칸듐을 추출 할 수 있습니다.

문제는 그들의 원자가 위치하지 않고 흩어져 있다는 것입니다. 즉, 질량 구성에서 스칸듐이 정확하게 풍부한 미네랄이 없습니다. 따라서 일반적인 미네랄 형성 음이온 (예 : 탄산염, CO ₃ ^2- 또는 황화물, S ^2- )을 선호하지 않는다고 합니다.

순수한 상태가 아닙니다. 다른 금속이나 규산염과 결합하여 광물을 정의 하는 가장 안정적인 산화물 인 Sc ₂ O ₃ 도 아닙니다 . thortveitite, euxenite 및 gadolinite와 같은.

이 세 가지 광물 (그 자체로 드물게)은 스칸듐의 주요 천연 공급원을 나타내며 노르웨이, 아이슬란드, 스칸디나비아 및 마다가스카르 지역에서 발견됩니다.

그렇지 않으면 Sc ³⁺ 이온 이 아쿠아 마린과 같은 일부 보석이나 우라늄 광산에 불순물로 포함될 수 있습니다. 그리고 하늘에서, 별 안에서,이 요소는 풍부하게 23 위를 차지합니다. 전체 코스모스를 고려하면 상당히 높습니다.

산업 폐기물 및 폐기물

스칸듐은 불순물로도 발견 될 수 있다고합니다. 예를 들어 TiO ₂ 안료에서 발견됩니다 . 우라늄 가공 폐기물 및 방사성 광물; 그리고 금속 알루미늄 생산의 보크 사이트 잔류 물에서.

니켈과 코발트 라테라이트에서도 발견되며, 후자는 미래에 유망한 스칸듐 공급원이 될 것입니다.

야금 감소

스칸듐 추출을 둘러싼 엄청난 어려움은 자연 상태 또는 금속 상태에서 얻기까지 너무 오래 걸렸는데, Sc ₂ O ₃ 는 환원하기 어렵다는 사실 때문이었습니다 . Sc ^3+는 O ^2-에 대해 Ti ⁴⁺ 보다 더 큰 친 화성을 ^{나타 내기} 때문에 TiO ₂ 보다 훨씬 더 많다 (각 산화물에서 100 % 이온 특성을 가정).

즉, 좋은 환원제 (일반적으로 탄소 또는 알칼리 또는 알칼리 토금속)를 사용하여 Sc ₂ O ₃ 보다 TiO _2를 탈산 소화하는 것이 더 쉽습니다 . 이것이 Sc ₂ O ₃ 가 먼저 환원이 덜 문제가되는 화합물로 변환되는 이유입니다 . 스칸듐 플루오 라이드와 같은 ScF ₃ . 다음으로 ScF ₃ 은 금속 칼슘으로 감소됩니다.

2ScF ₃ (초) + 3Ca (초) => 2Sc (초) + 3CaF ₂ (초)

Sc ₂ O ₃ 는 이미 언급 한 광물에서 나오거나 다른 원소 (우라늄 및 철과 같은) 추출의 부산물입니다. 스칸듐의 상업적 형태이며 연간 생산량 (15 톤)이 낮기 때문에 암석에서 추출하는 것 외에도 높은 가공 비용이 반영됩니다.

전기 분해

스칸듐을 생산하는 또 다른 방법은 먼저 염화물 염인 ScCl _3을 얻은 다음 전기 분해하는 것입니다. 따라서 금속 스칸듐은 한 전극 (스펀지처럼)에서 생성되고 염소 가스가 다른 전극에서 생성됩니다.

반응

양쪽 성

스칸듐은 알루미늄과 경금속의 특성을 공유 할뿐만 아니라 양쪽 성입니다. 즉, 그들은 산과 염기처럼 행동합니다.

예를 들어, 다른 많은 전이 금속과 마찬가지로 강산과 반응하여 염과 수소 가스를 생성합니다.

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

이렇게하면 염기처럼 행동합니다 (HCl과 반응). 그러나 같은 방식으로 수산화 나트륨과 같은 강한 염기와 반응합니다.

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

그리고 이제 그것은 산처럼 행동 (NaOH와 반응)하여 스캔 데이트 염을 형성합니다. 나트륨, Na ₃ Sc (OH) ₆ , scandate 음이온 Sc (OH) ₆ ^3- .

산화

공기에 노출되면 스칸듐이 각각의 산화물로 산화되기 시작합니다. 열원이 사용되면 반응이 가속화되고 자동 촉매됩니다. 이 반응은 다음 화학 방정식으로 표시됩니다.

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

할로겐화물

스칸듐은 모든 할로겐과 반응하여 일반 화학식 ScX ₃ (X = F, Cl, Br 등)의 할로겐화물을 형성 합니다.

예를 들어, 다음 방정식에 따라 요오드와 반응합니다.

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

같은 방식으로 염소, 브롬 및 불소와 반응합니다.

수산화물 형성

금속 스칸듐은 물에 용해되어 각각의 수산화물과 수소 가스를 생성 할 수 있습니다.

