Скандий и иттрий
Экабор Менделеева
В 1871 году Менделеев предсказал «экабор» — элемент с атомной массой около 44, оксидом \(\ce{Eb2O3}\) и бесцветными солями. В 1879 году Ларс Нильсон в Уппсале выделил из редких минералов оксид нового элемента — скандия, а Пер Теодор Клеве сразу заметил: это и есть экабор. Совпали и масса, и формула оксида, и свойства.
Скандий, иттрий и лантан открывают d-ряды: \((n-1)d^1ns^2\). Отдав три электрона, они приобретают конфигурацию благородного газа, поэтому единственная устойчивая степень окисления — +3, а соединения бесцветны (у иона \(d^0\) нет d–d-переходов).
| Ион | \(\ce{Al^3+}\) | \(\ce{Sc^3+}\) | \(\ce{Y^3+}\) | \(\ce{La^3+}\) |
|---|---|---|---|---|
| радиус, пм | 54 | 75 | 90 | 103 |
| \(pK_a\) аквакатиона | 5,0 | 4,3 | 7,7 | 8,5 |
| гидроксид | амфотерный | слабо амфотерный | основный | основный |
Маленький трёхзарядный \(\ce{Sc^3+}\) гидролизуется даже сильнее алюминия; при нагревании кристаллогидрат хлорида, как и \(\ce{AlCl3*6H2O}\), теряет HCl.
scienceСкандий
- \(\ce{2Sc + 6HCl -> 2ScCl3 + 3H2 ^}\).
- \(\ce{ScCl3 + 3NH3 + 3H2O -> Sc(OH)3 v + 3NH4Cl}\).
- \(\ce{Sc(OH)3 + 3NaOH ->[конц.] Na3[Sc(OH)6]}\).
- \(\ce{2ScCl3*6H2O ->[t] Sc2O3 + 6HCl + 9H2O}\).
- \(\ce{ScF3 + 3NaF -> Na3[ScF6]}\).
Иттрий и деревня Иттербю
В 1787 году лейтенант Карл Аррениус нашёл у шведской деревни Иттербю чёрный минерал; в 1794 году Юхан Гадолин выделил из него новую «землю» — оксид иттрия. Минералы Иттербю оказались кладом: в честь деревни названы четыре элемента — иттрий, тербий, эрбий и иттербий.
Иттрий по химии — почти лантаноид. Из-за лантаноидного сжатия радиус \(\ce{Y^3+}\) (90 пм) равен радиусу \(\ce{Ho^3+}\), поэтому иттрий всегда встречается вместе с тяжёлыми лантаноидами и разделяется с ними с трудом. Гидроксид \(\ce{Y(OH)3}\) — основание, поглощающее \(\ce{CO2}\) из воздуха.
Оксалатный метод. Редкоземельные элементы осаждают щавелевой кислотой даже из кислых растворов (железо, алюминий, кальций частично остаются в растворе), а оксалаты прокаливают до оксидов.
scienceИттрий
- \(\ce{2YCl3 + 3H2C2O4 + 9H2O -> Y2(C2O4)3*9H2O v + 6HCl}\).
- \(\ce{Y2(C2O4)3 ->[t] Y2O3 + 3CO ^ + 3CO2 ^}\).
- \(\ce{Y2O3 + 6HNO3 -> 2Y(NO3)3 + 3H2O}\).
- \(\ce{2Y + 3Cl2 -> 2YCl3}\).
boltГде искать сходство
Сравнивайте ионы по отношению заряда к радиусу. \(\ce{Sc^3+}\) похож на \(\ce{Al^3+}\) (гидролиз, амфотерность), \(\ce{Y^3+}\) — на \(\ce{Ho^3+}\) и \(\ce{Dy^3+}\), \(\ce{La^3+}\) — на \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Sr^2+}\) по основности гидроксида.
Скандий и иттрий в технике
Скандий дорог, но полезен в малых дозах. Добавка 0,2–0,5 % Sc к алюминию даёт мелкие частицы \(\ce{Al3Sc}\), которые мешают росту зёрен: сплав прочнее и хорошо сваривается — из него делали детали истребителей МиГ-29, а теперь велосипедные рамы и бейсбольные биты. Иодид скандия в металлогалогенных лампах даёт свет, близкий к солнечному, — ими освещают стадионы.
Иттрий: гранат \(\ce{Y3Al5O12}\) с неодимом (YAG:Nd) — рабочее тело самого распространённого твердотельного лазера; \(\ce{Y2O3}\) с европием — красный люминофор; оксид циркония, стабилизированный \(\ce{Y2O3}\), проводит ионы \(\ce{O^2-}\) и работает в лямбда-зондах автомобилей.
history_eduСверхпроводник выше кипения азота
В 1987 году группа Пола Чу получила \(\ce{YBa2Cu3O7}\) — керамику, теряющую сопротивление при 93 К. Впервые сверхпроводник можно было охлаждать не дорогим жидким гелием, а дешёвым жидким азотом (77 К). Формальная степень окисления меди в нём дробная — часть атомов меди «трёхвалентна».
auto_awesomeРассеянный элемент
Скандия в земной коре больше, чем свинца, но мировое производство — лишь порядка десятков тонн оксида в год: богатых скандиевых руд почти нет (минерал тортвейтит редок), и скандий извлекают попутно из отходов урановых, титановых и глинозёмных производств.
push_pinГлавное
Sc, Y (и La) — \((n-1)d^1ns^2\), степень окисления только +3, ионы \(d^0\) — соединения бесцветны. Радиусы: \(\ce{Al^3+}\) 54 < \(\ce{Sc^3+}\) 75 < \(\ce{Y^3+}\) 90 < \(\ce{La^3+}\) 103 пм. Чем меньше катион, тем сильнее гидролиз (\(pK_a\): Sc 4,3, Al 5,0, Y 7,7, La 8,5) и заметнее амфотерность: \(\ce{Sc(OH)3}\) растворяется в концентрированной щёлочи (\(\ce{Na3[Sc(OH)6]}\)), \(\ce{Y(OH)3}\) — основание. Иттрий по радиусу равен гольмию — встречается вместе с тяжёлыми лантаноидами. Оксалаты осаждают из кислых растворов и прокаливают до оксидов. Применение: сплавы Al–Sc, лампы, лазеры YAG, сверхпроводник \(\ce{YBa2Cu3O7}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.