Els empèdocles moderns – Lars Fredrik Nilson (1879) i l’element 21 (Sc) – escandi (nilbiuni, Nbu)

Entre els quatre elements clàssics, la terra (γῆ) és el més heterogeni. El mot grec γῆ o γαια el podem identificar, en aquesta accepció amb la “fase sòlida”, l’estat d’agregació de la matèria que ofereix rigidesa estructural i resistència a canvis de forma o de volum. Hesíode ens parla de la “Γαῖ᾽ εὐρύστερνος” (la Terra d’ample pit), com el fonament material de l’univers, damunt la qual s’alça el Cel i sota la qual ja el Tàrtar. En la visió moderna dels processos biogeoquímics, la litosfera, que reposa damunt la capa fluida de l’astenosfera (el Tàrtar), és la base sòlida damunt de la qual es mouen les capes també fluides de la hidrosfera i la litosfera. Però més específicament, el mot γῆ assenyala el sòl cultivable i, d’altres vegades, la pols, en oposició a les roques. Si en Empèdocles, la solidesa s’identifica amb la terra globalment entesa, en altres tradicions hom distingeix entre dos elements sòlids, la fusta i la terra, i encara en tres: la fusta, el metall i la terra. Johann Joachim Becher trasllada a aquesta distinció en els conceptes de “terra lapidea” (principi sòlid), “terra fluida” (principi metàl•lic) i “terra pinguis” (principi combustible). El mot “terra” es pren com a equivalent del grec γῆ, però la seva etimologia és més complexa. “Terra” sembla provindre del sintagma “tersa tellus” o “terra tellus”, traduïble per terra ferma o terra seca. “Terra” i “tellus” esdevingueren sinònims. La Gea Mare grega dóna la Terra Mater, mentre la dea Tellus és identificada amb Ceres. El gramàtic Marcus Seruius Honoratus (f. 400 d.C.) ens explica, comentant l’Eneida de Virgili, que “terra” és el nom del “elementum”, mentre que Tellus es refereix a la divinitat i a l’esfericitat planetària. Tellus podria relacionar-se amb una arrel indogermànica, la mateixa que donaria lloc al sànscrit talam, que es fa servir per referir-se a un terreny pla. En les llengües germàniques, però, trobem una arrel diferent , ertho, que dóna lloc a “jord”, en les llengües germàniques nòrdiques, i erde en alemany, mentre que en anglès en resulta “earth”. Aquesta arrel podria relacionar-se amb el mot índic pṛthvī. Ge, terra i earth mantenen camps semàntics semblants, i s’empren, doncs, per designar el planeta, la superfície planetària i els materials no-metàl•lics i/o no-petris, d’aquesta superfície. L’oposició metall/terra es va fer servir fins a l’adveniment de la química elemental moderna. Hom considerà l’existència de diversos elements metàl•lics, els quals, en reacció amb l’oxigen, donaven lloc a terres. No tots els òxids metàl•lics rebien, però, la consideració de “terres”. Els òxids dels metalls alcalins pròpiament dits, com el liti, el sodi, el potassi, etc., eren exclosos. En canvi, hom considerava alcalinoterris els òxids de metalls com el beril•li, el magnesi, el calci, etc. En les primeres dècades del segle XIX, hom designà com a “terres rares” un conjunt d’òxids metà•lics prèviament desconeguts. La recerca posterior va permetre una classificació d’aquestes “terres rares”, que resultaren no tan infreqüents com deixa entendre l’adjectiu. Encara que els químics tendiren a abandonar el mot “terra”, aquest fou preservat en les expressions de “alcalinoterri” i de “terra rara”. La IUPAC no recomana gaire aquesta expressió. Alguns autors consideren “elements de terres rares” tot l’anomenat “bloc f” de la taula periòdica, afegint-hi l’escandi i l’itri. D’altres exclouen els actínids (els elements del bloc f pertanyents al setè període) d’aquesta definició. Uns altres estenen la definició a altres elements “rars” (el liti, el beril•li, el rubidi, el cessi, el gal•li, el germani, l’indi i l’estany). Nosaltres, en tot cas, arribem al nombre 21 de la nostra sèrie, corresponent al més lleuger dels elements habitualment considerats com a “terres rares”.

