SKANDIUM: SEJARAH, SIFAT, REAKSI, RISIKO DAN KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The skandium adalah logam transisi yang simbol kimia adalah Sc adalah yang pertama dari logam transisi dalam tabel periodik, tetapi juga merupakan salah satu unsur tanah jarang paling umum .; Meskipun propertinya mungkin mirip dengan lantanida, tidak semua penulis setuju untuk mengklasifikasikannya sedemikian rupa.

Pada tingkat populer, ini adalah unsur kimia yang tidak diperhatikan. Namanya, lahir dari mineral tanah jarang dari Skandinavia, mungkin saat ini di samping tembaga, besi atau emas. Namun, itu tetap mengesankan, dan sifat fisik paduannya dapat bersaing dengan titanium.

Sampel skandium elemental ultra murni. Sumber: Gambar Elemen Kimia Resolusi Tinggi

Selain itu, semakin banyak langkah yang dilakukan di dunia teknologi, terutama dalam hal pencahayaan dan laser. Siapapun yang pernah mengamati mercusuar yang memancarkan cahaya mirip matahari, secara tidak langsung akan menyaksikan keberadaan skandium. Kalau tidak, itu adalah barang yang menjanjikan untuk pembuatan pesawat terbang.

Masalah utama yang dihadapi pasar skandium adalah penyebarannya yang luas, dan tidak ada mineral atau sumber yang kaya; jadi ekstraksi mahal, bahkan jika itu bukan logam dengan kelimpahan rendah di kerak bumi. Di alam itu ditemukan sebagai oksidanya, padatan yang tidak dapat dengan mudah direduksi.

Sebagian besar senyawanya, anorganik atau organik, berpartisipasi dalam ikatan dengan bilangan oksidasi +3; yaitu, dengan asumsi adanya kation Sc ³⁺ . Skandium adalah asam yang relatif kuat, dan dapat membentuk ikatan koordinasi yang sangat stabil dengan atom oksigen dari molekul organik.

Sejarah

Skandium diakui sebagai unsur kimia pada tahun 1879, oleh ahli kimia Swiss Lars F. Nilson. Dia bekerja dengan mineral euxenite dan gadolinite dengan tujuan mendapatkan yttrium yang terkandung di dalamnya. Dia menemukan bahwa ada unsur yang tidak diketahui dalam jejaknya berkat studi analisis spektroskopi (spektrum emisi atom).

Dari mineralnya, ia dan timnya berhasil mendapatkan oksida skandium masing-masing, nama yang diterima karena pasti mengumpulkan sampel dari Skandinavia; mineral yang saat itu disebut tanah jarang.

Namun delapan tahun sebelumnya, tepatnya pada tahun 1871, Dmitri Mendeleev telah meramalkan adanya skandium; Namun dengan nama ekaboro yang berarti sifat kimianya mirip dengan boron.

Dan ternyata ahli kimia Swiss Per Teodor Cleve yang mengaitkan skandium dengan ekaboro, sehingga menjadi unsur kimianya yang sama. Secara khusus, yang memulai blok logam transisi dalam tabel periodik.

Bertahun-tahun telah berlalu ketika pada tahun 1937, Werner Fischer dan rekan-rekannya, berhasil mengisolasi skandium logam (tetapi tidak murni), melalui elektrolisis campuran kalium, litium, dan skandium klorida. Baru pada tahun 1960 akhirnya bisa diperoleh dengan kemurnian sekitar 99%.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Skandium unsur (asli dan murni) dapat mengkristal menjadi dua struktur (alotrop): heksagonal kompak (hcp) dan kubik berpusat tubuh (bcc). Yang pertama biasanya disebut sebagai fase α, dan yang kedua disebut fase β.

Fase α heksagonal yang lebih padat stabil pada suhu kamar; sedangkan fase β kubik yang kurang padat stabil di atas 1337 ºC. Jadi, pada suhu terakhir ini terjadi transisi antara kedua fasa atau alotrop (dalam kasus logam).

