Skand (Sc) – właściwości, działanie i występowanie skandu

Skand (Sc) to pierwiastek, którego jest na świecie niewiele mniej niż kobaltu, a mimo to mało kto o nim słyszał. Ten dość rzadki metal faktycznie nie wpłynął jak dotąd w żaden zasadniczy sposób na dzieje ludzkości, co nie znaczy, że nie jest praktycznie wykorzystywany. Co więc warto wiedzieć o skandzie i jaki tkwi w nim potencjał?

W chemii pierwiastki klasyfikuje się według grup posiadających podobne właściwości. Skand na tej zasadzie przynależy do metali przejściowych odznaczających się tendencją do łatwego  tworzenia pozytywnie naładowanych jonów oraz stopów. Z drugiej strony, skand zaliczany jest jednak również do tzw. metali ziem rzadkich, czyli inaczej mówiąc skałolubnych. Jego pozycja w układzie okresowym pierwiastków to grupa 3, okres 4 oraz tzw. blok d.

Historia skandu

Dmijtrij Mendelejew przewidział istnienie skandu na kilka lat przed jego odkryciem. Segregując pierwiastki w swojej słynnej tablicy odnotował on lukę między wapniem (Ca) o liczbie atomowej 20, a tytanem (Ti) o liczbie atomowej 22. Wielu naukowców podjęło się poszukiwań brakującego elementu, nazwanego roboczo „eka-boronem”. Tymczasem prawdziwe odkrycie było, jak to się często zdarza, dziełem szczęśliwego przypadku. Pracujący w 1871 r. w Uppsali szwedzki chemik, Lars Fredrik Nilson, próbował wyizolować iterb z dwóch minerałów, euksenitu oraz gadolinitu. Jego metoda polegała na pozyskaniu najpierw tlenku iterbu, a następnie przekształceniu go w sól azotową. Gdy podgrzewał tą ostatnią doszedł do wniosku, że zawiera ona dodatkowo nieznany jeszcze pierwiastek o niskiej masie atomowej. Po dokonaniu analizy spektrometrycznej okazało się, że posiada on 30 unikalnych linii spektralnych i faktycznie nie został nigdy wcześniej opisany. Nilson z 10 kilogramów euksenitu wyizolował więc 2 gramy tlenku skandu i ochrzcił swoje odkrycie na cześć Skandynawii, nie zdając sobie sprawy, że pierwiastek dokładnie pasuje do słynnej luki w układzie Mendelejewa. Owo dopasowanie udowodnił dopiero kolejny Szwed, Per Teodor Clev.

Po raz pierwszy metaliczną formę skandu otrzymano dopiero w 1937 r. w ramach elektrolizy stopionych chlorków skandu, litu i potasu w temperaturze powyżej 700 stopni C. Nie była to jednak wciąż próbka najwyższej czystości – tą (o czystości 99%) udało się wytworzyć dopiero w latach 60-tych. W kolejnej dekadzie w USA i Rosji rozwinięto system produkcji stopów aluminium i skandu.

Właściwości skandu – jakie związki tworzy?

Skand jest dość miękkim, srebrzysto-białym metalem, który pod wpływem kontaktu z powietrzem (oksydacji) w długim okresie czasu pokrywa się lekko żółtawą lub różowawą powłoką – na powierzchni tworzy się wówczas tlenek skandu (Sc203). Metal powoli rozpuszcza się w większości rozcieńczonych kwasów, łatwo się spala emitując imponujący żółty płomień, a ponadto reaguje z wodą.

W temperaturze od -273 stopni C do +1541 stopni C, czyli punktu topnienia, wykazuje właściwości paramagnetyczne, co oznacza, że jest przyciągany przez magnes, ale słabiej niż klasyczne ferromagnetyki. Ponadto jest nadprzewodnikiem w temperaturze poniżej -273 stopni C przy ciśnieniu wynoszącym 186 kilobarów.

Skand zachowuje się przy tym nieco inaczej niż inne metale ziemi rzadkich, gdyż posiada znacznie mniejszy promień jonowy. W rezultacie tworzy dość silnie kwasowe jony Sc3+. Oprócz tlenków i wodorotlenków występuje w halogenkach  – bromek, chlorek i jodek skandu są doskonale rozpuszczalne w wodzie. Ponadto skand tworzy związki metaloorganiczne, a także wysoce niestabilny wodorek.

Występowanie i wydobycie skandu

Skand jest 50-tym najczęściej występującym pierwiastkiem na naszej planecie, a 35-tym najczęstszym w skorupie ziemskiej. Jego ilość nie jest więc duża, a na dodatek występuje w stanie bardzo rozproszonym. Co ciekawe, z analiz naukowych wynika, że znacznie bardziej zasobne w niego są Słońce oraz Księżyc – jego geneza wiąże się z eksplozjami gwiezdnymi znanymi jako supernowa. Bardzo niewiele ziemskich minerałów zawiera jednak skand we większych koncentracjach. Do szlachetnych wyjątków należy oprócz wspomnianego już gadolinitu i euksenitu thortweityt, który może obejmować nawet do 45% tlenku skandu. Ponadto w małych ilościach skand znajdowany bywa w złożach tungstenu, uranu i cyny.

W przyrodzie występuje wyłącznie jeden stabilny izotop skandu – Sc-45. Ponadto znamy jednak jeszcze 25 promieniotwórczych izotopów, spośród których najbardziej stabilny ma okres połowicznego rozpadu na poziomie 83,8 dni, najbardziej radioaktywny zaś zaledwie 300 nanosekund!

Pozyskiwanie skandu jest jak dotąd działalnością niszową, gdyż roczna globalne produkcja nie przekracza 15-20 ton tlenku skandu. Zapotrzebowanie jest jednak nawet dwa razy wyższe! Do celów komercyjnych skand pozyskuje się dziś głównie w procesie przetwarzania cyrkonu, tytanu i niklu, a także izolowania uranu z davidytu. Aby otrzymać czysty metal poddaje się go oczyszczaniu w warunkach próżniowych w temperaturze ponad 1650 stopni C.

Mimo ogromnego popytu nie ma na Ziemi kopalń wyspecjalizowanych w wydobywaniu skandu. Największym producentami na świecie są obecnie są Chiny, Filipiny oraz Rosja. Spore pokłady minerałów zawierających skand znajdują się na Madagaskarze oraz w Norwegii, ale nie są one jak dotąd eksploatowane.

Zastosowania skandu

Współczesne wykorzystanie skandu jest dość ograniczone, ale zdaniem naukowców w tym unikalnym pierwiastku tkwi jeszcze ogromny potencjał. Przeszkodą dla jego realizacji pozostaje niska podaż oraz wysoki koszt metalu sięgający kilkuset tysięcy dolarów na kilogram czystego skandu.

Niska gęstość i wysoka temperatura topnienia sprawiły jednak, że skandem szeroko zainteresował się przemysł zbrojeniowy – już dziś jest on elementem konstrukcyjnym rosyjskich samolotów wojskowych. Ponadto skand przede wszystkim stosowany jest jako element stopów aluminiowych, z których następnie produkuje się sprzęt sportowy (np. ramy do rowerów, kije baseballowe), wędki, pistolety i rewolwery. Jego dodatek – nawet na poziomie tak niskim jak 0,5% –  powoduje tworzenie mniejszych kryształów niż w czystych stopach aluminiowych i zwiększenie trwałości oraz wytrzymałości materiału, zwłaszcza w warunkach podwyższonej temperatury. Pod tym względem skand jest konkurencją dla tytanu. Opracowano już nawet stop zawierający aluminium, lit, magnez, skand i tytan, który jest mocny jak tytan, lekki jak aluminium, a twardy jak ceramika.

Jodek skandu znajduje również zastosowanie w produkcji lamp rtęciowo-parowych, które zapewniają ciepło, promieniowanie UVA i UVB i światło przyjemne dla oczu, bowiem bardzo podobne słonecznemu. Lampy te są szeroko wykorzystywane w kinematografii. Ponadto na bazie tlenku skandu produkuje się wysokiej intensywności oświetlenie dla stadionów sportowych.

Ponadto skand wykorzystuje się w badaniach naukowych i specyficznych pomiarach. Jego radioaktywny izotop Sc-46 dodawany jest do ropy naftowej w celu monitoringu poszczególnych frakcji podczas procesu rafinacji. W podziemnych rurach z kolei pomaga wykrywać ewentualne nieszczelności.

Według raportu przygotowanego przez Kaiser Research Online, rozwój nowych, skuteczniejszych technologii pozyskiwania skandu otworzy szersze możliwości wykorzystywania go w szerszym przemyśle – od produkcji karoserii samochodowej po puszki do napojów!

Ciekawostka: Bardzo rozcieńczone roztwory siarczanu skandu wykorzystywane bywają do poprawy efektywności kiełkowania pszenicy, grochu i kukurydzy.

Wpływ skandu na zdrowie

Skand nie wydaje się pełnić żadnej biologicznej roli w organizmach żywych. Każdy z nas konsumuje od dziennie w ilościach ok. 0,1 mikrograma, co nie wydaje się jednak powodować żadnego uszczerbku na zdrowiu. Pierwiastek może być jednak zagrożeniem dla pracowników zakładów przemysłowych zajmujących się jego obróbką – z obserwacji wynika, że może powodować zatorowość płucną oraz problemy z wątrobą, a ponadto podejrzewany jest o działanie rakotwórcze.

Skand a ekologia

Matka Natura bardzo racjonalnie rozproszyła skand w skorupie ziemskiej. Niestety, współczesny przemysł lekkomyślnie pozbywa się zawierających go odpadów, powstałych np. w procesie produkcji benzyny. Stopniowa akumulacja skandu w środowisku naturalnym przekłada się na zwiększenie jego stężenia w glebie, wodach powierzchniowych, a także organizmach roślinnych i zwierzęcych. Już dziś w tkankach zwierząt wodnych obserwuje się zwiększone ilości skandu w błonach komórkowych, które wydają się negatywnie wpływać na płodność i funkcje systemu nerwowego. Przy dalszym nieodpowiedzialnym zarządzaniu odpadami industrialnymi skutki uboczne akumulacji skandu mogą w bezpośredni sposób dotknąć również człowieka!