Encara que el bloc f es podria situar en el lloc que li pertoca, situat entre els bloc s (alcalins i alcalinoterris) i el bloc d (metalls de transició), el més habitual és estendre’l com un annex. L’escandi, l’itri i els elements del bloc f són considerats de vegades “terres rares” o, més pròpiament, “elements de terres rares”

Lars Fredrik Nilson i la descoberta de l’escandi

Lars Fredrik Nilson va nàixer el 27 de maig del 1840 a Skönberga (Söderköping, Östergötlanda, Regne de Suècia). El seu pare, Nikolaus Nilson, era pagès i va moure la família, quan Lars encara era petit, a l’illa de Gotland. Després de graduar-se a Gotland, al 19 anys, Lars Fredrik Nilson ingressà a la Universitat d’Uppsala, on estudià ciències naturals.

Entre els seus professors a Uppsala, tingué Lars Fredrik Svanberg. Svanberg era professor de química a Uppsala des del 1853, i des del 1839 era membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències. Svanberg havia estat deixeble de Jöns Jacob Berzelius, mort el 1848. Svanberg animà Nilson a especialitzar-se en química. El 1866, Nilson defensa reeixidament la tesi doctoral. Romangué a la universitat com a docent i investigador. En el 1874, esdevingué professor associat de química, a la vegada que orientava la seva recerca a les terres rares.

Un espècimen d’iterbita

Carl Axel Arrhenius (1757-1824) era un tinent del Regiment d’Artilleria Svea, estacionat a Vaxholm, en l’arxipèlag d’Estocolm. Com molts altres oficials artillers era interessat en la química moderna i en la mineralogia. Coneixia personalment Peter Jacob Hjelm (1746-1813), professor en l’acadèmia de mines. En el 1787, Arrhenius trobà en una pedrera d’Ytterby, un poble de l’illa de Resarö, prop de Vaxholm, un mineral negre que li cridà l’atenció. En no poder classificar-lo, per bé que sospitava que era un mineral de tungstè, el designà amb el nom d’iterbita. Mesos després, emprengué una gira per Europa en la qual, a París, conegué personalment Antoine Lavoisier (1743-1794). En el 1788, Arrhenius, retornat al regiment, participà en el conflicte bèl•lic que havia esclatat a Finlàndia entre el rei Gustau III de Suècia i la tsarina Caterina II de Rússia. Les obligacions militars no suspengueren l’activitat científica d’Arrhenius, que havia esdevingut un promotor de les idees de Lavoisier a Suècia. Pel que fa a l’iterbita, en el 1792 trametré mostres a Johan Gadolin (1760-1852), membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències. Gadolin analitzà químicament el material, i identificà una terra, és a dir un òxid metàl•lic, que denominà “ítria”, descoberta que comunicà en el 1794 (“Undersökning af en svart tung Stenart ifrån Ytterby Stenbrott i Roslagen”. Kongl. Vetenskaps Academiens Nya Handlingar 15: 137–155.).

La descripció de l’iterbita i de l’ítria, per part de Gadolin, interessà Jöns Jacob Berzelius i Wilhelm Hisinger, que reexaminaren alguns espècimens minerals similars. En el 1800, la iterbita ja havia redenominada “gadolinita”, en honor de Gadolin. Anders Gustav Ekeberg (1767-1813), professor de química a la Universitat d’Uppsala, demostrà la presència de beril•li (=glucini, element químic descrit el 1798 per Louis Nicolas Vauquelin) com un dels elements presents en la gadolinita. En el 1803, Berzelius i Hisinger descobrien un òxid blanc, similar a l’ítria, però química diferent, en un espècimen procedent de Bastnäs (Västmanland), que havien classificat inicialment com un mineral de ferro-tungstè. Berzelius denominà a aquest òxid, cèria, en honor al planeta Ceres, descobert també recentment, en el 1801, per part de Giuseppe Piazzi. Martin Heinrich Klaproth (1743-1817), per la mateixa època, havia descrit una altra terra, a la que denomina òcria. La cèria i l’òcria resultaren ser químicament el mateix material.

Ara bé, la natura química de la cèria i de l’ítria no era resolta. Lo més lògic era suposar que fossin els òxids de dos metalls desconeguts. En el 1839, Carl Gustav Mosander (1797-1858), un col•laborador de Berzelius, va escalfar cèria dissolta en àcid nítric. Mosander proposà de restringir el mot cèria, a la fracció insoluble en àcid nítric, mentre que la fracció soluble la denominà “lantana”. En els anys següents, Mosander comprovà que la lantana era una barreja de dos compostos: la lantana pròpiament dita, i una altra terra, que denominà didímia (en el sentit que era bessona de la lantana).

