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ESCANDIOPosted on 26 marzo, 2019 by Gerardo Pérez Hernández

Category: Tabla Periódica

¿Tierra rara o metal de transición?En la Tabla Periódica moderna, el escandio encabeza el bloque de los elementos de transición y,aunque comparte características con ellos, también lo hace con los elementos de las tierras raras.Con corazón de metal de transición y cuna de tierra rara, el escandio se considera un miembro deambas clases.

Un héroe sin capa

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La dificultad para la extracción y purificación delos nuevos metales encontrados en la gadolinitayacía en la gran similitud en sus propiedades yreactividad. Wikimedia Commons

A finales del siglo XVIII, un mineral de color verde-café, la gadolinita, atrajo la atención de varioscientíficos cazadores de nuevos elementos. Ladificultad para la extracción y purificación de losnuevos metales encontrados en la gadolinita yacíaen la gran similitud en sus propiedades yreactividad; la mayoría de las veces quienes seencargaban de las separaciones, sólo podíanconseguir mezclas de óxidos metálicos que enaquella época eran llamadas en general “tierras”.Así, tales tierras que eran tanto de extracción comode difícil purificación, por encontrarse mezcladascon compuestos de propiedades parecidas, seconocían como tierras raras. En 1792, Johan Gadolindescubrió en la gadolinita, al que se consideró elprimer elemento de las tierras raras, el itrio. A partirde ese año la gadolinita ocupó durante variasdécadas a los químicos que buscaban nuevosmetales; para 1839 se descubrieron en dichomineral otros dos elementos: el cerio y el lantano. Entre 1843 y 1878 siguieron el terbio, erbio e iterbio,cuyo parecido en propiedades y compuestosformados es tanto como lo son sus nombres. Eliterbio se encontró en una mezcla de óxidos a laque se nombró ytterbina, que se había logradoaislar de otros minerales además de la gadolinita.Lars Fredrick Nilson recibió la estafeta pararecuperar el último elemento que escondían lastierras raras halladas en la ytterbina, proveniente degadolinita y euxenita. En 1879, Nilson logró separardel óxido de itrio una tierra más: el óxido de unmetal desconocido, que tras el estudio de suspropiedades y de su espectro de absorción de luz,concluyó que se trataba de un elemento nuevo alque, un año después, lo anunció de la siguientemanera:

“Para el elemento caracterizado, propongo el nombre de escandio, lo que recordará supresencia en la gadolinita o euxenita, minerales que solamente se han encontrado en la

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Península Escandinava”

Nilson estaba lejos de obtener escandio puro, pero aun así, a través del estudio de las propiedadesdel óxido de escandio que pudo recuperar, hizo señalamientos sobre la fórmula del óxido que podíaformar (Sc2O3) y sobre la posición que debía ocupar en la Tabla Periódica. Más adelante, en el mismo

año en el que Nilson anunció la existencia del escandio, Per Teodore Cleve confirmó que elescandio se trataba del eka-boro, uno de los cuatro elementos misteriosos de los que Mendeleevpredijo su existencia al presentar la Tabla Periódica en 1869. En una época en la que la genialidadde la Tabla Periódica de Mendeleev aún estaba en entredicho, la confirmación de la existencia delcuarto elemento augurado por el padre de ésta convirtió al escandio en el héroe del momento.Nadie dudaría, al menos durante unos cuantos años, de la capacidad predictiva de la creación deMendeleev.