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

산 가수 분해

수성 ³⁺ 복합체 는 3 개의 스칸듐 원자로 클러스터를 정의 할 때까지 Sc- (OH) -Sc 브릿지를 형성하는 방식으로 가수 분해 될 수 있습니다.

위험

생물학적 역할 외에도 스칸듐의 정확한 생리 및 독성 효과는 알려져 있지 않습니다.

원소 형태에서는 미세하게 분리 된 고체를 흡입하여 폐에 손상을 입히지 않는 한 독성이없는 것으로 여겨집니다. 마찬가지로, 그 화합물은 독성이 전혀 없기 때문에 이론상 염분 섭취가 위험을 나타내서는 안됩니다. 복용량이 높지 않은 한 (쥐에서 테스트).

그러나 이러한 측면에 관한 데이터는 매우 제한적입니다. 그러므로 어떤 스칸듐 화합물도 진정으로 무독성이라고 가정 할 수 없습니다. 금속이 토양과 물에 축적되어 식물과 동물에게 전달되는 경우는 더 적습니다.

현재 스칸듐은 여전히 ​​중금속에 비해 뚜렷한 위험을 나타내지 않습니다. 카드뮴, 수은 및 납과 같은.

응용

합금

스칸듐의 가격은 티타늄이나 이트륨 자체와 같은 다른 금속에 비해 비싸지 만 그 적용은 결국 노력과 투자의 가치가 있습니다. 그중 하나는 알루미늄 합금의 첨가제로 사용하는 것입니다.

이러한 방식으로 Sc-Al 합금 (및 기타 금속)은 가벼움을 유지하지만 부식에 더 강하고 고온에서 (균열이 없음) 티타늄만큼 강합니다.

스칸듐이 이러한 합금에 미치는 영향은 너무나도 많기 때문에 무게가 눈에 띄게 증가하는 것을 관찰하지 않고 속성을 크게 향상시키기 위해 미량 (질량 기준 0.5 % 미만)으로 첨가해도 충분합니다. 하루 대량으로 사용하면 항공기 중량을 15 ~ 20 % 줄일 수 있다고한다.

마찬가지로, 스칸듐 합금은 리볼버 프레임이나 야구 방망이, 특수 자전거, 낚싯대, 골프 클럽 등과 같은 스포츠 용품 제조에 사용되었습니다. 티타늄 합금이 더 싸기 때문에 대체하는 경향이 있지만.

이 합금 중 가장 잘 알려진 것은 Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ 으로 티타늄만큼 강하고 알루미늄만큼 가볍고 세라믹만큼 단단합니다.

3D 프린팅

Sc-Al 합금은 미리 선택된 솔리드에 레이어를 배치하거나 추가하기 위해 금속 3D 프린트를 만드는 데 사용되었습니다.

경기장 조명

경기장의 등대는 수은 증기와 함께 요오드화 스칸듐의 작용 덕분에 햇빛을 모방합니다. 출처 : Pexels.

스칸듐 요오드화물, ScI ₃ 는 수은 증기 램프에 (요오드화 나트륨과 함께) 첨가되어 태양을 모방 한 인공 조명을 만듭니다. 그렇기 때문에 경기장이나 일부 운동장에서는 심지어 밤에도 내부 조명이 대낮에 경기를 보는듯한 느낌을줍니다.

유사한 효과가 디지털 카메라, 텔레비전 화면 또는 컴퓨터 모니터와 같은 전기 장치에 사용되었습니다. 마찬가지로 이러한 _3- Hg ScI 램프 가 장착 된 헤드 라이트 는 영화 및 TV 스튜디오에 배치되었습니다.

고체 산화물 연료 전지

SOFC는 영어 (고체 산화물 연료 전지)의 두문자어로 산화물 또는 세라믹을 전해 매질로 사용합니다. 이 경우 스칸듐 이온을 포함하는 고체입니다. 이러한 장치에 사용되는 것은 전기 전도도가 높고 온도 상승을 안정화하는 능력 때문입니다. 과열없이 작동합니다.

이러한 고체 산화물의 한 예는 스칸듐 안정화 지르 코 나이트 ( 다시 Sc ₂ O ₃ )입니다.

세라믹

스칸듐 카바이드와 티타늄은 다이아몬드에 이어 두 번째로 뛰어난 경도의 세라믹을 구성합니다. 그러나 그 사용은 매우 고급 응용 분야의 재료로 제한됩니다.

유기 배위 결정

Sc ³⁺ 이온 은 특히 ​​산소 분자 인 경우 여러 유기 리간드와 조화를 ^이룰 수 있습니다.

이것은 형성된 Sc-O 결합이 매우 안정적이기 때문에 결국 놀라운 구조를 가진 결정을 만들어 내고, 그 안에서 화학 반응이 이질적인 촉매처럼 행동 할 수 있습니다. 또는 고체 저장고처럼 행동하는 중성 분자를 수용합니다.

마찬가지로, 이러한 유기 스칸듐 배위 결정은 감각 물질, 분 자체 또는 이온 전도체를 설계하는 데 사용할 수 있습니다.

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