Mosander, alhora, sotmeté a anàlisi l’ítria a noves tècniques analítiques. Aconseguí d’aïllar-ne tres òxids diferents, als quals denominà amb combinacions de la paraula “iterbita”: ítria, tèrbia i èrbia. Mentre la tèrbia es caracteritzava per donar lloc a sals de coloració rosa, l’erbi, en forma de peròxid, adquiria una tonalitat groga.

La nomenclatura de totes aquestes terres rares es va complicar arran de les descobertes de Nils Johan Berlin (1812-1891), John Lawrence Smith (1818-1883) i Marc Delafontaine (1837-1911). Berlin emprà els mots “tèrbia” i “èrbia” en un sentit diferent de Mosander. Delafontaine s’hi referia amb els noms filípia i decípia. Smith distingí en l’ítria un òxid al que denominà “mosàndria”.

També era complexa la natura química del mineral “uranotàntal”, que Gustav Rose (1798-1873) havia descrit en el 1839 a partir d’un espècimen de Miass, al sud dels Urals.

La descoberta de la periodicitat entre els elements químics, descrita particularment en la taula de Dmitri Mendeleev (1834-1907) afegia una perspectiva teòrica a la qüestió dels elements de les terres rares. La taula de Mendeleev, en efecte, presentava una sèrie de llocs buits, corresponents a elements desconeguts o poc caracteritzats. L’element del període 4 del grup III, per exemple, havia de tindre un pes atòmic de 44 (o, si més no, entre 40 i 48). Aquest element desconegut era designat com a exa-bor o exa-alumini, en tant que havia de compartir les característiques químiques bàsiques d’aquests elements.

Espècimen d’euxenita, procedent de Vegusdal (Noruega). Aquest mineral fou descrit en el 1870, i es guanyà el nom d’euxenita (del grec εύξεινος), per la seva hospitabilitat envers les terres rares (o “xèniques”), ja que en contenia amb bona quantitat

Nilson, que entre el 1873 i el 1878, havia realitzat diversos viatges d’estudi i recerca fora de Suècia, s’havia fet un nom en l’estudi de la química inorgànica de sals. En el 1875, havia estudiat el paper de la suplementació dels sòls amb sals de seleni. La qüestió d’omplir la taula periòdica amb la descoberta de nous elements entre les terres rares ja descrites, però, el va ocupar de manera creixent.

En el 1878, Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) havia estat capaç de diferenciar en l’èrbia, una altra terra rara, a la que denominà itèrbia. Això elevava a quatre (ítria, èrbia, tèrbia i itèrbia) les terres rares aïllades de l’iterbita o gadolinita. Nilson va escriure un article sobre “la nova terra de Marignac”, en el que resumia els coneixements sobre els metalls presents en la gadolinita i les seves pròpies experiències. Emprant particularment les metodologies analítiques que dècades abans havia desplegat Nils Johan Berlin, Nilson i els seus col•laboradors, analitzaren no tan sols la gadolinita sinó també l’euxenita. Reproduint la terra itèrbia de Marignac, comprovaren que encara en ella era possible detectar una altra terra rara. Aconseguiren d’extreure fins a 2 grams d’aquesta altra terra rara, i n’estudiaren el metall terri que era la base d’aquest òxid. Nilson comunicà la descoberta en un article a “Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft”. En aquest article, el metall ja apareix amb el nom d’escandi (“Scandium”), en honor d’Escandinàvia (en llatí, Scandia), país d’on procedien, de fet, la majoria de descripcions dels minerals, òxids i metalls de “terres rares”. Que la gadolinita hagués estat descrita originàriament a Suècia i l’euxenita a Noruega, enfortia la unió dels dos reialmes escandinaus, encarnada en el rei comú. Com a símbol químic, se’n proposaven les inicials, Sc.

L’escàndia, és a dir l’òxid d’escandi, tenia una fórmula empírica de Sc2O3. L’escandi mateix presenta un pes atòmic teòric de 45. Aquestes característiques cridaren l’atenció de Per Teodor Cleve (1840-1905), que en publicà un article en el que suggeria que l’escandi era l’exa-bor predit per Mendeleev. Així, quedava situat en la taula periòdica com l’element del quart període del tercer grup, entre el calci i el titani. En aquest sentit, doncs, podem dir que Mendeleev havia predit la descoberta d’aquest element amb vuit anys d’avançament. Alhora, la descoberta de l’escandi refermava la periodicitat dels elements químics.