La resurrección del héroe

Con una masa atómica de 44.9559, número atómico 21, y siendo el más pequeño de los elementosde transición, así como de las tierras raras, el escandio no llamó la atención por sí mismo. Tal pareceque la breve fama de este elemento lo condenó al olvido por muchos años, pues en realidad sufama se debió más a que permitió consolidar la capacidad predictiva de Mendeleev que a lasaplicaciones que se le pudieron encontrar en aquella época. Tal vez por la dificultad para aislarlo oporque simplemente aún no se inventaba aquello para lo que estaba destinado, el escandiopermaneció en el olvido durante algunas décadas. No fue sino casi 40 años después de sudescubrimiento en forma de óxido, que el escandio se logró recuperar en su forma metálica a travésde la electrólisis de una mezcla eutéctica de cloruros que Werner Fischer y su grupo deinvestigación llevaron a cabo en 1937. Varios años más tarde, en 1960, ya era posible obtenerescandio metálico hasta con 99% de pureza. La obtención de escandio metálico dio un gran impulsoa las posibles aplicaciones que éste podría tener y con ello, estuvo nuevamente en la mira de loscientíficos.

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Fuerte como el titanio, ligero como el aluminio, duro como la cerámica y luminosocomo el mercurio: los cuatro poderes del escandio.

El escandio puro es un metal de colorblanco plateado, ligero, suave y detextura lisa, pero asociado con otrosmetales adquiere grandes cualidades.Las aleaciones del escandio con elaluminio y otros metales como el Li, Cu,Mg y Zn permiten la creación demateriales ligeros con gran dureza yresistencia. Así, las primeras aplicacionesde estas aleaciones se llevaron a cabopor los rusos durante la carrera espacialpara la fabricación de cohetes.Actualmente, por la ligereza de lasaleaciones que se pueden obtener, seusa en la fabricación de bicicletas, bates de beisbol, cubiertas de aeronaves, partes de automóvilese incluso en la fabricación de armas. La adición de escandio a aleaciones ya conocidas, permitepotenciar sus características; en aleaciones Al-Cu-Sc se reduce el agrietamiento durante losprocesos de soldadura; la aleación Al-Mg-Sc facilita la impresión 3D de modelos metálicos, tantoque este tipo de aleaciones se comienzan a estudiar para su uso en prótesis humanas, pues lapresencia del escandio les da mayor resistencia, además de mejorar su biocompatibilidad ybiodegradación. En aleaciones Ti-Sc se duplica la dureza del material en comparación con unaaleación Ti-C, por lo que se dice que esta aleación es el material más duro después del diamante.

Por otro lado, la ionización de Sc2O3 o ScVO4 en un tubo arqueado de cuarzo o silicio al que se le

aplica alto voltaje, genera una descarga de arco eléctrico de alta intensidad, emitiendo unaluminosidad semejante a lo que ocurre con el mercurio en las lámparas de haluros metálicos. Perola peculiaridad de las lámparas que contienen escandio es que presentan un espectro semejante alde la luz solar, también conocido como luz natural. Los usos de estas lámparas inicialmente fueronen espacios abiertos como iluminación pública, estadios y exhibiciones, sin embargo, recientementela luz generada por las lámparas de escandio aumentan la eficiencia de los cultivos de plantas enambientes cerrados e incluso extraterrestres como los invernaderos de la estación espacial; no sóloporque recrea el espectro de luz natural, sino que en presencia de otras sales, como el bicarbonato,se puede reducir la banda espectral de emisión de luz para situaciones particulares.

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El potencial que tiene el Sc para hacer interacciones, reacciones y aleaciones es debidoprincipalmente a su arreglo electrónico que le confiere una valencia de 3

El potencial que tiene el Sc para hacer interacciones, reacciones y aleaciones es debidoprincipalmente a su arreglo electrónico que le confiere una valencia de 3 y una alta acidez de Lewis;

al ser un elemento pequeño es ligero, con una densidad cercana a la del aluminio (2.98 g/cm3 y 2.70

g/cm3, respectivamente). La estructura de sales inorgánicas de escandio muestra diferentes tiposde complejos con números de coordinación de 6, 7 y 8 que le permiten formar esferas, coronas yclusters, entre otras estructuras organometálicas complejas. Esto es de suma importancia, ya quecon unos cuantos átomos de escandio se pueden organizar alrededor de él varios átomos de otroselementos, como el carbono en el voleiboleno, en donde 20 átomos de escandio se pueden unircon 60 átomos de carbono para generar una estructura super dura y con capacidadsuperconductora, que tiene forma de un balón de voleibol.

