¿Que es el escandio?
El escandio es un metal de transición cuyo símbolo químico es el Sc. Es el primero de los metales de transición en la tabla periódica, pero también uno de los elementos menos comunes de las tierras raras. Aunque sus propiedades pueden parecerse a las de los lantánidos, no todos los autores aprueban clasificarlo de tal modo.
A nivel popular, es un elemento químico que pasa desapercibido. Su nombre deriva de los minerales de tierras raras provenientes de Escandinavia. Las propiedades físicas de sus aleaciones pueden competir con las del titanio.
Hay un interés creciente en el mundo de la tecnología, especialmente en lo que a iluminación y láseres se refiere. Por lo demás, es un elemento prometedor para la fabricación de aviones.
El principal problema que afronta el mercado del escandio es que se halla muy disperso, y no hay minerales o fuentes ricas del mismo, por lo que su extracción es costosa, aun cuando propiamente no sea un metal con baja abundancia en la corteza terrestre. En la naturaleza se encuentra como su óxido, un sólido que no puede reducirse fácilmente.
En muchos de sus compuestos, inorgánicos u orgánicos, participa en el enlace con un número de oxidación de +3, es decir, asumiendo la presencia del catión Sc3+. Es un ácido relativamente fuerte, y puede formar enlaces de coordinación muy estables con los átomos de oxígeno de moléculas orgánicas.
Historia del escandio
El escandio fue reconocido como elemento químico en 1879, por el químico suizo Lars F. Nilson. Trabajaba con los minerales euxenita y gadolinita con la intención de obtener el itrio contenido en ellos. Descubrió que había un elemento desconocido en sus rastros gracias al estudio de análisis espectroscópicos (espectro de emisión atómica).
De los minerales, su equipo y él lograron obtener el respectivo óxido de escandio, nombre recibido por haber recolectado seguramente las muestras de Escandinavia. A estos minerales para entonces se les llamaba tierras raras.
Sin embargo, ocho años antes, en 1871, Dmitri Mendeleev había predicho la existencia del escandio, pero con el nombre de ekaboro, lo cual significaba que sus propiedades químicas eran similares a las del boro.
Y fue el químico suizo Per Teodor Cleve quien advirtió que el escandio y el ekaboro eran el mismo elemento químico. Muchos años después, en 1937, Werner Fischer y sus colaboradores lograron aislar escandio metálico (impuro), mediante la electrólisis de una mezcla de cloruros de potasio, litio y escandio. En 1960 finalmente se pudo obtener con una pureza alrededor del 99%.
Estructura y configuración electrónica del escandio
El escandio elemental (nativo y puro) puede cristalizar en dos estructuras (alótropos): la hexagonal compacta (hcp) y la cúbica centrada en el cuerpo (bcc). La primera suelen denominarla como la fase α, y la segunda, la fase β.
La fase α, hexagonal y más densa, es estable a temperaturas ambientes, mientras que la fase β, cúbica y menos densa, es estable por encima de los 1.337 ºC. Así pues, a esta última temperatura ocurre una transición entre ambas fases o alótropos (para el caso de los metales).
Si bien el escandio cristaliza normalmente en un sólido hcp, no significa que sea un metal muy denso, aunque sí más que el aluminio. A partir de su configuración electrónica puede conocerse qué electrones participan de ordinario en su enlace metálico:
[Ar] 3d1 4s2
Por lo tanto, los tres electrones de los orbitales 3d y 4s, intervienen en el modo en que se localizan los átomos de Sc en el cristal.
Para compactarse en un cristal hexagonal, la atracción de sus núcleos debe ser tal que estos tres electrones, débilmente apantallados por los electrones de las capas internas, no se alejan demasiado de los átomos de Sc y, consecuentemente, se estrechan las distancias entre ellos.
Fase a alta presión
Las fases α y β están asociadas a cambios de temperatura. Sin embargo, existe una fase tetragonal, semejante a la del metal niobio, Nb, que resulta cuando el escandio metálico sufre una presión superior a los 20 GPa.