Versions posteriors de la taula periòdica desdoblaren el grup III d’elements. En la nomenclatura europea, en el grup IIIA quedaren l’escandi i l’itri, mentre en el grup IIIB hi havia el bor, l’alumini, el gal•li, l’indi i el tali. En la nomenclatura nord-americana (de la CAS), la relació era la inversa, i l’escandi i l’itri encapçalaven el grup IIIB. En la nomenclatura actual, el grup del bor és conegut com a grup 13, i el grup 3 és el de l’escandi i el de l’itri. Val a dir, que no hi ha acord sobre l’extensió d’aquest grup 3. De vegades, el luteci i el laurenci apareixen com els elements de període 6 i període 7, respectivament, del grup de l’escandi. D’altres, ho són el lantà i l’actini. D’altres, s’estimen més incloure en el grup 3 tots elements del bloc f.

Malgrat que ho intentà, Nilson no reeixí a purificar l’escandi en la seva forma metàl•lica. Però l’estudi de l’òxid d’escandi era suficient per determinar amb certesa el pes atòmic del nou metall. En col•laboració amb Sven Otto Petterson (1848-1941), Nilson contribuí a esclarir el pes atòmic de nombrosos metalls. Precisà el del beril•li en 9,4. A través de l’estudi de les sals corresponents de clorur, calcularen també els del germani, alumini, titani i indi. A través de diferents sals (clorur, nitrit i iodur-nitrit), estudiaren també les propietats fonamentals del platí. Amb Gerhard Krüss estudià les propietats del tori, a través de les característiques (densitat, etc.) dels vapors de clorur de tori (1887). En un vessant més pràctic, continuà amb els estudis sobre química agrícola (fertilització amb fosfats) i alimentària (estudis sobre la llet i sobre el valor alimentari de diverses plantes silvestres). Es va morir el 14 de maig del 1899. El seu fill, Gunnar Nilson (mort el 1951), llavors de 27 anys, va llicenciar-se en medicina aquell mateix any a l’Institut Karolinska.

No fou fins el 1937, que Fischer et al. aconseguiren purificar escandi metàl•lic a través d’una barreja, eutèctica a 1000-1100 K, de KCl, LiCl i ScCl3, sotmesa a electròlisi. De totes formes, hom no arribà a obtindre una lliura d’escandi metàl•lic amb un grau de puresa del 99% fins el 1960. En el 1971, Lowell A. Willey patentà per a l’Aluminium Co Of America un aliatge d’alumini i escandi (amb percentatges d’escandi del 0,01% al 5%).

El desenvolupament de cristalls de làser fets de granats de gadolini-escandi-gal•li (GSSG), en el marc de la Iniciativa de Defensa Estratègia (SDI) de l’Administració Reagan (la denominada Reagan’s Star Wars), va estimular la recerca en noves fonts d’escandi, addicionals a les basades en minerals d’urani.