Un futuro incierto, pero prometedorAún en 2008 se alcanzaba a leer entre las aplicaciones del escandio que éstas eran escasas y selimitaban a la gran dureza que se consigue al preparar aleaciones escandio-aluminio o a su uso enlámparas. Sin embargo, desde 2012, la diversidad en sus aplicaciones va en aumento y a la par surgela necesidad de contar con estrategias para obtener escandio de manera más eficiente, de tal formaque la mayoría de los estudios actuales sobre este elemento, se enfocan en mejorar las técnicaspara su recuperación de las minas en donde el escandio se obtiene como derivado de la extracciónde otros metales de las tierras raras. Las aplicaciones del escandio ya no sólo aprovechan susimportantes cualidades, sino también se busca que tengan impacto directo en la vida humana.Aunque el escandio no forma parte de la bioquímica de los sistemas biológicos, hay evidencia queinteractúa con algunas biomoléculas como el ADN y proteínas como la ferritina, por lo que puedepresentar cierta toxicidad. A la fecha no se ha descrito un efecto tóxico in vivo e incluso, a nivel deingeniería de tejidos, se habla del posible uso del escandio para el diseño de matricesbiocompatibles que permitan el crecimiento de células en la regeneración de tejidos.

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Existen estudios en los que se usa al escandio presente en minerales como un rastreador de losprocesos relacionados con los fluidos en las rocas del manto terrestre, así como en eventosgeoquímicos que pudieran contribuir tanto con el conocimiento de la evolución de la Tierra comocon la biorremediación.

La estereo-especificidad que brinda el escandio en la polimerización de materiales es objeto deestudio de muchos científicos por las posibles aplicaciones que puedan encontrarse en la cienciamédica. Por otro lado, también existen estudios en los que se usa al escandio presente en mineralescomo un rastreador de los procesos relacionados con los fluidos en las rocas del manto terrestre,así como en eventos geoquímicos que pudieran contribuir tanto con el conocimiento de laevolución de la Tierra como con la biorremediación. Se realizan estudios en los que el escandio,junto con cátodos de titanio en celdas electrolíticas de estado sólido, se usa para mejorar laelectrólisis de CO2 usando energía eléctrica renovable para producir combustibles igualmente

renovables al mismo tiempo que se disminuyen las emisiones de CO2. En presencia de zirconio, el

escandio se utiliza como un electrolito para producir electricidad en celdas de combustible de óxidosólido; una ventaja es que el material reduce la temperatura de operación aumentando la eficienciade las celdas eléctricas, lo cual promete el desarrollo de nuevas generaciones de bateríaseléctricas. El reconocimiento del potencial del escandio para formar materiales novedosos loexpone como un protagonista principal de los materiales del futuro y, aunque es claro que eldestino le tiene preparado a este pequeño algo grande, los avances que se tengan en materia deluso del escandio, dependerán de su disponibilidad. La abundancia del escandio en la superficieterrestre es de 22 mg/kg; es más abundante que el plomo (14 mg/kg) y semejante a la del cobalto(25 mg/kg). Sin embargo, el escandio no se encuentra disponible en yacimientos, sino que estádisperso formando parte de aglomerados de diferentes minerales distribuidos en todo el mundo, detal forma que el desafío tecnológico consiste en aislarlo con una pureza aceptable. Junto con otroselementos de las tierras raras, la disponibilidad del escandio va a jugar un papel político yeconómico importante para algunas regiones del mundo. Las zonas con mayor disponibilidad deescandio son Grecia, China, Rusia, Japón, Estados Unidos y Filipinas. Irónicamente para Nilson, el

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orgulloso sueco que descubrió al escandio, la región escandinava no aparece en esta lista. C2

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