Números de oxidación
El escandio puede perder hasta máximo sus tres electrones de valencia (3d14s2). En teoría, los primeros en “irse” son los del orbital 4s.
Así, asumiendo la existencia del catión Sc+ en el compuesto, su número de oxidación es +1, lo que es igual a decir que perdió un electrón del orbital 4s (3d14s1).
Si se trata del Sc2+, su número de oxidación será +2, y habrá perdido dos electrones (3d14s0); y si es el Sc3+, el más estable de estos cationes, tendrá por número de oxidación el +3, y es isoelectrónico al argón.
En resumen, sus números de oxidación son: +1, +2 y +3. Por ejemplo, en el Sc2O3 el número de oxidación del escandio es +3 porque se asume la existencia del Sc3+ (Sc23+O32-).
Propiedades del escandio
- Apariencia física. Metal blanco plateado en su forma pura y elemental, de textura suave y lisa. Adquiere tonalidades amarillentas-rosadas cuando comienza a cubrirse con una capa de óxido (Sc2O3).
- Masa molar. 44,955 g/mol.
- Punto de fusión. 1.541 ºC.
- Punto de ebullición. 2.836 ºC.
- Capacidad calorífica molar. 25,52 J/(mol·K).
- Calor de fusión. 14,1 kJ/mol.
- Calor de vaporización. 332,7 kJ/mol.
- Conductividad térmica. 66 μΩ·cm a 20 ºC.
- Densidad. 2,985 g/mL, sólido, y 2,80 g/mL, líquido. Su densidad en estado sólido se aproxima a la del aluminio (2,70 g/mL), lo que significa que ambos metales son muy livianos, pero el escandio funde a mayor temperatura (el punto de fusión del aluminio es 660,3 ºC).
- Electronegatividad. 1,36 en la escala de Pauling.
- Energías de ionización. Primera: 633,1 kJ/mol (Sc+ gaseoso). Segunda: 1.235,0 kJ/mol (Sc2+ gaseoso). Tercera: 2.388,6 kJ/mol (Sc3+ gaseoso).
- Radio atómico. 162 pm.
- Orden magnético. Paramagnético.
- Isótopos. De todos los isótopos del escandio, el 45Sc ocupa casi el 100% de la abundancia total (esto se refleja en su peso atómico muy cercano a 45 u). Los demás, son radioisótopos con diferentes tiempos de vida media; como el 46Sc (t1/2 = 83,8 días), 47Sc (t1/2 = 3,35 días), 44Sc (t1/2 = 4 horas), y 48Sc (t1/2 = 43,7 horas). Otros radioisótopos tienen t1/2 menores a 4 horas.
- Acidez. El catión Sc3+ es un ácido relativamente fuerte. Por ejemplo, en el agua puede formar el complejo acuoso [Sc(H2O)6]3+, el cual puede a su vez tornar el pH a un valor por debajo de 7, debido a que genera iones H3O+ como producto de su hidrólisis: [Sc(H2O)6]3+(ac) + H2O(l) <=> [Sc(H2O)5OH]2+(ac) + H3O+(ac). La acidez del escandio también puede interpretarse de acuerdo a la definición de Lewis: tiene una alta tendencia a aceptar electrones y, por lo tanto, a formar complejos de coordinación.
- Número de coordinación. Su número de coordinación, tanto en la mayoría de sus compuestos inorgánicos, estructuras o cristales orgánicos, es 6. Quiere decir que el Sc está rodeado de seis vecinos (o forma seis enlaces). Arriba, el acuo complejo [Sc(H2O)6]3+ es el ejemplo más simple de todos. En los cristales, los centros de Sc son octaédricos, ya sea interaccionando con otros iones (en sólidos iónicos), o con átomos neutros enlazados covalentemente (en sólidos covalentes). Ejemplo de estos últimos es el [Sc(OAc)3], que forma estructura de cadena con los grupos AcO (acetiloxi o acetoxi) actuando como puentes entre los átomos de Sc.
