Scandium

élément chimique de numéro atomique 21 et de symbole Sc

Le scandium est l'élément chimique de numéro atomique 21, de symbole Sc. Il fait partie des métaux de transition et — avec l'yttrium et les lanthanides — des terres rares. Le scandium est généralement présent à de faibles teneurs parmi les terres rares, mais c'est aussi un élément principal de quelques minéraux rares, notamment découverts en Scandinavie (d'où son nom).

Scandium
Image illustrative de l’article Scandium
Scandium, sublimé dendritique et cube de 1 cm3
CalciumScandiumTitane
  Structure cristalline hexagonale compacte
 
21
Sc
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Sc
Y
Tableau completTableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole Sc
Nom Scandium
Numéro atomique 21
Groupe 3
Période 4e période
Bloc Bloc d
Famille d'éléments Métal de transition
Configuration électronique [Ar] 3d1 4s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 9, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 44,955 908 ± 0,000 005 u[1]
Rayon atomique (calc) 160 pm (184 pm)
Rayon de covalence 170 ± 7 pm[2]
État d’oxydation 3
Électronégativité (Pauling) 1,36
Oxyde base faible
Énergies d’ionisation[3]
1re : 6,561 49 eV 2e : 12,799 77 eV
3e : 24,756 66 eV 4e : 73,489 4 eV
5e : 91,65 eV 6e : 110,68 eV
7e : 138,0 eV 8e : 158,1 eV
9e : 180,03 eV 10e : 225,18 eV
11e : 249,798 eV 12e : 687,36 eV
13e : 756,7 eV 14e : 830,8 eV
15e : 927,5 eV 16e : 1 009 eV
17e : 1 094 eV 18e : 1 213 eV
19e : 1 287,97 eV 20e : 5 674,8 eV
21e : 6 033,712 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
45Sc100 %stable avec 24 neutrons
46Sc{syn.}83,79 jβ-2,36746Ti
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire solide
Masse volumique 2,989 g·cm-3 (25 °C)[1]
Système cristallin Hexagonal compact
Couleur Blanc argenté
Point de fusion 1 541 °C[1]
Point d’ébullition 2 836 °C[1]
Énergie de fusion 14,1 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 314,2 kJ·mol-1
Volume molaire 15,00×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 22,1 Pa à
1 538,85 °C
[réf. souhaitée]
Chaleur massique 568 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 1,77×106 S·m-1
Conductivité thermique 15,8 W·m-1·K-1
Divers
No CAS 7440-20-2[4]
No ECHA 100.028.299
No CE 231-129-2
Précautions
SGH[5]
SGH02 : Inflammable
Danger
H228 et P210

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Dans les conditions normales de température et de pression, le corps simple est un métal mou, d'aspect blanc argenté.

Isotopes

modifier

Le scandium possède 25 isotopes de nombre de masse variant entre 36 et 60, et 10 isomères nucléaires connus. Parmi eux, seul 45Sc est stable et constitue l'intégralité du scandium présent dans la nature, faisant du scandium à la fois un élément monoisotopique et un élément mononucléidique. Sa masse atomique standard est de 44,955912(6) u.

Caractéristiques notables

modifier

Le scandium est un élément métallique mou, rare, trivalent, très léger qui devient jaunâtre ou rose lorsqu'il est exposé à l'air. Cet élément a des propriétés chimiques intermédiaires entre celles de l'aluminium et de l'yttrium. L'état d'oxydation le plus commun du scandium est +3.

Applications

modifier

La production mondiale est faible, de l'ordre de quelques tonnes par an, et son prix élevé (10 000 $/kg).

En ajoutant de l'iodure de scandium dans une lampe à halogénure métallique, on obtient une source de lumière spectralement comparable au Soleil (température de couleur de 4 000 K - « blanc neutre ») qui est utilisé comme source lumineuse pour la vidéo de nuit ou en intérieur.

L'isotope radioactif 46Sc, du fait de sa demi-vie courte (84 jours), est utilisé comme marqueur dans les raffineries de pétrole lors du craquage et pour la détection de fuites de canalisations.

Le scandium possédant un point de fusion beaucoup plus élevé que celui de l'aluminium et presque aussi léger (densité 2,9) est étudié pour de possibles applications aérospatiales.

L'URSS a développé largement la production industrielle de scandium et a optimisé un alliage d'aluminium comportant 2 % de scandium, ce qui renforce considérablement les caractéristiques mécaniques de l'aluminium. Cet alliage est couramment utilisé dans les constructions aéronautiques militaires russes. Une propriété complémentaire de cet alliage est qu'il est soudable alors que ce n'est pas le cas d'un alliage aluminium-lithium (en) développé en Occident à la même époque (ce problème est aujourd'hui résolu) pour des caractéristiques mécaniques équivalentes.

