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 85^th 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

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[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.

Elementi della tavola periodica: le terre rare. Prima parte.

Rinaldo Cervellati

Gli elementi delle terre rare (REE, Rare Earth Elements) o metalli di terre rare (REM, Rare Earth Metals), noti anche come lantanidi, sono una serie di quindici elementi chimici, generalmente posti a parte, in basso nella tavola periodica. L’Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata (IUPAC) pone fra essi anche lo scandio e l’ittrio [1] perché si trovano negli stessi depositi di minerali dei lantanidi e presentano proprietà chimiche simili, ma hanno proprietà elettroniche e magnetiche diverse.

I 15 elementi delle terre rare sono, in ordine di numero atomico da 57 a 71: lantanio (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd ), prometio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), olmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), itterbio (Yb) e lutezio (Lu), ai quali vanno aggiunti scandio (Sc, n.a. 21), e ittrio (Y, n.a. 39).

Nonostante il loro nome, gli elementi delle terre rare sono – ad eccezione del prometio radioattivo – relativamente abbondanti nella crosta terrestre, con il cerio che è il 25° elemento più abbondante (68 ppm), più abbondante del rame (60 ppm). Tuttavia, a causa delle loro proprietà geochimiche, questi elementi sono in genere dispersi e non si trovano spesso concentrati nei minerali delle terre rare; di conseguenza i depositi minerari economicamente sfruttabili sono meno comuni.

Il primo di questi elementi fu scoperto nel 1787 da Carl Axel Arrhenius[1] in un minerale nero poi chiamato”ytterbite” perché la cava si trovava nei pressi del villaggio Ytterby, in Svezia. Il minerale fu poi ribattezzato gadolinite nel 1800 poiché un campione giunse a Johan Gadolin[2], un professore dell’Accademia Reale di Turku (Finlandia); la sua analisi produsse un ossido sconosciuto (terra) che chiamò ittria.

Gadolinite (Ytterbite)

Anders Gustav Ekeberg isolò il berillio dalla gadolinite ma non riuscì a riconoscere altri elementi contenuti nel minerale. Dopo questa scoperta, nel 1794 il minerale bastnasite (da Bastnäs, cittadina vicino a Riddarhyttan in Svezia), che si credeva fosse di ferro-tungsteno, fu riesaminato dal famoso Jöns Jacob Berzelius e da Wilhelm Hisinger[3].

Bastnasite

Nel 1803 ottennero un ossido bianco che chiamarono ceria. Martin Heinrich Klaproth[4] scoprì indipendentemente lo stesso ossido e lo chiamò ochroia. Quindi nel 1803 erano noti due elementi delle terre rare, ittrio e cerio, anche se ci vollero ancora 30 anni per stabilire che altri elementi erano contenuti nei due ossidi ittria e ceria. Va ricordato che la somiglianza delle proprietà chimiche dei metalli delle terre rare ha reso difficile la loro separazione.

J.J. Berzelius, W. Hisinger, M.H. Klaproth

Nel 1839 Carl Gustav Mosander[5], un assistente di Berzelius, separò dalla ceria l’ossido del sale solubile chiamato lanthana. Gli ci vollero altri tre anni per separare ulteriormente il lanthana in didimia e lantania pura. Didimia, sebbene non ulteriormente separabile con le tecniche di Mosander, era in realtà ancora una miscela di ossidi.

Nel 1842 Mosander separò anche l’ittria in tre ossidi: pura ittria, terbia ed erbia (tutti i nomi derivano dal nome della città Ytterby). Chiamò terbio l’elemento che dava sali rosa ed erbio quello che produceva un perossido giallo.

Carl G. Mosander

Quindi nel 1842 erano stati isolati sei elementi delle terre rare: ittrio, cerio, lantanio, didimio, erbio e terbio.

Nils Johan Berlin[6] e Marc Delafontaine[7] tentarono anche di separare l’ittria grezza e trovarono le stesse sostanze ottenute da Mosander, ma Berlin chiamò erbio l’elemento che dava sali rosa e Delafontaine chiamò terbio quello che dava il perossido giallo.

Johan Berlin e Marc Delafontaine

Questa confusione ha portato a diverse false affermazioni sulla scoperta di nuovi elementi, come il mosandrium di J. Lawrence Smith, o il filippio e il decipio di Delafontaine. A causa della difficoltà nel separare i metalli (e nello stabilire la completezza della separazione), sono state dozzine le false scoperte in questo periodo.

Non vi furono ulteriori novità per 30 anni e l’elemento didimio fu elencato nella tavola periodica degli elementi con una massa molecolare di 138. Nel 1879 Delafontaine, usando la nuova tecnica della spettroscopia ottica di fiamma, trovò diverse nuove linee spettrali nella didimia. Nello stesso anno, il nuovo elemento samario fu isolato da Paul Émile Lecoq de Boisbaudran[8] dal minerale samarskite. Il minerale, simile alla gadolinite, era divenuto una fonte di terre rare dal 1839, proveniva dal sud degli Urali, documentato dal mineralogista tedesco Gustav Rose (1798-1873).