L’escandi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard de l’escandi es calcula en tant que element monoisotòpic, com a 44,955908, coincident amb la seu únic isòtop estable, 45Sc. Una llista completa de tots els isòtops coneguts seria:
– escandi-36 (36Sc; 36,01492 uma). Nucli format per 21 protons i 15 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a calci-35, amb emissió d’un protó.
– escandi-37 (37Sc; 37,00305 uma). És un isòtop molt inestable. Nucli format per 21 protons i 16 neutrons. Decau a calci-36, amb emissió d’un protó.
– escandi-38 (38Sc; 37,99470 uma). Nucli format per 21 protons i 17 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 3•10-7 s. Posseeix un estat metastable (38mSc). Decau en qualsevol cas a calci-37, amb emissió d’un protó.
– escandi-39 (39Sc). Nucli format per 21 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 3•10-7 s. Decau a calci-38, amb emissió d’un protó.
– escandi-40 (40Sc; 39,977967 uma). Nucli format per 21 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,1823 s. Decau normalment (99,54%) a calci-40 (amb emissió d’un positró) o, alternativament, a potassi-39 (0,44%; amb emissió d’un protó i d’un positró) o a argó-36 (0,017%; amb emissió d’un nucli de 4He i d’un positró).
– escandi-41 (41Sc; 40,96925113 uma). Nucli format per 21 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,5963 s. Decau a calci-41, amb emissió d’un positró.
– escandi-42 (42Sc; 41,96551643 uma). Nucli format per 21 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,6813 s. Posseeix un estat metastable (42mSc), a 616,28 keV, que té una semivida de 61,7 s. En qualsevol cas, decau a calci-42, amb emissió d’un positró.
– escandi-43 (43Sc; 42,9611507 uma). Nucli format per 21 protons i 22 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,400•104 s (prop de 4 hores). Decau a calci-43, amb emissió d’un positró. Posseeix dos estats metastables: un a 151,4 keV (43m1Sc, amb una semivida de 4,38•10-4 s) i un altre a 3123,2 keV (43m2Sc, amb una semivida de 4,70•10-7 s).
– escandi-44 (44Sc; 43,9594028 uma). Nucli format per 21 protons i 23 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,43•104 s (prop de 4 hores). Decau a calci-44, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastables: un a 67,8680 keV (44m1Sc; amb una semivida de 1,542•10-7 s), un altre a 146,224 keV (44m3Sc; amb una semivida de 5,04•10-5 s) i un tercer a 270,95 keV (44m2Sc; amb una semivida de 2,110•105 s, uns 2 dies i mig; que decau en 98,8% a l’estat basal i en un 1,2% directament a calci-44).
– escandi-45 (45Sc; 44,9559119 uma). Nucli format per 21 protons i 24 neutrons. És l’únic isòtop estable de l’escandi, i pràcticament l’únic que s’hi troba en forma natural. Posseeix un estat metastable, 45mSc, a 12,40 keV, amb una semivida de 0,318 s, i que decau a l’estat basal.
– escandi-46 (46Sc; 45,9551719 uma). Nucli format per 21 protons i 25 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,239•106 s (gairebé 3 mesos). Decau a titani-46, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables: un a 52,011 keV (46m1Sc; amb una semivida de 9,4•10-6 s) i un altre a 142,528 keV (46m2Sc; amb una semivida de 18,75 s, per decaure a l’estat basal). Una bona part de la producció artificial d’aquest isòtop radioactiu es fa servir com a traçador en refineries de petroli.
– escandi-47 (47Sc; 46,9524075 uma). Nucli format per 21 protons i 26 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,8937•105 s. Decau a titani-47, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (47mSc), a 766,83 keV, amb una semivida de 2,72•10-7 s.
– escandi-48 (48Sc; 47,952231 uma). Nucli format per 21 protons i 27 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,572•105 s (44 hores). Decau a titani-48, amb emissió d’un electró.
– escandi-49 (49Sc; 48,950024 uma). Nucli format per 21 protons i 28 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3430 segons (prop d’1 hora). Decau a titani-49, amb emissió d’un electró.
– escandi-50 (50Sc; 49,952188 uma). Nucli format per 21 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 102,5 s. Posseeix un estat metastable (50mSc) a 256,895 keV, amb una semivida de 0,35 s, i que normalment (97,5%) a l’estat basal o, alternativament (2,5%) directament a titani-50.
– escandi-51 (51Sc; 50,953603 uma). Nucli format per 21 protons i 30 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 12,4 s. Decau a titani-51, amb emissió d’un electró.
– escandi-52 (52Sc; 51,95668 uma). Nucli format per 21 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,2 s. Decau a titani-52, amb emissió d’un electró.
– escandi-53 (53Sc; 52,95961 uma). Nucli format per 21 protons i 32 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de poc més de 3 s. Decau normalment (>99,9%) a titani-53 (amb emissió d’un electró) o alternativament (<0,1%) a titani-52 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– escandi-54 (54Sc; 53,96326 uma). Nucli format per 21 protons i 33 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,260 s. Decau normalment (>99,9%) a titani-54 (amb emissió d’un electró) o alternativament (<0,1%) a titani-53 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (54mSc) a 110 keV, amb una semivida de 7•10-6 s.
– escandi-55 (55Sc; 54,96824 uma). Nucli format per 21 protons i 34 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,115 s. Decau normalment (>99,9%) a titani-55 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%) a titani-54 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– escandi-56 (56Sc; 55,97287 uma). Nucli format per 21 protons i 35 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,035 s. Decau a titani-56, amb emissió d’un electró.
– escandi-57 (57Sc; 56,97779 uma). Nucli format per 21 protons i 36 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,013 s. Decau a titani-57, amb emissió d’un electró.
– escandi-58 (58Sc; 57,98371 uma). Nucli format per 21 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,012 s. Decau a titani-58, amb emissió d’un electró.
– escandi-59 (59Sc; 58,98922 uma). Nucli format per 21 protons i 38 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,010 s. Decau bé a titani-58 (amb emissió d’un neutró i d’un electró) a titani-59 (amb emissió d’un electró).
– escandi-60 (60Sc; 59,99571 uma). Nucli format per 21 protons i 39 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,003 s.