Nomenclatura del escandio
Debido a que casi por defecto el número de oxidación del escandio en gran parte de sus compuestos es +3, este se considera como único y la nomenclatura por lo tanto se simplifica notablemente, de manera similar a los metales alcalinos o el propio aluminio.
Por ejemplo, considérese su óxido, Sc2O3. La misma fórmula química indica por adelantado el estado de oxidación de +3 para el escandio. Así pues, para llamar a este compuesto de escandio, y al igual que otros, se recurre a las nomenclaturas sistemática, stock y tradicional.
El Sc2O3 es entonces el óxido de escandio, de acuerdo a la nomenclatura stock, omitiéndose el (III) (aunque no sea su único estado de oxidación posible). Óxido escándico, con el sufijo -ico al final del nombre según la nomenclatura tradicional, y trióxido de diescandio, obedeciendo las reglas de los prefijos numéricos griegos de la nomenclatura sistemática.
Papel biológico del escandio
Se desconoce cómo el organismo puede acumular o asimilar los iones Sc3+, qué enzimas en específico pueden utilizarlo como cofactor, si ejerce en las células una influencia, aunque parecida, a los iones Ca2+ o Fe3+.
Se sabe, sin embargo, que los iones Sc3+ ejercen efectos antibacterianos posiblemente al interferir con el metabolismo de los iones Fe3+.
Algunos estudios estadísticos en medicina lo vinculan posiblemente a trastornos del estómago, obesidad, diabetes, leptomeningitis cerebral y otras enfermedades, pero sin resultados suficientemente esclarecedores.
Asimismo, las plantas no suelen acumular cantidades apreciables de escandio en sus hojas o tallos, sino en sus raíces y nódulos. Por eso, puede argumentarse que su concentración en la biomasa es pobre, indicativo de escasa participación en sus funciones fisiológicas y, en consecuencia, termina acumulándose más en los suelos.
Dónde se encuentra y producción del escandio
- Minerales y estrellas. El escandio podrá no ser tan abundante como otros elementos químicos, pero su presencia en la corteza terrestre sobrepasa la del mercurio y algunos metales preciosos. De hecho, su abundancia se aproxima a la del cobalto y berilio: por cada tonelada de roca, pueden extraerse 22 gramos de escandio. El problema es que sus átomos no están localizados sino dispersos. Es decir, no existen minerales precisamente ricos en escandio en su composición másica. Por lo tanto, se dice que no tiene preferencia por ninguno de los aniones típicos formadores de minerales (como el carbonato, CO32-, o sulfuro, S2-). No se halla en estado puro. Tampoco su óxido más estable, Sc2O3, el cual se combina con otros metales o silicatos para definir minerales, como la thortveitita, la euxenita y la gadolinita. Estos tres minerales (raros de por sí) representan las principales fuentes naturales de escandio, y se encuentran en regiones de Noruega, Islandia, Escandinava y Madagascar. Por lo demás, los iones Sc3+ pueden estar incorporados como impurezas en algunas piedras preciosas, como la aguamarina, o en minas de uranio. Y en las estrellas, este elemento ocupa el lugar número 23 en abundancia, bastante alto si se considera el cosmos entero.
- Residuos y desechos industriales. Recién acaba de decirse que el escandio también puede hallarse como impureza. Por ejemplo, se encuentra en los pigmentos de TiO2, en los desechos de procesamientos de uranio, así como en sus minerales radiactivos, y en los residuos de la bauxita en la producción de aluminio metálico. Asimismo, se halla en lateritas de níquel y cobalto, siendo estas últimas una prometedora fuente de escandio en el futuro.