Le scandium est le plus puissant des antirecristallisants connus, dans l'aluminium. Cette propriété intéresse actuellement l'industrie aéronautique. On l'utilise à des taux très faibles (inférieurs à 0,5 %) pour, par exemple, conserver une texture fibrée même après de multiples traitements thermiques.

L'oxyde de scandium (Sc2O3) peut servir à protéger des surfaces optiques car il est très dur, résistant, transparent en UV et assez résistant à la corrosion.

Histoire

modifier
Découvertes des terres rares.
Yttrium (1794)

Yttrium



Terbium (1843)



Erbium (1843)
Erbium

Erbium



Thulium (1879)



Holmium (1879)

Holmium



Dysprosium (1886)






Ytterbium (1878)

Ytterbium

Ytterbium



Lutécium (1907)




Scandium (1879)








Cérium (1803)

Cérium


Lanthane (1839)

Lanthane


Didyme (1839)
Didyme

Néodyme (1885)



Praséodyme (1885)



Samarium (1879)

Samarium

Samarium



Europium (1901)





Gadolinium (1880)







Prométhium (1947)


Diagrammes des découvertes des terres rares. Les dates entre parenthèses sont les dates d'annonces des découvertes[6]. Les branches représentent les séparations des éléments à partir d'un ancien (l'un des nouveaux éléments conservant le nom de l'ancien, sauf pour le didyme).

Le scandium (latin : scandiascandinavie) a été découvert par Lars Fredrik Nilson en 1879 lorsque lui et son équipe recherchaient des terres rares. Nilson mit en évidence le nouvel élément par analyse spectrale faite à partir de minerai d'euxénite et de gadolinite. Afin d'isoler l'élément il traita 10 kilogrammes d'euxénite afin d'obtenir 2 grammes d'oxyde de scandium (Sc2O3) très pur.

En 1869, Dmitri Mendeleïev prédit certaines propriétés du scandium qu'il nomma alors ekabore, en utilisant sa loi périodique. Per Teodor Cleve découvrit l'oxyde de scandium à peu près au même moment mais contrairement à Nilson, Cleve montra que le scandium était identique à l'ekabore.

En 1937, pour la première fois du scandium métallique est produit par électrolyse d'un mélange de potassium, de lithium, et d'oxyde de scandium fondu vers 700 à 800 °C. La première livre de scandium métallique pur à 99 % ne fut pas produite avant 1960.

Occurrence

modifier

Les seules sources de scandium concentré connues sont les minerais de thortveitite, d'euxénite et de gadolinite que l'on trouve en faible quantité en Scandinavie. On ne trouve pas naturellement de scandium métallique. Le scandium est le 23e élément le plus abondant dans le Soleil, mais seulement le 50e sur Terre. On le retrouve distribué de manière uniforme sur Terre dans plus de 800 minéraux. Il représente une grande partie d'un minerai rare, la thortveitite, et on le trouve aussi comme résidu après l'extraction du tungstène de la wolframite.

Le scandium est actuellement principalement un sous-produit de la purification de l'uranium. On l'isole industriellement par réduction du fluorure de scandium en présence de calcium métallique.

Isotopes

modifier

On ne trouve naturellement qu'un seul isotope du scandium le 45Sc. On a découvert 13 autres isotopes dont les plus stables sont le 46Sc avec une demi-vie de 83,79 jours, le 47Sc avec une demi-vie de 3,3492 jours, et le 48Sc d'une demi-vie de 43,67 heures. Les autres isotopes ont tous une demi-vie inférieure à 4 heures et la plus grande partie inférieure à 2 minutes. Les isotopes du scandium ont une masse atomique variant de 39,978 uma pour le 40Sc, jusqu'à 53,963 uma pour le 54Sc. Le mode de désintégration primaire pour les isotopes avant 45Sc est la capture électronique alors qu'après c'est l'émission béta.

Précautions / toxicologie

modifier

La poudre de scandium métallique est inflammable.

Dans la fiction

modifier

Le scandium est un élément central de l'histoire du Cycle d'Antarès de la bande-dessinée Les Mondes d'Aldébaran du dessinateur Léo.

Notes et références

modifier
  1. a b c et d (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  3. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, , 87e éd. (ISBN 0849304873), p. 10-202
  4. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  5. SIGMA-ALDRICH
  6. (en) Episodes from the History of the Rare Earth Elements, Springer Netherlands, coll. « Chemists and Chemistry », (ISBN 9789401066143 et 9789400902879, DOI 10.1007/978-94-009-0287-9), xxi.

Voir aussi

modifier

Sur les autres projets Wikimedia :

Liens externes

modifier


  1 2                               3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1  H     He
2  Li Be   B C N O F Ne
3  Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4  K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
8  119 120 *    
  * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142  


Métaux alcalins Métaux alcalino-terreux Lanthanides Métaux de transition Métaux pauvres Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz nobles Éléments non classés
Actinides
Superactinides