L’àtom neutre d’escandi conté 21 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d14s2. És, doncs, el primer element del bloc d i, en conseqüència, també, el primer element del grup 3. Pertany al quart període. En tant que membre del bloc d és comptar com a “metall de transició”, per bé que per raons històriques també se’l compta amb a “element de terra rara”. L’estat d’oxidació més habitual és el de +3 (Sc+3, corresponent a la cessió dels electrons dels nivells 3d i 4s), per bé que també s’han descrit els de +2 (p.ex. en ScH2, compost preparat i estudiat per McGuire & Kempter en el 1960) i els de +1 (p.ex. en ScH, detectat per R. E. Smith en el 1973). Presenta un radi de Van der Waals de 1,62•10-10 m.

Dues mostres d’escandi sublimat dendrític, amb una puresa del 99,998%, juntament amb una peça cúbica d’escandi refós en forn d’arc elèctric d’argó

L’escandi elemental, en condicions estàndards de pressió i temperatura, es presenta com un sòlid metàl•lic d’aspecte argentí, amb una densitat de 2985 kg•m-3 i una estructura cristal•lina hexagonal estretament empacada. En presència d’aire atmosfèric, l’escandi metàl•lic s’oxida fàcilment, quedant recobert d’una capa de coloració groga o rosada (formada per Sc2O3). Resisteix l’atac d’àcids forts, per la mateixa raó: la capa passiva superficial esdevé impermeable. No obstant, si l’atac és perllonga en el temps, la peça d’escandi seria dissolta fins i tot per solucions aquoses de pH lleugerament àcid. Virolles d’escandi, sota la flama, emeten un color groc brillant característic, aprofitat en química analítica, i que es correspon a la formació de Sc2O3.

En condicions estàndards de pressió, el punt de fusió de l’escandi és a 1814 K. A aquesta temperatura, l’escandi líquid és d’una densitat de 2800 kg•m-3. La temperatura d’ebullició, a pressió estàndard, és de 3109 K.

El radi iònic del Sc+3 és de 7,45•10-11 m, a mig camí entre els valors de l’Al+3 (5,35•10-11 m) i el d’altres elements de terres rares (Y3+, 9,00•10-11 m; La3+, 10,32•10-11 m). Les propietats químiques generals l’apropen més als segons que no pas als primers.

Entre els compostos de l’escandi podem esmentar:
– L’òxid d’escandi (Sc2O3) o escàndia. Es presenta en condicions estàndards de pressió i temperatura com un sòli de 3860 kg•m-3.
– tantalat de plom i d’escandi (Pb2(ScTa)O6). Es presenta en condicions estàndards, com un material ceràmic ferroelèctric, i és emprat en la fabricació de sensors d’infraroig.
– sulfat d’escandi (Sc2(SO4)3). És emprat en solucions molt diluïdes com a tractament per afavorir la germinació de cereals i lleguminoses.

L’abundància de l’escandi en l’univers és limitada, cosa esperable en un element de Z senar, però que a més es veu agreujada per un escanyament en la gràfica Z/A d’isòtops estables: l’escandi presenta únicament un isòtop estable, 45Sc. És generat en minses quantitats en el procés r de la fase de supernova dels estels massius.

En el nostre Sistema Solar, l’escandi és, doncs, poc abundant. Per cada milió d’àtoms de silici, amb prou feines hi ha unes desenes d’àtoms d’escandi. De fet, dels elements químics de nombre atòmic inferior, tan sols en són menys abundant el bor i el beril•li. Si mirem la taula periòdica cap endavant, superen en abundància a l’escandi tots els elements que el segueixen fins arribar al gal•li (Z=31), i encara alguns més de nombre atòmic superior (concretament, el germani, el seleni i el criptó).

L’escandi és el 23è element més abundant del Sol. A la Terra, en canvi, baixa a la posició 50 (amb una abundància d’11 ppm en termes de massa, i de 6,3 ppm en termes atòmics). Com a element litòfil que és, guanya posicions si hom considera únicament la litosfera, arribant a la posició 35a. En termes de massa, l’abundància a l’escorça terrestre és de 18-25 ppm, un valor que s’apropa a d’altres elements molt més abundants en el còmput global del Sistema Solar (p.ex., queda tan sols una mica per sota del Co quan, en el Sistema Solar, per cada àtom de Sc hi ha gairebé un centenar d’àtoms de Co). Els valors d’abundància atòmica en l’escorça són comparables als d’altres elements de terres rares, i supera en 3 ordres de magnitud els valors dels metalls autènticament rars (com l’or o el platí).