Perhatikan bahwa meskipun skandium biasanya mengkristal menjadi hcp padat, skandium tidak menjadikannya logam yang sangat padat; setidaknya, ya lebih dari aluminium. Dari konfigurasi elektroniknya dapat diketahui elektron mana yang secara normal berpartisipasi dalam ikatan metalik:

3d ¹ 4s ²

Oleh karena itu, tiga elektron dari orbital 3d dan 4s mengintervensi cara penempatan atom Sc dalam kristal.

Untuk memadatkan menjadi kristal heksagonal, tarikan nukleusnya harus sedemikian rupa sehingga ketiga elektron ini, yang terlindung lemah oleh elektron kulit bagian dalam, tidak menyimpang terlalu jauh dari atom Sc dan, akibatnya, jarak di antara mereka sempit.

Fase tekanan tinggi

Fase α dan β dikaitkan dengan perubahan suhu; akan tetapi, ada fase tetragonal, mirip dengan logam niobium, Nb, yang dihasilkan ketika skandium logam mengalami tekanan lebih dari 20 GPa.

Bilangan oksidasi

Skandium dapat kehilangan maksimum tiga elektron valensinya (3d ¹ 4s ² ). Secara teori, yang pertama "pergi" adalah orbital 4s.

Jadi, dengan asumsi adanya kation Sc ⁺ dalam senyawa, bilangan oksidasinya +1; yang sama dengan mengatakan bahwa ia kehilangan elektron dari orbital 4s (3d ¹ 4s ¹ ).

Jika Sc ²⁺ , bilangan oksidasinya +2, dan akan kehilangan dua elektron (3d ¹ 4s ⁰ ); dan jika Sc ³⁺ , yang paling stabil dari kation ini, akan memiliki bilangan oksidasi +3, dan bersifat isoelektronik terhadap argon.

Singkatnya, bilangan oksidasinya adalah: +1, +2, dan +3. Misalnya, dalam Sc ₂ O ₃ bilangan oksidasi skandium adalah +3 karena diasumsikan adanya Sc ³⁺ (Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ).

Properti

Penampilan fisik

Ini adalah logam putih keperakan dalam bentuk murni dan elemental, dengan tekstur lembut dan halus. Ini memperoleh nada merah muda kekuningan ketika mulai ditutupi dengan lapisan oksida (Sc ₂ O ₃ ).

Masa molar

44,955 g / mol.

Titik lebur

1541 ° C.

Titik didih

2836 ° C.

Kapasitas panas molar

25,52 J / (mol · K).

Panas fusi

14,1 kJ / mol.

Panas penguapan

332,7 kJ / mol.

Konduktivitas termal

66 µΩ · cm pada 20 ° C.

Massa jenis

2.985 g / mL, padat, dan 2.80 g / mL, cair. Perhatikan bahwa massa jenis padatannya mendekati aluminium (2,70 g / mL), yang berarti kedua logam tersebut sangat ringan; tetapi skandium meleleh pada suhu yang lebih tinggi (titik leleh aluminium adalah 660,3 ºC).

Elektronegativitas

1,36 pada skala Pauling.

Energi ionisasi

Pertama: 633.1 kJ / mol (Sc ⁺ gas).

Kedua: 1235.0 kJ / mol (Sc ²⁺ gas).

Ketiga: 2388,6 kJ / mol ( gas Sc ³⁺ ).

Radio atom

162 sore.

Urutan magnetis

Paramagnetik.

Isotop

Dari semua isotop skandium, ⁴⁵ Sc menempati hampir 100% dari total kelimpahan (ini tercermin dalam berat atomnya yang sangat mendekati 45 u).