La terra della samaria fu ulteriormente separata da Lecoq de Boisbaudran nel 1886 e un risultato simile fu ottenuto da Jean Charles Galissard de Marignac[9] mediante isolamento diretto dal samarskite. Chiamarono l’elemento gadolinio, da Johan Gadolin e il suo ossido fu chiamato “gadolinia”.

1. É. Lecoq de Boisbaudran e J. C. Galissard de Marignac

Ulteriori analisi spettroscopiche tra il 1886 e il 1901 di samaria, ittria e samarskite di William Crookes, Lecoq de Boisbaudran e Eugène-Anatole Demarçay[10] rivelarono diverse nuove linee spettroscopiche che indicavano l’esistenza di un elemento sconosciuto. La cristallizzazione frazionata degli ossidi ha poi prodotto l’europio nel 1901.

Eugène-Anatole Demarçay

A questo punto, il numero esatto di elementi delle terre rare esistenti era ben poco chiaro: fu stimato un numero massimo di 25.

Come noto, nel 1913 l’uso degli spettri a raggi X di Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) permise di stabilire che gli elementi nella tavola periodica dovevano essere ordinati in base al numero atomico. Moseley stabilì anche che il numero esatto di lantanidi doveva essere 15 e che l’elemento 61 doveva ancora essere scoperto.

A questo proposito è utile menzionare gli studi di un chimico italiano, Luigi Rolla (1882-1960) [2].

Egli cercò l’elemento 61 da sabbie monazitiche brasiliane che contenevano gli altri elementi delle terre rare.

Monazite (v. nota 11)

Il metodo di separazione usato fu la cristallizzazione frazionata, basata su piccole differenze di solubilità dei sali analoghi dei vari componenti il gruppo, un processo estremamente lungo e difficile. La purificazione era controllata tramite gli spettri di assorbimento delle varie frazioni. Proprio a causa dell’andamento anomalo delle righe che si accentuavano o si indebolivano in tali spettri, Rolla ipotizzò di aver trovato almeno in tracce l’elemento cercato. Per la conferma chiese al fisico Rita Brunetti di effettuare l’analisi ai raggi X. Il risultato non fu negativo ma le quantità troppo piccole di campione analizzato non consentivano una risposta sicura. Rolla non pubblicò immediatamente i risultati ottenuti ma nel giugno del 1924 depositò all’Accademia dei Lincei un plico suggellato, per garantirsi una priorità nella scoperta in caso di analoghe rivendicazioni da parte di altri ricercatori.

Nei due anni successivi Rolla riprese l’opera utilizzando notevoli quantità di monazite che gli consentirono di avere come prodotto di partenza da separare circa una tonnellata di un miscuglio di elementi delle terre rare. Nemmeno in questo caso però si arrivò all’isolamento dell’elemento cercato. Nel giugno del 1926 comparve un lavoro di un gruppo di scienziati americani che dichiarava di aver scoperto l’elemento 61 e proponeva per esso il nome di illinium [3]. Rolla ruppe allora ogni indugio e decise di pubblicare i risultati sino allora ottenuti, rivendicando la priorità della scoperta. Fu subito dopo reso noto il contenuto del plico depositato nel 1924, in cui per l’elemento si era proposto il nome di florenzio [5].

Negli anni successivi nacque quindi una disputa accesa. In realtà nessuno dei due gruppi aveva realmente scoperto l’elemento, come Rolla più tardi ammise. L’elemento 61 infatti non sembra essere presente in natura in quantità apprezzabili e di esso solo parecchi anni dopo furono per la prima volta isolati due isotopi instabili tra i prodotti di fissione dell’uranio [6]. Successivamente l’elemento 61 fu chiamato prometio.

L’enorme quantità di materiali utilizzati e di procedure di separazione condotte da Rolla e dal suo collaboratore Lorenzo Fernandes portarono tuttavia a ottenere notevoli quantità di elementi delle terre rare di elevata purezza, consentendo un ampio studio su di essi che si tradusse, fra l’altro, in un libro che ebbe grande rilevanza (L. Rolla, L. Fernandes, Le terre rare, Bologna 1929).

Durante gli anni ’40, Frank Spedding e altri negli Stati Uniti (durante il Progetto Manhattan) svilupparono le procedure di scambio chimico ionico per separare e purificare gli elementi delle terre rare.

(continua)

 

Opere consultate

CRC, Handbook of Chemistry and Physics, 85^th, 4-voci Rare Earts

https://en.wikipedia.org/wiki/Rare-earth_element

http://www.treccani.it/enciclopedia/luigi-rolla_(Dizionario-Biografico)/

224. Fontani, M. V. Orna, Luigi Rolla: un fisico camuffato da chimico., Atti del XIV Convegno di Storia e Fondamenti della Chimica, Rendiconti Accademia Nazionale delle Scienze detta dei XL, Memorie di Scienze Fisiche e Naturali, pp. 213–224.

