Скандий и иттрий — Неорганическая химия для олимпиад
Неорганическая химияКурс для олимпиад

Скандий и иттрий

9 заданий

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 и назвал его скандием. Пер Теодор Клеве сразу заметил, что скандий и есть предсказанный экабор: совпали атомная масса, формула оксида и свойства.

Скандий, иттрий и лантан открывают d-ряды. Строение внешних электронных оболочек их атомов выражает формула \((n-1)d^1ns^2\). При потере трёх электронов эти атомы приобретают конфигурацию благородного газа. Поэтому в обычных соединениях для них устойчива степень окисления +3. У образующихся ионов конфигурация \(d^0\): d–d-переходы невозможны, и сами ионы не придают окраски соединениям.

Сходство элементов можно оценить по свойствам их ионов в воде. Окружённый молекулами воды катион способен вызывать отщепление протона от одной из них; этот процесс называют гидролизом аквакатиона. Его характеризует величина \(pK_a\): чем она меньше, тем сильнее гидролиз. Другое важное свойство проявляют гидроксиды. Амфотерным называют гидроксид, который реагирует как с кислотами, так и со щелочами.

Ион\(\ce{Al^3+}\)\(\ce{Sc^3+}\)\(\ce{Y^3+}\)\(\ce{La^3+}\)
Радиус, пм547590103
\(pK_a\) аквакатиона5,04,37,78,5
Гидроксидамфотерныйслабо амфотерныйосновныйосновный

Из таблицы видно, что при переходе от скандия к иттрию и лантану радиус иона растёт, а гидролиз ослабевает. Гидроксид скандия ещё проявляет амфотерность: он растворяется в концентрированной щёлочи. Гидроксиды иттрия и лантана являются основными. Однако один лишь радиус не позволяет безошибочно сравнить любые два иона: \(\ce{Sc^3+}\) крупнее \(\ce{Al^3+}\), но гидролизуется сильнее. При нагревании кристаллогидрат хлорида скандия, как и \(\ce{AlCl3*6H2O}\), теряет HCl.

scienceСкандий

  1. \(\ce{2Sc + 6HCl -> 2ScCl3 + 3H2 ^}\) — скандий реагирует с соляной кислотой с выделением водорода.
  2. \(\ce{ScCl3 + 3NH3 + 3H2O -> Sc(OH)3 v + 3NH4Cl}\) — при действии аммиака из раствора хлорида скандия выпадает осадок гидроксида.
  3. \(\ce{Sc(OH)3 + 3NaOH ->[конц.] Na3[Sc(OH)6]}\) — гидроксид скандия растворяется в концентрированной щёлочи с образованием комплексной соли.
  4. \(\ce{2ScCl3*6H2O ->[t] Sc2O3 + 6HCl + 9H2O}\) — при нагревании кристаллогидрата хлорида скандия образуется оксид скандия и выделяется хлороводород.
  5. \(\ce{ScF3 + 3NaF -> Na3[ScF6]}\) — фторид скандия реагирует с фторидом натрия с образованием комплексной соли.

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. Впоследствии оказалось, что минералы из окрестностей Иттербю содержат и другие элементы: в честь деревни названы иттрий, тербий, эрбий и иттербий.

По химическим свойствам иттрий близок к лантаноидам. Радиусы ионов лантаноидов последовательно уменьшаются; это явление называют лантаноидным сжатием. В результате радиус \(\ce{Y^3+}\) (90 пм) равен радиусу \(\ce{Ho^3+}\). Поэтому иттрий часто встречается в тех же минералах, что и тяжёлые лантаноиды, и с трудом отделяется от них. Его гидроксид \(\ce{Y(OH)3}\) является основанием и поглощает \(\ce{CO2}\) из воздуха.