Yang lain terdiri dari radioisotop dengan waktu paruh berbeda; seperti ⁴⁶ Sc (t _1/2 = 83,8 hari), ⁴⁷ Sc (t _1/2 = 3,35 hari), ⁴⁴ Sc (t _1/2 = 4 jam), dan ⁴⁸ Sc (t _1/2 = 43,7 jam). Radioisotop lain memiliki t _1/2 kurang dari 4 jam.

Keasaman

Kation Sc ³⁺ adalah asam yang relatif kuat. Misalnya, dalam air dapat membentuk kompleks berair ³⁺ , yang pada gilirannya dapat mengubah pH menjadi nilai di bawah 7, karena ia menghasilkan ion H ₃ O ⁺ sebagai produk hidrolisasinya:

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

Keasaman skandium juga dapat diinterpretasikan menurut definisi Lewis: ia memiliki kecenderungan tinggi untuk menerima elektron dan, oleh karena itu, membentuk kompleks koordinasi.

Nomor koordinasi

Sifat penting dari skandium adalah bahwa bilangan koordinasinya, pada sebagian besar senyawa anorganik, struktur atau kristal organiknya, adalah 6; itu berarti Sc dikelilingi oleh enam tetangga (atau membentuk enam ikatan). Di atas, air kompleks ³⁺ adalah contoh paling sederhana dari semuanya.

Dalam kristal, pusat Sc adalah oktahedral; baik berinteraksi dengan ion lain (dalam padatan ionik), atau dengan atom netral yang terikat secara kovalen (dalam padatan kovalen).

Contoh yang terakhir kita punya al, yang membentuk struktur rantai dengan gugus AcO (asetoksi atau asetoksi) yang bertindak sebagai jembatan antara atom Sc.

Tata nama

Karena hampir secara default bilangan oksidasi skandium di sebagian besar senyawanya adalah +3, ini dianggap unik dan oleh karena itu nomenklaturnya disederhanakan secara signifikan; sangat mirip seperti yang terjadi pada logam alkali atau aluminium itu sendiri.

Misalnya, perhatikan oksidanya, Sc ₂ O ₃ . Rumus kimia yang sama menunjukkan sebelumnya bilangan oksidasi +3 untuk skandium. Jadi, untuk menyebut skandium majemuk ini, dan seperti yang lainnya, digunakan tata nama sistematis, stok, dan tradisional.

Sc ₂ O ₃ kemudian merupakan oksida skandium, menurut nomenklatur stok, menghilangkan (III) (meskipun ini bukan satu-satunya bilangan oksidasi yang mungkin); oksida skandik, dengan akhiran –ico di akhir nama menurut nomenklatur tradisional; dan diescandium trioxide, mematuhi aturan prefiks numerik Yunani dari nomenklatur sistematis.

Peran biologis

Skandium, untuk saat ini, tidak memiliki peran biologis yang jelas. Artinya, tidak diketahui bagaimana tubuh dapat mengakumulasi atau mengasimilasi ion Sc ³⁺ ; enzim spesifik mana yang dapat menggunakannya sebagai kofaktor, jika memberikan pengaruh pada sel, meskipun serupa, dengan ion Ca ²⁺ atau Fe ³⁺ .

Diketahui, bagaimanapun, bahwa ion Sc ³⁺ memberikan efek antibakteri mungkin dengan mengganggu metabolisme ion Fe ³⁺ .

Beberapa studi statistik dalam pengobatan mungkin menghubungkannya dengan gangguan perut, obesitas, diabetes, leptomeningitis serebral dan penyakit lainnya; tetapi tanpa hasil yang cukup mencerahkan.

Demikian pula, tanaman biasanya tidak mengumpulkan skandium dalam jumlah yang cukup besar di daun atau batangnya, tetapi di akar dan bintilnya. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa konsentrasinya dalam biomassa buruk, menunjukkan sedikit partisipasi dalam fungsi fisiologisnya dan, akibatnya, akhirnya terakumulasi lebih banyak di tanah.

