Elementi della Tavola Periodica. Scandio, Sc.

Rinaldo Cervellati

Lo scandio (inglese scandium), simbolo Sc, è l’elemento n. 21 della Tavola Periodica, primo elemento del 3° Gruppo, 4° Periodo, sopra l’ittrio e a sinistra del titanio. È un metallo bianco-argenteo, di transizione (blocco d), storicamente classificato come un elemento delle terre rare, insieme all’ittrio e ai lantanidi.

Dmitri Mendeleev, padre della tavola periodica, predisse l’esistenza di un elemento da lui chiamato ekaboron, con una massa atomica compresa tra 40 e 48, nel 1869. Lars Fredrik Nilson[1] e il suo gruppo rilevarono questo elemento nei minerali euxenite e gadolinite in 1879. Nilson preparò 2 grammi di ossido di scandio di elevata purezza. Chiamò l’elemento scandio, dal latino Scandia che significa “Scandinavia”.  Nilson era apparentemente ignaro della previsione di Mendeleev ma Per Teodor Cleve[2] riconobbe la corrispondenza e lo informò.

Figura 1. Lars Fredrik Nilson e Per Teodor Cleve

Lo scandio metallico fu prodotto per la prima volta nel 1937 mediante elettrolisi di una miscela eutettica di cloruri di potassio, litio e scandio, a 700–800 °C. I primi 450 grammi di scandio metallico puro al 99% furono prodotti nel 1960. La produzione di leghe di alluminio iniziò nel 1971, a seguito di un brevetto statunitense. Leghe di alluminio-scandio sono state sviluppate anche nell’ex-Unione Sovietica.

Caratteristiche chimico-fisiche

Lo scandio è un metallo morbido dall’aspetto argenteo, di densità 2,895 g/cm3 con punti di fusione ed ebollizione di 1541 oC e 2836 oC rispettivamente.

Figura 2. Scandio metallico

Si ossida lentamente all’aria, assumendo una sfumatura leggermente giallastra o rosata. È suscettibile agli agenti atmosferici e si dissolve lentamente nella maggior parte degli acidi diluiti. Non reagisce con una miscela 1: 1 di acido nitrico (HNO3) e acido fluoridrico al 48% (HF), forse a causa della formazione di uno strato passivo impermeabile. I trucioli del metallo si accendono all’aria con una fiamma gialla brillante per formare ossido di scandio Sc2O3.

In natura l’unico isotopo stabile è lo scandio-45 (45Sc). Sono stati preparati tredici isotopi radioattivi con masse da 36 a 80, il più stabile di questi è 46Sc, con emivita di 83,8 giorni.

Principali composti

La chimica dello scandio è quasi completamente dominata dal numero di ossidazione +3, che dà luogo allo ione trivalente, Sc3+. I raggi ionici indicano che le proprietà chimiche degli ioni Sc3+ hanno più in comune con gli ioni ittrio che con gli ioni alluminio. In parte a causa di questa somiglianza, lo scandio fu spesso classificato come un elemento simile ai lantanidi.

L’ossido Sc2O3 e l’idrossido Sc(OH)3 sono anfoteri:

Sc(OH)3 + 3OH− → [Sc (OH)6]3− (ione scandiato)

Sc(OH)3 + 3H+ + 3H2O → [Sc(H2O)6]3+

Soluzioni acquose contenenti ioni di Sc3+ sono acide a causa dell’idrolisi.

Gli alogenuri ScX3, dove X = Cl, Br o I, sono molto solubili in acqua ma ScF3 è insolubile. In tutti e quattro gli alogenuri, lo scandio è 6-coordinato. Gli alogenuri sono acidi di Lewis; per esempio, ScF3 si dissolve in una soluzione contenente ioni fluoruro in eccesso per formare [ScF6]3−. Il numero di coordinazione 6 è tipico per Sc(III). Negli ioni Y3+ e La3+ di raggio maggiore, i numeri di coordinazione di 8 e 9 sono comuni. Lo scandio triflato (scandio trifluorometansolfonato), è talvolta usato come catalizzatore acido di Lewis in chimica organica.

Forma una serie di composti organometallici con ligandi ciclopentadienilici (Cp), simili al comportamento dei lantanidi. Un esempio è il dimero a ponte con cloro, [ScCp2Cl]2 e relativi derivati ​​dei ligandi pentametilciclopentadienilici.