- Reducción metalúrgica. Las tremendas dificultades en la extracción del escandio, que demoraron tanto su obtención en el estado nativo o metálico, se debieron a que el Sc2O3 es difícil de reducir, aún más que el TiO2, por mostrar el Sc3+ una afinidad mayor que la del Ti4+ hacia el O2- (asumiendo un carácter 100% iónico en sus óxidos respectivos). Es decir, es más fácil quitarle el oxígeno al TiO2 que al Sc2O3 con un buen agente reductor (típicamente carbón o metales alcalinos o alcalinotérreos). Por eso, el Sc2O3 se transforma primero en un compuesto cuya reducción sea menos problemática, como el fluoruro de escandio, ScF3. Seguidamente, el ScF3 se reduce con calcio metálico: 2ScF3(s) + 3Ca(s) => 2Sc(s) + 3CaF2(s). El Sc2O3 o bien proviene de los minerales ya mencionados, o es un subproducto de las extracciones de otros elementos (como el uranio y el hierro). Es la forma comercial del escandio, y su baja producción anual (15 toneladas) refleja los altos costos de procesamiento, además de los de su extracción a partir de las rocas.
- Electrólisis. Otro método para producirlo es obtener primero su sal de cloruro, ScCl3, y luego someterla a electrólisis. Así, en un electrodo se produce escandio metálico (como una esponja), y en el otro, cloro gaseoso.
Reacciones del escandio
- Anfoterismo. El escandio no solo comparte con el aluminio ser un metal liviano, además es anfotérico, es decir, se comportan como ácido y base. Por ejemplo, reacciona con ácidos fuertes para producir sales y gas hidrógeno: 2Sc(s) + 6HCl(ac) => 2ScCl3(ac) + 3H2(g). Al hacerlo, se comporta como una base (reacciona con el HCl). Pero, del mismo modo, reacciona con las bases fuertes, como el hidróxido de sodio: 2Sc(s) + 6NaOH(ac) + 6H2O(l) => 2Na3Sc(OH)6(ac) + 3H2(g). Y ahora se comporta como un ácido (reacciona con el NaOH), para formar una sal de escandato; la del sodio, Na3Sc(OH)6, con el anión escandato, Sc(OH)63-.
- Oxidación. Cuando se expone al aire, comienza a oxidarse a su respectivo óxido. La reacción se acelera y autocataliza si se emplea una fuente de calor. Dicha reacción se representa con la siguiente ecuación química:
4Sc(s) + 3O2(g) => 2Sc2O3(s)
- Halogenuros. El escandio reacciona con todos los halógenos para formar halogenuros de fórmula química general ScX3 (X= F, Cl, Br, etc.). Por ejemplo, reacciona con el yodo de acuerdo a la siguiente ecuación: 2Sc(s) + 3I2(g) => 2ScI3(s). Del mismo modo reacciona con el cloro, bromo y flúor.
- Formación de hidróxido. El escandio metálico puede disolverse en el agua para originar su respectivo hidróxido y gas hidrógeno:
2Sc(s) + 6H2O(l) => 2Sc(OH)3(s) + H2(g)
- Hidrólisis ácida. Los complejos acuosos [Sc(H2O)6]3+ pueden hidrolizarse de tal manera que terminan formando puentes Sc-(OH)-Sc, hasta definir un clúster con tres átomos de escandio.
Riesgos del escandio
Se desconoce, además de su papel biológico, cuáles son exactamente los efectos fisiológicos y toxicológicos del escandio.
En su forma elemental se cree que no es tóxico, a menos que se inhale su sólido finamente dividido y provoque daños en los pulmones. Asimismo, a sus compuestos se les atribuye nula toxicidad, por lo que la ingesta de sus sales en teoría no debería representar ningún riesgo, siempre y cuando la dosis no sea elevada (probada en ratas).
No obstante, los datos referentes a estos aspectos son muy limitados. Por lo tanto, no puede darse por hecho que ninguno de los compuestos de escandio sea verdaderamente no tóxico, aún menos si el metal puede acumularse en los suelos y aguas, pasando luego a las plantas, y en menor grado, a los animales.