Di mana menemukan dan produksi

Mineral dan bintang

Skandium mungkin tidak sebanyak unsur kimia lainnya, tetapi keberadaannya di kerak bumi melebihi merkuri dan beberapa logam mulia. Faktanya, kelimpahannya mendekati kelimpahan kobalt dan berilium; Untuk setiap ton batuan, 22 gram skandium dapat diekstraksi.

Masalahnya adalah bahwa atom-atomnya tidak terletak tetapi tersebar; Artinya, tidak ada mineral yang justru kaya skandium dalam komposisi massanya. Oleh karena itu, dikatakan tidak memiliki preferensi untuk setiap anion pembentuk mineral tipikal (seperti karbonat, CO ₃ ^2- , atau sulfida, S ^2- ).

Itu tidak dalam keadaan murni. Juga bukan oksida paling stabilnya, Sc ₂ O ₃ , yang bergabung dengan logam atau silikat lain untuk menentukan mineral; seperti thortveitite, euxenite dan gadolinite.

Ketiga mineral ini (langka dengan sendirinya) mewakili sumber alami utama Skandium, dan ditemukan di wilayah Norwegia, Islandia, Skandinavia, dan Madagaskar.

Jika tidak, ion Sc ³⁺ dapat tercampur sebagai pengotor di beberapa batu permata, seperti aquamarine, atau di tambang uranium. Dan di langit, di dalam bintang-bintang, elemen ini berada di peringkat nomor 23 dalam jumlah banyak; cukup tinggi jika seluruh Cosmos dipertimbangkan.

Limbah dan limbah industri

Baru saja dikatakan bahwa skandium juga dapat ditemukan sebagai pengotor. Misalnya, ditemukan pada pigmen TiO ₂ ; dalam limbah dari pengolahan uranium, serta mineral radioaktifnya; dan residu bauksit dalam produksi aluminium logam.

Ia juga ditemukan di laterit nikel dan kobalt, yang terakhir menjadi sumber skandium yang menjanjikan di masa depan.

Reduksi metalurgi

Kesulitan yang luar biasa seputar ekstraksi skandium, yang membutuhkan waktu lama untuk didapatkan dalam keadaan asli atau logam, disebabkan oleh fakta bahwa Sc ₂ O ₃ sulit untuk direduksi; bahkan lebih dari TiO ₂ , karena Sc ^{3+ menunjukkan} afinitas yang lebih besar daripada Ti ⁴⁺ terhadap O ^2- (dengan asumsi 100% karakter ionik dalam masing-masing oksidanya).

Artinya, lebih mudah untuk mende-oksigen TiO ₂ daripada Sc ₂ O ₃ dengan agen pereduksi yang baik (biasanya logam karbon atau alkali atau alkali tanah). Itulah sebabnya Sc ₂ O ₃ pertama-tama diubah menjadi senyawa yang reduksinya tidak terlalu bermasalah; seperti skandium fluorida, ScF ₃ . Selanjutnya, ScF ₃ direduksi dengan kalsium logam:

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

Sc ₂ O ₃ baik berasal dari mineral yang telah disebutkan, atau merupakan produk sampingan dari ekstraksi unsur lain (seperti uranium dan besi). Ini adalah bentuk skandium komersial, dan produksi tahunannya yang rendah (15 ton) mencerminkan tingginya biaya pemrosesan, selain ekstraksi dari bebatuan.

Elektrolisa

Metode lain untuk menghasilkan skandium adalah dengan terlebih dahulu mendapatkan garam klorida, ScCl ₃ , dan kemudian dielektrolisis. Jadi, skandium logam diproduksi di satu elektroda (seperti spons), dan gas klor diproduksi di elektroda lainnya.

Reaksi

Amfoterisme

Skandium tidak hanya berbagi karakteristik dengan aluminium sebagai logam ringan, tetapi juga amfoter; artinya, mereka berperilaku seperti asam dan basa.