I composti che presentano lo scandio in stati di ossidazione diversi da +3 sono rari ma ben caratterizzati. Il composto blu-nero CsScCl3 è uno dei più semplici. Questo materiale adotta una struttura simile a un foglio che mostra un ampio legame tra i centri di scandio +2. L’idruro di scandio non è ben compreso, sebbene sembri non essere un idruro salino di Sc+2. Come si è osservato per la maggior parte degli elementi, un idruro di scandio biatomico è stato osservato spettroscopicamente ad alte temperature in fase gassosa. I boruri di scandio e i carburi non sono stechiometrici, come è tipico per gli elementi vicini.

Sono stati osservati stati di ossidazione inferiori (+2, +1, 0) anche nei composti organici dello scandio.

Disponibilità

Nella crosta terrestre lo scandio non è raro, stimato fra 18 e 25 ppm (stima paragonabile all’abbondanza del cobalto: 20-30 ppm), il 35° per abbondanza nella crosta. Tuttavia è distribuito scarsamente e si trova in tracce in molti minerali. I minerali rari provenienti dalla Scandinavia e dal Madagascar come la thortveitite, l’euxenite e la gadolinite sono le uniche fonti concentrate conosciute di questo elemento.

Figura 3. Thortveitite, l’euxenite e gadolinite

La Thortveitite può contenere fino al 45% di scandio sotto forma di ossido di scandio.

Produzione

La produzione mondiale di scandio è dell’ordine di 15-20 tonnellate all’anno, sotto forma di ossido.

Figura 4. Struttura cristallina di Sc2O3 (Sc3+ in grigio, O2− in rosso)

La domanda è superiore di circa il 50% e sia la produzione sia la domanda continuano ad aumentare. Nel 2003 solo tre miniere hanno prodotto scandio: le miniere di uranio e ferro a Zhovti Vody in Ucraina, le miniere di terre rare a Bayan Obo, in Cina, e le miniere di apatite nella penisola di Kola, in Russia. Da allora molti altri paesi hanno costruito impianti per la produzione di scandio, di cui 5 tonnellate/anno (7,5 tonnellate/anno Sc2O3) da Nickel Asia Corporation e Sumitomo Metal Mining nelle Filippine. Negli Stati Uniti, NioCorp Development, spera nell’apertura di una miniera di niobio nel suo sito di Elk Creek nel sud-est del Nebraska che potrebbe essere in grado di produrre fino a 95 tonnellate di ossido di scandio all’anno. In ogni caso lo scandio è un sottoprodotto dell’estrazione di altri elementi ed è venduto come ossido.

Per produrre scandio metallico, l’ossido viene convertito in fluoruro di scandio e quindi ridotto con calcio metallico.

Il Madagascar e la regione di Iveland-Evje in Norvegia hanno gli unici depositi di minerali con un alto contenuto di scandio, la thortveitite (Sc,Y)2(Si2O7) che non vengono sfruttati. Il minerale kolbeckite ScPO4·2H2O ha un contenuto molto elevato ma non è disponibile in depositi significativi.

L’assenza di una produzione affidabile, sicura, stabile e a lungo termine ha limitato le sue applicazioni commerciali. Nonostante questo basso livello di utilizzo, lo scandio offre vantaggi notevoli. Particolarmente promettente è il rafforzamento delle leghe di alluminio con un minimo dello 0,5% di scandio. La zirconia (ossido di zirconio cristallino cubico, ZrO2), stabilizzata allo scandio gode di una crescente domanda di mercato per l’uso come elettrolita ad alta efficienza nelle celle a combustibile a ossido solido.

Applicazioni

L’aggiunta di scandio all’alluminio limita la crescita di granuli nella zona termica dei componenti in alluminio saldati. Ciò ha due effetti benefici: l’Al3Sc precipita formando cristalli più piccoli rispetto ad altre leghe di alluminio e il volume delle zone prive di precipitati ai bordi dei granuli delle leghe di alluminio che induriscono con l’invecchiamento viene ridotto. Al3Sc è un precipitato coerente che rafforza la matrice di alluminio applicando campi di deformazione elastici che inibiscono il movimento di dislocazione (cioè di deformazione plastica).

Figura 5. Tondino in lega di alluminio-scandio

Al3Sc ha una struttura superlattice di equilibrio esclusiva di questo sistema. Una dispersione fine del precipitato su nanoscala può essere ottenuta tramite un trattamento termico che può anche rafforzare le leghe attraverso l’indurimento. Sviluppi recenti includono l’aggiunta di metalli di transizione come zirconio e metalli delle terre rare come erbio producendo gusci che circondano il precipitato sferico di Al3Sc riducendone l’ingrossamento. Questi gusci sono dettati dalla diffusività dell’elemento legante e abbassano il costo della lega perché Sc viene sostituito in parte da Zr mantenendo la stabilità e quindi  è necessario meno Sc per formare il precipitato. Questi hanno reso Al3Sc piuttosto competitivo con le leghe di titanio per una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, le leghe di titanio, che sono simili in leggerezza e resistenza, sono più economiche e molto più ampiamente utilizzate.

