Oxyde de scandium

Oxyde de scandium
__ Sc^3+       __ O^2− Structure cristalline de l'oxyde de scandium
Identification
N^o CAS	12060-08-1
N^o ECHA	100.031.844
N^o CE	235-042-0
PubChem	4583683
SMILES	O=[Sc]O[Sc]=O PubChem, vue 3D
InChI	Std. InChI : vue 3D InChI=1S/3O.2Sc Std. InChIKey : HYXGAEYDKFCVMU-UHFFFAOYSA-N
Apparence	solide blanc cristallisé[1]
Propriétés chimiques
Formule	O3Sc2
Masse molaire[2]	137,91 ± 0,000 9 g/mol O 34,8 %, Sc 65,2 %,
Propriétés physiques
T° fusion	> 1 000 °C[1]
Solubilité	pratiquement insoluble dans l'eau[1]
Masse volumique	3,864 g·cm^-3[1]
Cristallographie
Système cristallin	Cubique
Classe cristalline ou groupe d’espace	Ia3 (n^o 206) cubique Hermann-Mauguin : ${\displaystyle I\ 2_{1}/a\ {\bar {3}}\,}$ Hermann-Mauguin court : ${\displaystyle Ia{\bar {3}}\,}$ Schoenflies : ${\displaystyle T_{h}^{7}\,}$
Composés apparentés
Autres cations	Oxyde d'yttrium(III) Oxyde de lanthane Oxyde de cérium(III) Oxyde de praséodyme(III) Oxyde de néodyme(III) Oxyde de samarium(III) Oxyde d'europium(III) Oxyde de gadolinium Oxyde de terbium(III) Oxyde de dysprosium(III) Oxyde d'holmium(III) Oxyde d'erbium(III) Oxyde de thulium(III) Oxyde d'ytterbium(III) Oxyde de lutécium(III)
Autres anions	Chlorure de scandium
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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L'oxyde de scandium est un composé chimique de formule Sc₂O₃. Il se présente sous la forme d'une poudre blanche inodore et non combustible, pratiquement insoluble dans l'eau, cristallisée dans le système cubique avec le groupe d'espace Ia3 (n^o 206) et comme paramètres cristallins a = 985 pm et Z = 16. Dans cette structure, les cations Sc³⁺ sont coordonnés chacun à six anions O²⁻ selon une géométrie octaédrique^[3]. Son point de fusion élevé — certaines sources indiquent 2 485 °C^[4] — en fait un matériau réfractaire. C'est un isolant électrique dont la largeur de bande interdite vaut 6 eV^[5]. Il existe un minéral naturel extrêmement rare, la kangite (en), constitué d'oxyde de scandium substitué par des impuretés métalliques, de formule générale (Sc,Ti,Al,Zr,Mg,Ca,⋯)₂O₃, observée notamment dans la météorite d'Allende^[6].

L'oxyde de scandium se forme par combustion du scandium dans l'air. C'est la principale forme sous laquelle on trouve le scandium dans ses minerais. Les minéraux riches en scandium, comme la thortveitite (Sc,Y)₂(Si₂O₇) et la kolbeckite ScPO₄·2H₂O sont rares, mais on trouve des traces de scandium dans de nombreux autres minéraux, de sorte que l'oxyde de scandium est un sous-produit de l'extraction de nombreux autres éléments.

L'oxyde de scandium réagit par chauffage avec la plupart des acides pour donner un hydrate. Ainsi, le chauffage d'oxyde de scandium dans un excès d'acide chlorhydrique HCl donne un hydrate de chlorure de scandium (en) ScCl₃·nH₂O qui peut être déshydraté par évaporation en présence de chlorure d'ammonium NH₄Cl ; le mélange est ensuite purifié pour éliminer le chlorure d'ammonium par sublimation entre 300 et 500 °C^[7]. Le chlorure d'ammonium est nécessaire pour stabiliser l'hydrate ScCl₃·nH₂O qui formerait sinon un oxychlorure mixte en séchant.

Sc₂O₃ + 6 HCl + n H₂O ⟶ 2 ScCl₃·nH₂O + 3 H₂O

ScCl₃·nH₂O + n NH₄Cl ⟶ ScCl₃ (en) + n H₂O + n NH₄Cl.

De même, la réaction avec l'acide triflique CF₃SO₃H donne un triflate de scandium hydraté Sc(OTf)₃·nH₂O^[8].

Le scandium élémentaire est produit industriellement par réduction de l'oxyde de scandium. Cela se fait via la conversion en fluorure de scandium (en) ScF₃ suivie de la réduction par le calcium métallique, selon un procédé semblable au procédé Kroll d'extraction du titane.

L'oxyde de scandium forme des sels appelés scandates avec les métaux alcalins, de manière semblable à l'oxyde de lutécium(III) Lu₂O₃ mais à l'opposé de l'oxyde d'yttrium(III) Y₂O₃ et de l'oxyde de lanthane La₂O₃. Avec l'hydroxyde de potassium KOH, il donne par exemple le scandate K₃Sc(OH)₆. Ceci rapproche l'oxyde de scandium de l'alumine Al₂O₃.

Notes et références

1. Entrée « Scandium oxide » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 9 mai 2021 (JavaScript nécessaire)
2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
3. (en) Osvald Knop et Jean M. Hartley, « Refinement of the crystal structure of scandium oxide », Canadian Journal of Chemistry, vol. 46, n^o 8,‎ avril 1968, p. 1446-1450 (DOI 10.1139/v68-236, lire en ligne)
4. « Fiche du composé Scandium(III) oxide, REacton®, 99.998% (metals basis), REM 50ppm max  », sur Alfa Aesar (consulté le 9 mai 2021).
5. (en) A. V. Emeline, G. V. Kataeva, V. K. Ryabchuk et N. Serpone, « Photostimulated Generation of Defects and Surface Reactions on a Series of Wide Band Gap Metal-Oxide Solids », The Journal of Physical Chemistry B, vol. 103, n^o 43,‎ 21 août 1999, p. 9190-9199 (DOI 10.1021/jp990664z, lire en ligne)
6. (en) Chi Ma, Oliver Tschauner, John R. Beckett, George R. Rossman et Wenjun Liu, « Kangite, (Sc,Ti,Al,Zr,Mg,Ca,□)₂O₃, a new ultra-refractory scandia mineral from the Allende meteorite: Synchrotron micro-Laue diffraction and electron backscatter diffraction », American Mineralogist, vol. 98, n^os 5-6,‎ mai 2013, p. 870-878 (DOI 10.2138/am.2013.4290, Bibcode 2013AmMin..98..870M, lire en ligne)
7. (en) Robert W. Stotz et Gordon A. Melson, « Preparation and mechanism of formation of anhydrous scandium(III) chloride and bromide », Inorganic Chemistry, vol. 11, n^o 7,‎ juillet 1972, p. 1720-1721 (DOI 10.1021/ic50113a058, lire en ligne)
8. (en) J. A.McCleverty et T. J. Meyer, Comprehensive Coordination Chemistry II, vol. 3, 2003, Elsevier Science, p. 99. (ISBN 0-08-043748-6)