Misalnya, ia bereaksi, seperti banyak logam transisi lainnya, dengan asam kuat untuk menghasilkan garam dan gas hidrogen:

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

Dengan demikian, ia berperilaku seperti basa (bereaksi dengan HCl). Tapi, dengan cara yang sama ia bereaksi dengan basa kuat, seperti natrium hidroksida:

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

Dan sekarang ia berperilaku seperti asam (bereaksi dengan NaOH), membentuk garam skandat; bahwa natrium, Na ₃ Sc (OH) ₆ , dengan anion skandat, Sc (OH) ₆ ^3- .

Oksidasi

Saat terkena udara, skandium mulai teroksidasi menjadi oksidanya masing-masing. Reaksi dipercepat dan dikatalisis secara otomatis jika sumber panas digunakan. Reaksi ini diwakili oleh persamaan kimia berikut:

4Sc (s) + 3O ₂ (g) => 2Sc ₂ O ₃ (s)

Halida

Skandium bereaksi dengan semua halogen membentuk halida dari rumus kimia umum ScX ₃ (X = F, Cl, Br, dll.).

Misalnya, ia bereaksi dengan yodium menurut persamaan berikut:

2Sc (s) + 3I ₂ (g) => 2ScI ₃ (s)

Dengan cara yang sama ia bereaksi dengan klor, brom dan fluor.

Pembentukan hidroksida

Skandium logam dapat larut dalam air menghasilkan hidroksida dan gas hidrogen masing-masing:

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

Hidrolisis asam

Kompleks berair ³⁺ dapat dihidrolisis sedemikian rupa sehingga akhirnya membentuk jembatan Sc- (OH) -Sc, hingga membentuk gugus dengan tiga atom skandium.

Resiko

Selain peran biologisnya, efek fisiologis dan toksikologis yang tepat dari skandium tidak diketahui.

Dalam bentuk unsurnya diyakini tidak beracun, kecuali padatan yang terbelah halus dihirup, sehingga menyebabkan kerusakan pada paru-paru. Demikian juga, senyawanya tidak memiliki toksisitas, sehingga konsumsi garamnya secara teori seharusnya tidak menimbulkan risiko apa pun; asalkan dosisnya tidak tinggi (diujicobakan pada tikus).

Namun data mengenai aspek-aspek tersebut sangat terbatas. Oleh karena itu, tidak dapat diasumsikan bahwa salah satu senyawa skandium benar-benar tidak beracun; apalagi jika logam dapat terakumulasi di tanah dan air, kemudian berpindah ke tumbuhan, dan pada tingkat yang lebih rendah, ke hewan.

Saat ini, skandium masih belum menunjukkan risiko yang nyata dibandingkan dengan logam yang lebih berat; seperti kadmium, merkuri, dan timbal.

Aplikasi

Paduan

Meskipun harga skandium tinggi dibandingkan dengan logam lain seperti titanium atau yttrium itu sendiri, penerapannya pada akhirnya sepadan dengan upaya dan investasi. Salah satunya adalah dengan menggunakannya sebagai aditif untuk paduan aluminium.

Dengan cara ini, paduan Sc-Al (dan logam lainnya) tetap ringan, tetapi menjadi lebih tahan terhadap korosi, pada suhu tinggi (tidak retak), dan sekuat titanium.

Begitu banyak efek yang dimiliki skandium pada paduan ini sehingga cukup menambahkannya dalam jumlah kecil (kurang dari 0,5% massa) agar sifat-sifatnya meningkat secara drastis tanpa mengamati peningkatan yang cukup besar dalam beratnya. Konon jika digunakan secara masif suatu hari bisa mengurangi bobot pesawat hingga 15-20%.

Demikian pula, paduan skandium telah digunakan untuk rangka revolver, atau untuk pembuatan barang olahraga, seperti pemukul bisbol, sepeda khusus, tongkat pancing, tongkat golf, dll .; meskipun paduan titanium cenderung menggantikannya karena lebih murah.