Для выделения редкоземельных элементов используют оксалатный метод. Щавелевая кислота осаждает их в виде оксалатов даже из кислых растворов; при этом железо, алюминий и часть кальция остаются в растворе. Полученные оксалаты прокаливают, чтобы получить оксиды.

scienceИттрий

  1. \(\ce{2YCl3 + 3H2C2O4 + 9H2O -> Y2(C2O4)3*9H2O v + 6HCl}\) — щавелевая кислота осаждает иттрий из раствора хлорида в виде кристаллогидрата оксалата.
  2. \(\ce{Y2(C2O4)3 ->[t] Y2O3 + 3CO ^ + 3CO2 ^}\) — при прокаливании оксалат иттрия разлагается с образованием оксида и газов.
  3. \(\ce{Y2O3 + 6HNO3 -> 2Y(NO3)3 + 3H2O}\) — оксид иттрия реагирует с азотной кислотой с образованием нитрата иттрия и воды.
  4. \(\ce{2Y + 3Cl2 -> 2YCl3}\) — иттрий реагирует с хлором с образованием хлорида иттрия.

boltСходство ионов

При сравнении ионов учитывайте и заряд, и радиус. Свойства \(\ce{Sc^3+}\) и \(\ce{Al^3+}\) сходны по характеру гидролиза и амфотерности гидроксидов, хотя гидролизуются эти ионы неодинаково сильно. Ион \(\ce{Y^3+}\) близок к \(\ce{Ho^3+}\) и \(\ce{Dy^3+}\), а \(\ce{La^3+}\) по основности образуемого гидроксида напоминает \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Sr^2+}\).

Скандий и иттрий в технике

Скандий дорог, поэтому его часто используют в малых количествах. Добавка 0,2–0,5 % Sc к алюминию приводит к образованию мелких частиц \(\ce{Al3Sc}\). Они препятствуют росту зёрен, благодаря чему сплав становится прочнее и хорошо сваривается. Из таких сплавов делали детали истребителей МиГ-29, а теперь делают велосипедные рамы и бейсбольные биты. Иодид скандия применяют в металлогалогенных лампах: их свет близок к солнечному, поэтому такие лампы используют для освещения стадионов.

Иттрий входит в состав нескольких важных материалов. Гранат \(\ce{Y3Al5O12}\) с неодимом (YAG:Nd) служит рабочим телом распространённого твердотельного лазера, а \(\ce{Y2O3}\) с европием является красным люминофором. Оксид циркония, стабилизированный \(\ce{Y2O3}\), проводит ионы \(\ce{O^2-}\); его применяют в лямбда-зондах автомобилей.

history_eduСверхпроводник выше температуры кипения азота

В 1987 году группа Пола Чу получила \(\ce{YBa2Cu3O7}\) — керамику, теряющую электрическое сопротивление при 93 К. Впервые сверхпроводник можно было охлаждать не дорогим жидким гелием, а дешёвым жидким азотом (77 К). Средняя формальная степень окисления меди в этом соединении дробная; из этого не следует, что отдельным атомам меди можно однозначно приписать степень окисления +3.

auto_awesomeРассеянный элемент

Скандия в земной коре больше, чем свинца, однако мировое производство составляет лишь порядка десятков тонн его оксида в год. Богатых скандиевых руд почти нет: минерал тортвейтит редок. Поэтому скандий извлекают попутно из отходов урановых, титановых и глинозёмных производств.

push_pinГлавное

Атомы Sc, Y и La имеют строение внешних электронных оболочек \((n-1)d^1ns^2\); в обычных соединениях для этих элементов устойчива степень окисления +3. Их ионы имеют конфигурацию \(d^0\) и сами не придают соединениям окраски. Радиусы ионов возрастают в ряду \(\ce{Al^3+}\) 54 < \(\ce{Sc^3+}\) 75 < \(\ce{Y^3+}\) 90 < \(\ce{La^3+}\) 103 пм. В ряду Sc, Y и La с увеличением радиуса гидролиз ослабевает (\(pK_a\): Sc 4,3, Al 5,0, Y 7,7, La 8,5), а основный характер гидроксидов усиливается. При этом \(\ce{Sc^3+}\) гидролизуется сильнее, чем меньший по радиусу ион алюминия: радиус не является единственным определяющим фактором. \(\ce{Sc(OH)3}\) растворяется в концентрированной щёлочи с образованием \(\ce{Na3[Sc(OH)6]}\), тогда как \(\ce{Y(OH)3}\) является основанием. По радиусу иттрий близок к гольмию, поэтому их трудно разделять. Для выделения редкоземельных элементов оксалаты осаждают из кислых растворов и прокаливают до оксидов. Скандий применяют в сплавах Al–Sc и лампах; иттрий входит в состав лазерных материалов YAG и сверхпроводника \(\ce{YBa2Cu3O7}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.