Por los momentos, el escandio todavía no representa un riesgo palpable si se le compara con metales más pesados, como cadmio, mercurio y plomo.
Usos del escandio
- Aleaciones. Si bien el precio del escandio es elevado en comparación a otros metales, como el titanio o el itrio, sus aplicaciones terminan valiendo los esfuerzos e inversiones. Una de ellas consiste en utilizarlo como aditivo para las aleaciones de aluminio. De esta manera, las aleaciones Sc-Al (y otros metales) conservan su ligereza, pero se tornan aún más resistentes a la corrosión, a las altas temperaturas (no se agrietan), y son tan fuertes como el titanio. Tanto es el efecto que ejerce el escandio sobre estas aleaciones, que basta con agregarlo en cantidades trazas (menores al 0,5% en masa) para que sus propiedades mejoren drásticamente, sin observarse un aumento apreciable en su peso. Se dice que, de utilizarse masivamente algún día, podría reducir el peso de los aviones en un 15-20%. Asimismo, las aleaciones de escandio se han empleado para los marcos de los revólveres, o para la fabricación de artículos deportivos, como bates de béisbol, bicicletas especiales, cañas de pescar, palos de golf, etc., aunque las aleaciones de titanio suelen sustituirlas por ser más económicas. La más conocida de estas aleaciones es la Al20Li20Mg10Sc20Ti30, igual de fuerte que el titanio, tan liviana como el aluminio y dura como la cerámica.
- Impresiones 3D. Las aleaciones Sc-Al se han utilizado para realizar impresiones 3D metálicas, con el propósito de situar o añadir capas de las mismas sobre un sólido preseleccionado.
- Iluminación. El yoduro de escandio, ScI3, se agrega (junto con el yoduro de sodio) a las lámparas de vapores de mercurio para crear luces artificiales que mimetizan la del sol. Por eso en los estadios o algunas canchas deportivas, aunque sea de noche, la iluminación es tal que brindan la sensación de observar un juego a pleno día. Efectos similares tienen artefactos eléctricos como cámaras digitales, pantallas de los televisores, o monitores de las computadoras, así como los faros de cine y televisión.
- Pilas de combustible de óxido sólido. SOFC, por sus siglas en inglés (solid oxide fuel cell) utilizan un óxido o cerámica como medio electrolítico. En este caso, un sólido que contiene iones de escandio. Su uso en estos dispositivos se debe a su gran conductividad eléctrica y capacidad para estabilizar los incrementos de temperatura, por lo que funcionan sin calentarse demasiado. Ejemplo de tales óxidos sólidos es la zirconita estabilizada con escandio (en forma de Sc2O3, otra vez).
- Cerámicas. El carburo de escandio y titanio componen una cerámica de una dureza excepcional, únicamente superada por la de los diamantes. Sin embargo, su uso está restringido a materiales con aplicaciones muy avanzadas.
- Cristales orgánicos de coordinación. Los iones Sc3+ pueden coordinarse con múltiples ligandos orgánicos, en especial si se trata de moléculas oxigenadas. Esto se debe a que los enlaces Sc-O formados son muy estables, y por lo tanto terminan edificando cristales con estructuras asombrosas, en cuyos poros pueden desencadenarse reacciones químicas, comportándose como catalizadores heterogéneos, o alojar moléculas neutras, comportándose como un sólido almacenador. Asimismo, tales cristales orgánicos de coordinación de escandio pueden utilizarse para diseñar materiales sensoriales, tamices moleculares, o conductores de iones.
Referencias
- Irina Shtangeeva. Scandium. Recuperado de researchgate.net.
- Scandium. Recuperado de en.wikipedia.org.
- Scandium. Recuperado de britannica.com.
- Scandium Element Facts. Recuperado de chemicool.com.
- Scandium. Recuperado de scale-project.eu.