La lega Al20Li20Mg10Sc20Ti30 è forte come quella al solo titanio, leggera come l’alluminio e dura come la ceramica.

L’applicazione principale è nelle leghe alluminio-scandio per componenti minori dell’industria aerospaziale. Queste leghe contengono tra lo 0,1% e lo 0,5% in peso di scandio.

Alcuni articoli per attrezzatura sportiva, che si basano su materiali ad alte prestazioni, sono stati realizzati con leghe di alluminio e scandio, comprese mazze da baseball e telai e componenti di biciclette. Anche i bastoni da lacrosse sono realizzati con scandio.

Figura 6. Manubrio per bicicletta in lega alluminio-scandio

I dentisti usano laser a granato ittrio-scandio-gallio drogati con erbio per la preparazione della cavità e in endodonzia.

Le prime lampade ad alogenuri metallici a base di scandio furono brevettate da General Electric e inizialmente prodotte in Nord America, sebbene ora siano prodotte in tutti i principali paesi industrializzati. Ogni anno negli Stati Uniti vengono utilizzati circa 20 kg di scandio (come Sc2O3) per lampade a scarica ad alta intensità. Un tipo di lampada ad alogenuri metallici, simile alla lampada a vapori di mercurio, è costituita da triioduro di scandio e ioduro di sodio. Questa lampada è una sorgente di luce bianca con un elevato indice di resa cromatica che assomiglia sufficientemente alla luce solare per consentire una buona riproduzione dei colori con le telecamere. Circa 80 kg l’anno di scandio vengono utilizzati in lampade / lampadine a ioduri metallici a livello globale.

L’isotopo radioattivo 46Sc è utilizzato nelle raffinerie di petrolio come agente tracciante.

Tossicologia e sicurezza

Lo scandio elementare è considerato non tossico, sebbene per i suoi composti non siano stati condotti test approfonditi sugli animali. I livelli di dose letale mediana (LD50) per lo scandio cloruro per i ratti è 755 mg/kg per la somministrazione intraperitoneale e 4 g/kg per la somministrazione orale. Alla luce di questi risultati, i composti di scandio dovrebbero essere trattati come sostanze di moderata tossicità.

Riciclaggio

Nel 2013 un gruppo di ricercatori cinesi ha brevettato un metodo per riciclare lo scandio negli scarti acidi della produzione di bianco di titanio (principalmente diossido di titanio,TiO2). Il metodo comprende le seguenti fasi: estrazione, lavaggio, estrazione circolare, riestrazione, dissoluzione degli acidi, precipitazione e combustione. Il metodo sfrutta una tecnologia semplice e comoda da usare; nel frattempo viene adottata l’estrazione circolare organica[3] dei composti  dello scandio, così da ridurre  tempo di riestrazione, perdita organica e costo del lavoro, aumentando la resa [1].

Ciclo biogeochimico

Nel 2004, Irina Shtangeeva, ricercatrice russa dell’Università statale di San Pietroburgo, scrisse un lungo rapporto sullo scandio, in cui diceva:

Sebbene lo scandio sia un elemento relativamente diffuso nella crosta terrestre, fino a tempi recenti c’erano poche informazioni sulla chimica ambientale dell’elemento. Da un lato, il comportamento geochimico di Sc può essere simile a quello di molti elementi bi e trivalenti (Mg, Al, Ca, Ti, Mn, Fe, Zr, elementi delle terre rare, Hf, Th e U). D’altra parte, lo scandio può dimostrare proprietà chimiche piuttosto uniche. Il suo ruolo biologico è poco conosciuto. In condizioni normali la concentrazione di Sc nelle piante è molto bassa. È molto inferiore al contenuto di Sc nel suolo, suggerendo che non si verifica alcun bioaccumulo. Di regola, la concentrazione di Sc è più alta nelle radici che nelle foglie e nei semi. Una grande varietà di fattori che influenzano l’assorbimento di oligoelementi può contribuire ai valori di Sc nelle piante. I dati disponibili in letteratura rivelano una notevole diversità nelle concentrazioni di Sc nei vegetali e potrebbero non essere confrontabili. Si sa ancora poco sulla sua tossicità. È stato dimostrato che un aumento di Sc nel suolo può comportare sia un aumento significativo del suo contenuto  nelle piante sia variazioni nelle concentrazioni di nutrienti essenziali in tutte le loro parti.[2]