El nom de terra rara, aplicat a l’escàndia, potser es justifica més si atenem a la seva distribució. Es troba en molts minerals, a molt baixa concentració, mentre que els minerals que el contenen amb més profusió són efectivament rars. Les fonts minerals d’escandi que tinguin una consideració econòmica, ni que sigui potencial, són poques:
– thortveitia ((Sc,Y)2Si2O7). És la principal font actual d’escandi. Se la troba en pegmatites granítiques. D’acord amb la presència d’impureses, pot prendre una coloració verda, negra o grisa o, més rarament, com una gema transparent. En els casos més favorables, de 100 g de thortveitita pot arribar-se a extreure un 45% de Sc2O3.
– euxenita.
– gadolinita.
– kolbeckita (ScPO4•2H2O). Mineral descobert a Schmiedeberg, Saxònia, en el 1926, fou denominat en honor de Friedricj L. W. Kolbeck.
– panguita (Ti4+,Sc,Al,Mg,Zr,Ca)1,8O3. Mineral descrit per Ma et al. (2012), com una inclusió en el meteorit d’Allende (que caigué a la Terra el 8 de febrer del 1969)

Espècimen de thortveitita, procedent de Ljoslandsåsen, Iveland, Noruega. Aquest mineral, silicat d’itri i d’escandi, fou denominat en honor d’Olaus Thortveit.

La presència d’escandi en la hidrosfera i, encara més, en l’atmosfera, és molt minsa. La concentració d’escandi en els oceans és de l’ordre 1 pg•L-1.

Encara que alguns compostos d’escandi són emprats en agricultura, el cert és que es desconeix si realment aquest element té algun paper fisiològic en algun organisme. L’exposició a Sc2O3 pot provocar irritació puntual. De mitjana, hom calcula que un organisme humà adult porta en el seu cos 0,2 mg de Sc. Haley et al. (1962) estudiaren la farmacologia i toxicologia del ScCl3, estimant unes dosis letals del 50% de 755 mg•kg-1 per via oral i de 4 mg•kg-1 per via intraperitoneal.

Les aplicacions de l’escandi

La producció mundial anual d’òxid d’escandi és de 2 tones. La major part d’aquesta producció deriva del processament d’estocs acumulats a Rússia en els anys 1970 i 1980. La resta, uns 400 kg anuals, procedeixen de la producció primària, bàsicament de les mines d’urani i ferro de Zhovti Vody (Província de Dnipropetrovsk, Ucraïna), les mines de terres rares de Bayan Obo (Mongòlia Interior) i les mines d’apatita de la península de Kola. En tots aquests casos, l’òxid d’escandi apareix com un subproducte de l’activitat minera principal.

L’escàndia o òxid d’escandi té diverses aplicacions. Anualment, als Estats Units, es destinen uns 20 kg de Sc2O3 a la producció de làmpades de descàrrega d’alta intensitat.

Una part de la producció anual d’òxid d’escandi es destina a la producció d’escandi metàl•lic. Amb una reacció amb HF, se n’obté fluorur d’escandi (ScF3) que dóna lloc a escandi elemental a través d’una reducció amb calci metàl•lic. La producció anual d’escandi metàl•lic és d’uns 10 kg anuals.

Un altre compost rellevant és el clorur d’escandi, base per a l’obtenció d’alguns compostos organoscàndics. Per produir-ho es fa reaccionar l’escàndia amb amb àcid clorhídric i clorur d’amoni:
Sc2O3 + 6 HCl → 2 ScCl3nH2O + 3 H2O
ScCl3nH2O + n NH4Cl → ScCl3 + n H2O + n NH4Cl

Un altre halur, el iodur d’escandi, entra en la formulació d’algunes làmpades d’halur metàl•lic. Les característiques d’emissió d’aquestes làmpades les fan interessants en la construcció de càmeres de vídeo que enregistrin fidelment ens colors.

Com hem dit abans, la principal aplicació quantitativa de l’escandi metàl•lic és la fabricació d’aliatges d’alumini. A partir d’una concentració del 0,5% de Sc, ja es deixen notar els efectes d’enfortiment. La presència d’escandi, a través de la formació de cristalls de Al3Sc, redueix la granulació derivada del sobreescalfament de peces d’alumini.