Bibliografia

[1] N. G. Connelly and T. Damhus, ed. (2005). Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005, Cambridge: RSC Publishing, p. 51

[2] F. Calascibetta, Rolla, Luigi; in: Enciclopedia Treccani

http://www.treccani.it/enciclopedia/luigi-rolla_(Dizionario-Biografico)/

[3] J. Allen Harris – B. Smith Hopkins, Observations on the Rare Earths, XXIII. Element no. 61, in Journal of American Chemical Society, XLVIII (1926), pp. 1585-1594).

[4] Sopra l’elemento di numero atomico 61, in Rendiconti della R. Accademia nazionale dei Lincei, s. 6, IV (1926), 6, pp. 181-184, con L. Fernandes).

[5] Sopra un nuovo elemento: il Florenzio (numero atomico 61), ibid., pp. 498 s., con L. Fernandes).

[6] J.A. Marinsky – L.E. Glendenin – C.D. Coryell, The chemical identification of radioisotopes of Neodymium and of Element 61, in Journal of American Chemical Society, LXIX (1947), 11, pp. 2781-2785).

[1] Carl Axel Arrhenius (1757 – 1824), ufficiale dell’esercito svedese, geologo e chimico dilettante. Da non confondere con il noto chimico fisico Svante Arrhenius.

[2] Johan Gadolin (1760 – 1852), chimico, fisico e mineralogista svedese/finlandese. Gadolin scoprì una “nuova terra” contenente il primo composto di un elemento delle terre rare, che in seguito fu isolato come elemento. È anche considerato il fondatore della ricerca chimica finlandese, come secondo titolare della cattedra di chimica presso la Royal Academy di Turku, Finlandia.

[3] Wilhelm Hisinger (1766 – 1852) è stato un fisico e chimico svedese. Nel 1807, lavorando in collaborazione con Jöns Jakob Berzelius, notò che nell’elettrolisi ogni data sostanza andava sempre allo stesso polo e che le sostanze attratte dallo stesso polo avevano altre proprietà in comune. Ciò fu la dimostrazione che esisteva almeno una correlazione qualitativa tra la natura chimica e quella elettrica dei corpi.

[4] Martin Heinrich Klaproth (1743 -1817) è stato un chimico tedesco. Si formò e lavorò per gran parte della sua vita come farmacista, trasferendosi in seguito all’università. Fu un importante chimico analitico, inventore indipendente dell’analisi gravimetrica, figura di spicco nel comprendere la composizione dei minerali e a caratterizzare gli elementi. Scoprì l’uranio (1789) e lo zirconio (1789). Fu anche coinvolto nella scoperta o nella riscoperta di titanio (1792), stronzio (1793), cerio (1803) e cromo (1797) e confermò le precedenti scoperte di tellurio (1798) e berillio (1798).

[5] Carl Gustaf Mosander (1797-1858), chimico svedese, scoprì gli elementi delle terre rare lantanio, erbio e terbio.

[6] Nils Johan Berlin (1812-1891) è stato un chimico e medico svedese, che ha ricoperto varie cattedre all’Università di Lund dal 1843 al 1864. È stato il primo chimico a scrivere un libro di testo elementare, allo scopo di fornire un’istruzione scientifica di base per il grande pubblico. La sua ricerca chimica ha riguardato lo studio dei minerali, in particolare delle terre rare appena scoperte, avendo perfezionato una tecnica per separare ittrio ed erbio.

[7] Marc Delafontaine (1837/1838 –1911) è stato un chimico e spettroscopista svizzero. Nel 1878, insieme a Jacques-Louis Soret, osservarono per la prima volta l’olmio per via spettroscopica. Nel 1879, Per Teodor Cleve lo separò chimicamente da tulio ed erbio. Tutti e tre sono stati accreditati per la scoperta di questo elemento.

[8] Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912), chimico francese noto per le sue scoperte sugli elementi chimici gallio, samario e disprosio. Ha perfezionato i metodi di separazione per gli elementi delle terre rare ed è stato uno dei fondatori dell’analisi spettroscopica.

[9] Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894), chimico svizzero il cui lavoro sui pesi atomici suggerì la possibilità dell’esistenza degli isotopi. I suoi studi sugli elementi delle terre rare hanno portato alla scoperta dell’itterbio nel 1878 e alla riscoperta del gadolinio nel 1880.

[10] Eugène-Anatole Demarçay (1852-1903), chimico francese specialista nel campo emergente della spettroscopia, rilevò la presenza dell’elemento delle terre rare Europio nel 1896 e lo isolò come ossido (europia) nel 1901. Aiutò Marie Curie a confermare l’esistenza di un altro nuovo elemento, il radio, nel 1898.