Paduan yang paling terkenal adalah Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ , yang sekuat titanium, seringan aluminium, dan sekeras keramik.

Pencetakan 3D

Paduan Sc-Al telah digunakan untuk membuat cetakan 3D metalik, untuk menempatkan atau menambahkan lapisannya pada padatan yang telah dipilih sebelumnya.

Iluminasi stadion

Mercusuar di stadion meniru sinar matahari berkat aksi skandium iodida bersama dengan uap merkuri. Sumber: Pexels.

Skandium iodida, ScI ₃ , ditambahkan (bersama dengan natrium iodida) ke lampu uap merkuri untuk membuat lampu buatan yang meniru matahari. Itu sebabnya di stadion atau beberapa lapangan olahraga, bahkan di malam hari, pencahayaan di dalamnya sedemikian rupa sehingga memberikan sensasi menonton pertandingan di siang bolong.

Efek serupa telah digunakan untuk perangkat listrik seperti kamera digital, layar televisi, atau monitor komputer. Demikian pula, lampu depan dengan lampu Sci _3- Hg telah ditempatkan di studio film dan televisi.

Sel bahan bakar oksida padat

SOFC, untuk akronimnya dalam bahasa Inggris (sel bahan bakar oksida padat) menggunakan oksida atau keramik sebagai media elektrolit; dalam hal ini, padatan yang mengandung ion skandium. Penggunaannya pada perangkat ini karena konduktivitas listriknya yang besar dan kemampuannya untuk menstabilkan kenaikan suhu; jadi mereka bekerja tanpa terlalu panas.

Contoh salah satu oksida padat tersebut adalah zirkonit terstabilisasi skandium (seperti Sc ₂ O ₃ , sekali lagi).

Keramik

Skandium karbida dan titanium membuat keramik dengan kekerasan luar biasa, nomor dua setelah berlian. Namun, penggunaannya terbatas pada material dengan aplikasi yang sangat canggih.

Kristal koordinasi organik

Ion Sc ³⁺ dapat berkoordinasi dengan banyak ligan organik, terutama jika mereka adalah molekul beroksigen.

Ini karena ikatan Sc-O yang terbentuk sangat stabil, dan oleh karena itu akhirnya membangun kristal dengan struktur yang menakjubkan, yang pori-porinya dapat memicu reaksi kimia, berperilaku seperti katalis heterogen; atau untuk menampung molekul netral, berperilaku seperti penyimpanan padat.

Demikian pula, kristal koordinasi skandium organik seperti itu dapat digunakan untuk mendesain bahan sensorik, saringan molekuler, atau konduktor ion.

Referensi

1. Irina Shtangeeva. (2004). Skandium. Universitas Negeri Saint Petersburg Saint Petersburg. Diperoleh dari: researchgate.net
2. Wikipedia. (2019). Skandium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Editor Encyclopaedia Britannica. (2019). Skandium. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
4. Dr Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Skandium. Chemicool. Diperoleh dari: chemicool.com
5. Skala. (2018). Skandium. Diperoleh dari: scale-project.eu
6. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 Juli 2019). Gambaran Umum Skandium. Diperoleh dari: thinkco.com
7. Kist, AA, Zhuk, LI, Danilova, EA, & Makhmudov, EA (2012). Tentang peran biologis skandium. Diperoleh dari: inis.iaea.org
8. WAGrosshans, YKVohra & WBHolzapfel. (1982). Transformasi fase tekanan tinggi di yttrium dan skandium: Hubungannya dengan logam tanah jarang dan struktur kristal aktinida. Jurnal Magnetisme dan Bahan Magnetik Volume 29, Masalah 1–3, Halaman 282-286 doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova dkk. (2018). Kerangka kerja skandium-organik: kemajuan dan prospek. Russ. Chem. Rev. 87 1139.
10. Investing News Network. (11 November 2014). Penerapan Skandium: Gambaran Umum. Dig Media Inc. Diperoleh dari: investmentnews.com