Successivamente, nel 2017, un gruppo di ricerca USA-Canada ha pubblicato una serie di esperimenti prelevando campioni lungo la Corrente della California per studiare il ciclo biogeochimico di diversi elementi, fra cui lo scandio. Lo scandio ha mostrato tendenze simili a quelle del ferro, rafforzando le limitate osservazioni delle somiglianze fisico-chimiche tra questi due elementi nell’acqua di mare. Complessivamente, lo studio evidenzia impatti distinti dei processi fotochimici, del recupero ed effetti biologici sul ciclo marino dei metalli in tracce in un ambiente caratterizzato da risalite stagionali.[3]

C.E. Parker e altri, del Dipartimento di Scienze Oceaniche dell’Università della California a Santa Cruz, hanno riportato profili approfonditi dello scandio disciolto da geotracce nel Nord Atlantico, Nord Pacifico e Sud Pacifico. Anche questo lavoro confronta la reattività di Sc con gli altri elementi  trivalente del gruppo 3B [oggi gruppo3], ittrio (Y) e lantanio (La) e del gruppo 3A [oggi gruppo 13], alluminio (Al) e gallio (Ga). Ittrio e La sono classici tipi di nutrienti che aumentano di concentrazione nell’invecchiamento in acque profonde; Al e Ga sono i tipici metalli recuperati che fanno l’opposto. I risultati indicano che Sc è un metallo di tipo ibrido con un tempo di permanenza dedotto dell’ordine di 1000 anni, e la speciazione inorganica e la reattività sono simili a quelle del ferro e hanno il potenziale per approfondire il lato non nutritivo nel ciclo del ferro oceanico. [4]

Infine, molto recentemente, Irina Shtangeeva ha studiato le piante che meglio possono estrarre grandi quantità di metalli “rari” tossici, compreso lo scandio, dimostrando che l’uso di gramigna e / o grano, da solo o in combinazione con microrganismi, è un modo promettente per fitoestrarre metalli da suoli contaminati. [5]

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics 85th Ed. pp. 4 27-28

https://en.wikipedia.org/wiki/Scandium

 Bibliografia

[1] Method for extracting and recycling scandium in waste acid in titanium white production.

https://patents.google.com/patent/CN103060581A/en

[2] Irina Shtangeeva, Scandium, in:

https://www.researchgate.net/publication/303773841_Scandium

[3] T. Mellett, M.T. Brown et al., The biogeochemical cycling of iron, copper, nickel, cadmium,

manganese, cobalt, lead, and scandium in a California Current experimental study., Limnol. Oceanogr., 2018, 63, 425-447. DOI: 10.1002/lno.10751

[4] C.E. Parker et al., Scandium in the open ocean: A comparison with other group 3 trivalent metals., Geophys. Res. Lett., 2016, 43, 2758-2764. DOI: 10.1002/2016GL067827

[5] I. Shtangeeva, About plant species potentially promising for phytoextraction of large amounts of toxic trace elements., Environ. Geochem. Health, 2020, DOI:10.1007/s10653-020-00633-z


[1] Lars Fredrik Nilson (1840 – 1899) è stato un chimico svedese, professore all’Università di Uppsala e in seguito direttore della Stazione Sperimentale di Chimica Agraria dell’Accademia Reale Svedese di agricoltura e silvicoltura a Stoccolma.

[2] Per Teodor Cleve (1840-1905) è stato un chimico, biologo, mineralogista e oceanografo svedese. Conosciuto per la sua scoperta degli elementi chimici olmio e tulio.

[3] Nell’estrazione circolare organica viene utilizzato un solvente a idrofilia commutabile (SHS) per estrarre completamente molecole idrofobe e idrofile, semplificando così l’estrazione delle molecole stesse, aumentando l’utilità del solvente che in seguito viene recuperato.

Un pensiero su “Elementi della Tavola Periodica. Scandio, Sc.

  1. Grazie per l’articolo. Lo scandio è un elemento affascinante, come anche mostrato dal particolare comportamento dello ScF3, che ha espansione termica negativa (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/503/1/012001). Forse, per completezza, si può aggiungere che alcuni suoi radionuclidi sono utili, o molto promettenti, per impiego in medicina nucleare (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30265573/)
    Cordiali saluti.

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