Aliatges d’alumini-escandi, amb concentracions d’escandi de 0,1% a 0,5%, són emprats en la confecció d’alguns components aeronàutics. Els primers aliatges desenvolupats a la Unió Soviètica tingueren aplicació en components d’aeronaus militars com el MiG-21 i el MiG-29. Encara que avui, la principal destinació quantitativa sigui la indústria aeronàutica, el rang d’ús d’aliatges d’alumini-escandi ha augmentat una mica, i en trobem, ni que sigui de manera anecdòtica, en components de bicicletes, en material esportiu d’alta gamma (com bats de beisbol) o en la carcassa d’algunes armes de foc.

Dins de programes de recerca militar, es desenvoluparen làsers de granats que contenien escandi, com ara els làsers Er;Cr:YSGG (erbi,crom, itri, escandi i gal•li). Una aplicació civil creixent es troba en odontologia, on aquests làsers són emprats en diversos tractaments endodentaris i de reparació de càries.

Cristalls d’Er;Cr;Y;Sc;Ga, emprats en la confecció de làsers amb aplicacions en odontologia

Una altra aplicació és l’estabilització de zircònia (ZrO2) en la confecció d’electròlits d’altra eficiència en cèl•lules de combustible d’òxid sòlid.

El triflat d’escandi (trifluorometansulfonat d’escandi) és un acceptor electrònic (àcid de Lewis) emprat en algunes reaccions de química orgànica. S’obté a partir de la reacció de l’àcid trifluorometansulfònic (àcid tríflic) amb l’òxid d’escandi. Del clorur d’escandi s’obtenen alguns compostos organoscàndics amb certes aplicacions en la catàlisi de reaccions de polimerització en química orgànica

Arxivat a Ciència i Tecnologia
One comment on “Els empèdocles moderns – Lars Fredrik Nilson (1879) i l’element 21 (Sc) – escandi (nilbiuni, Nbu)
  1. […] En parlar de l’escandi, vèiem com Lars Fredrik Nilson identificava aquest material en l’iterbita o gadolinita. La primera denominació d’aquest material ha estat prolixa en la denominació d’elements de terres rares. En el 1794, de la iterbita s’identificà l’ítria, la terra rara corresponent a l’element que ara coneixem com a itri. En el 1842, en l’ítria Carl Gustaf Mosander identificà d’altres terres rares, i fa fer mans i mànigues per denominar-les a través de la segmentació del mot “iterbita”: “èrbia” i “tèrbia”. Encara en el 1878, hom utilitzà el nom d’“itèrbia” per referir-se a una quarta terra rara. També en la “iterbita” s’identificaren els elements que avui coneixement com a holmi (denominat així a partir d’Estocolm) i com a tuli (denominat així a partir de Tule, país mític identificat amb Escandinàvia). El mateix descobridor de l’iterbita, Gadolin, dóna nom a una altra element de terra rara, el gadolini. Comptat i debatut, en la història i en l’etimologia de les terres rares, el topònim Ytterby ha estat força fructífer. Ytterby és un topònim d’etimologia vulgar i transparent. Ytter- vol dir “exterior”. El sufix -by indica llogarret. I, efectivament, avui és, com a fa dos segles, un petit poble de Resarö. En aquesta illa de poc menys de 3000 habitants, els dos nuclis de població tenen topònims semànticament confrontats: Överby vs. Ytterby. Resarö és avui connectada per carretera amb les illes veïnes, d’una banda amb el continent, i de l’altra amb l’illa de Vaxholm, capital del terme municipal en la qual és inclosa Resarö. Tot plegat, dins de l’arxipèlag d’Estocolm, ara tan comunicat per carretera que fa que la comunicació per barca no tingui la rellevància d’antuvi. En el veïnat d’Ytterby, ara ja absorbit pel nucli urbà, era on es trobava la pedrera (gruva) en la qual es va descobrir el mineral conegut com a iterbita (en honor de l’indret) o gadolinita (en honor del descobridor). Ara la pedrera és lloc de pelegrinatge per al turisme científic. I com si s’hagués de tancar així el cicle, les descobertes químiques són ben presents en el nomenclàtor d’Ytterby: Yttriumvägen, Tantalvägen, Gadolinitvägen, etc. Nosaltres arribem així al nombre 39 de la nostra sèrie. […]

Els comentaris estan tancats.

A %d bloguers els agrada això: