Химические свойства скандия

Химически скандий довольно активен, проявляет степень окисления +3. При этом первыми теряются 4S2-электроны и лишь затем Зd-электроны. С водой он не взаимодействует даже при нагревании, но хорошо растворяется в кислотах с образованием солей Sc3+. По солеобразующей способности скандий сходен со щелочноземельными металлами; подобно кальцию, образует труднорастворимые карбонат, фосфат, фторид и малорастворимый сульфат, тогда как хлорид и нитрат скандия хорошо растворимы. Особенности соединений скандия связаны с их амфотерностью: соли в растворах несколько гидролизованы. В водном растворе ион скандия гидратирован с образованием комплексного иона [Sc(H20) 6] 3+, а при действии щелочи на растворы его солей выпадает нерастворимый гидроксид Sc(OH) 3, осаждение его начинается уже при рН = 4,8 Электроположительный характер скандия обусловил его высокое сродство к неметаллам. На воздухе он, подобно алюминию, покрывается толстой (150–600А) защитной пленкой оксида Sc2O3 и лишь выше 200–250 °С пленка теряет свои защитные свойства и идет дальнейшее окисление скандия;

4Sc + 3 O2 = 2Sc203 + ~1500 кдж

Чистый оксид получается разложением гидроксида при нагревании:

2Sc(OH) 3 Sc203 + 3H20

Он слабо растворяется в кислотах, а с водой образует белый осадок гидроксида. Особенностью соединений скандия является амфотерность – следствие близости к алюминию и малого ионного радиуса 0,83 А. Амфотерность проявляется в способности скандия растворяться (правда, с трудом) в щелочах с образованием комплексного гидроксоскандата:

Sc(OH) 3 + 3 NaOH = Na3 [Sc(OH) 6],

В кислотах гидроксид растворяется легко:

Sc(OH) 3 + 3 HN08 = Sc(N03) 3 + 3 H20

Скандий при нагревании легко реагирует с галогенами и другими неметаллами:

2Sc + 3CI2 = 2ScCl3 + 1800 кдж

Обычно же галогениды получают осаждением солей

Sc(N03) 3 + 3 HF = ScF3 + 3 HN03

или прокаливанием оксида SC2O3 с углем в токе хлора. Галоидные соли скандия – сравнительно тугоплавкие соединения, способные образовывать устойчивые комплексные соединения типа M[Scr4], M² [Scr5], M³ [Scr6] (где Г–F, в меньшей степени, С1), а также аналогичные квасцам двойные Сульфаты M [Sc(S04) 2] и M³ [Sc(S04) 3] (правда, они отличаются от квасцов своей стереометрической структурой). Существование степеней окисления скандия, отличных от +3, не вполне выяснено. В твердом виде были получены соединения скандия, в которых его степень окисления формально равна +2 – карбид ScC2 (состоящий, по предположению, из ионов Sc2+ и С2~2), гидрид ScH2, субхлорид ScCl2. Все эти соединения обладают очень высокой электропроводностью, которая объясняется только тем, что в них присутствуют hohl^Sc3* и свободные электроны (формально Sc2+ = Sc3+ + e). Правда, есть основания предполагать, что при электролизе растворов Sc3+ в качестве промежуточных продуктов образуются ионы Sc2+, но весьма неустойчивые.

В природе соединения скандия присутствуют во многих минералах, содержащих иттрий, лантан, лантаноиды и другие элементы в преобладающих количествах. Эти минералы довольно редки – они встречаются в Скандинавии, на Урале, в Бразилии и реже в США и Австралии. Из собственных минералов скандия известны только стеретит Sc(P04) • 2Н2О и найденный в Норвегии и на Мадагаскаре тортвейтит Sc2 (Si2О7), несколько загрязненные в основном иттрием. Но тортвейтит интересен и другим: единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf4+ и Sc3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония. Однако и они очень редки. С 1911 по 1952 г. тортвейтита было найдено всего 22 кг, а за все время, даже учитывая возросший интерес к скандию, едва ли больше 100 кг. Поэтому скандий относится к группе редкоземельных. Впрочем, он скорее рассеянный элемент – имеет кларк 6 •10-4 (его гораздо больше, чем золота), но содержание в земной коре не вполне четко определено. Природный скандий является «чистым» элементом – он состоит только из одного нерадиоактивного изотопа 45Sc. Искусственно получено еще 14 уже радиоактивных изотопов, из которых наиболее устойчив р-активный 46Sc, период полураспада которого 84 дня.