Scandium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Sc und der Ordnungszahl 21. Es ist ein silberweißes Metall und gehört zum d-Block des Periodensystems. Üblicherweise wird es zusammen mit Yttrium und den Lanthaniden zu den Seltenerdelementen gezählt [ 9 ] . Es wurde 1879 durch Spektralanalyse der skandinavischen Mineralien Euxenit und Gadolinit entdeckt [ 10 ] .

Scandium kommt in den meisten Lagerstätten von Seltenerd- und Uranverbindungen vor , wird aber weltweit nur in wenigen Minen aus diesen Erzen gewonnen. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und der Schwierigkeiten bei der Herstellung von metallischem Scandium, die erstmals 1937 gelang, wurden Anwendungen für Scandium erst in den 1970er Jahren entwickelt, als die positiven Auswirkungen von Scandium auf Aluminiumlegierungen entdeckt wurden. Seine Verwendung in solchen Legierungen ist bis heute seine einzige bedeutende Anwendung. Der weltweite Handel mit Scandiumoxid beträgt 15–20 Tonnen pro Jahr. [ 11 ]

Die Eigenschaften von Scandiumverbindungen liegen zwischen denen von Aluminium und Yttrium . Zwischen Magnesium und Scandium besteht eine diagonale Beziehung , analog zur Beziehung zwischen Beryllium und Aluminium. In den chemischen Verbindungen der Elemente der Gruppe 3 ist die vorherrschende Oxidationsstufe +3.

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Scandium ist ein weiches Metall mit silbrigem Aussehen. Durch Oxidation an der Luft nimmt es einen leicht gelblichen oder rosafarbenen Schimmer an. Es ist witterungsanfällig und löst sich langsam in den meisten verdünnten Säuren . In einem 1:1-Gemisch aus Salpetersäure ( HNO₃ ) und 48% iger Fluorwasserstoffsäure ( HF ) löst es sich nicht , möglicherweise aufgrund der Bildung einer undurchlässigen Passivschicht . Scandiumspäne entzünden sich an der Luft mit einer hellgelben Flamme zu Scandiumoxid . [ 12 ]

Isotope

In der Natur kommt Scandium ausschließlich als Isotop 45Sc vor , das einen Kernspin von 7 ⁄ 2 aufweist ; dies ist sein einziges stabiles Isotop. [ 13 ]

Die bekannten Scandium-Isotope reichen von <sup>37 </sup>Sc bis <sup> 63 </sup>Sc [ 8 ]. Die stabilsten Radioisotope sind <sup>46</sup> Sc mit einer Halbwertszeit von 83,76 Tagen, <sup>47</sup> Sc mit einer Halbwertszeit von 3,3492 Tagen, <sup> 48 </sup>Sc mit 43,67 Stunden, <sup> 44 </sup>Sc mit 4,042 Stunden und <sup> 43 </sup>Sc mit 3,891 Stunden. Alle anderen Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als einer Stunde, die meisten davon sogar weniger als 15 Sekunden. Der stabilste Metazustand ist <sup>44m3 </sup>Sc mit einer Halbwertszeit von 58,6 Stunden; dies ist das leichteste Isotop mit einem langlebigen Isomer.

Die Herstellung von Isotopen mit niedriger Masse ist sehr schwierig. [ 13 ] Die erste Entdeckung von 37Sc und 38Sc führte lediglich zur Charakterisierung ihres Massenüberschusses. [ 14 ] [ 15 ]

Der primäre Zerfallsmechanismus von Scandium-Isotopen im Grundzustand mit Massen unterhalb des einzigen stabilen Isotops <sup> 45 </sup>Sc ist der Elektroneneinfang (oder Positronenemission ). Die leichtesten Isotope ( <sup>37</sup> Sc bis <sup>39 </sup>Sc) zerfallen hingegen durch Protonenemission . Alle drei zerfallen unter Bildung von Calcium- Isotopen. Der primäre Zerfallsmechanismus für schwerere Isotope ist die Beta-Emission , die zu Titan- Isotopen führt. [ 8 ]

Auftreten

Scandium ist in der Erdkruste nicht selten. Schätzungen schwanken zwischen 18 und 25 ppm, was vergleichbar mit der Häufigkeit von Kobalt (20–30 ppm) ist. Scandium ist nur das 50. häufigste Element auf der Erde (das 35. häufigste Element in der Erdkruste), aber es ist das 23. häufigste Element in der Sonne [ 16 ] und das 26. häufigste Element in den Sternen [ 17 ] . Scandium ist jedoch nur spärlich vorhanden und kommt in vielen Mineralien in Spuren vor [ 18 ] . Seltene Mineralien aus Skandinavien [ 19 ] und Madagaskar [ 20 ] wie Thortveitit , Euxenit und Gadolinit sind die einzigen bekannten konzentrierten Quellen dieses Elements; sie alle enthalten auch andere Seltene Erden. Thortveitit kann bis zu 45 % Scandiumoxid enthalten [ 19 ] .

Die stabile Form von Scandium entsteht in Supernovae durch den r-Prozess . [ 21 ] Scandium entsteht außerdem durch die Spallation der häufigeren Eisenkerne durch kosmische Strahlung . Beispielhafte Reaktionen sind:

  • 28 Si + 17n → 45 Sc (r-Prozess)
  • 56 Fe + p → 45 Sc + 11 C + n (Spallation durch kosmische Strahlung)

Produktion

Die weltweite Scandiumproduktion liegt bei etwa 15–20 Tonnen pro Jahr in Form von Scandiumoxid . Die Nachfrage ist etwas höher [ 22 ] , und sowohl Produktion als auch Nachfrage steigen stetig. Im Jahr 2003 gab es nur drei Scandiumminen: die Uran- und Eisenminen in Schowti Wody (Ukraine), die Seltenerdminen in Bayan Obo (China) und die Apatitminen auf der Kola-Halbinsel (Russland). Seitdem haben viele weitere Länder Scandiumproduktionsanlagen errichtet, darunter Anlagen mit einer Jahreskapazität von 5 Tonnen (7,5 Tonnen Sc₂O₃ ) von Nickel Asia Corporation und Sumitomo Metal Mining auf den Philippinen. [ 23 ] [ 24 ] In den Vereinigten Staaten hofft NioCorp Development, 1 Milliarde US-Dollar [ 25 ] für die Eröffnung einer Niobmine an ihrem Standort Elk Creek im Südosten Nebraskas aufzubringen , [ 26 ] die jährlich bis zu 95 Tonnen Scandiumoxid produzieren könnte. [ 27 ] Scandium ist in beiden Fällen ein Nebenprodukt der Gewinnung anderer Elemente und wird als Scandiumoxid verkauft. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Zur Herstellung von metallischem Scandium wird das Oxid in Scandiumfluorid umgewandelt und anschließend mit metallischem Calcium reduziert . [ 31 ]

  • Sc₂O₃ + 6HF → 2ScF₃ + 3H₂O​​
  • 2ScF₃ + 3Ca → 3CaF₂ + 2Sc

Madagaskar und die norwegische Gemeinde Iveland – Evje og Hornnes beherbergen die einzigen Vorkommen von Mineralien mit hohem Scandiumgehalt, Thortveitit (Sc,Y) ₂ ( Si₂O₇ ) , die jedoch nicht abgebaut werden. [ 29 ] Das Mineral Kolbeckit ScPO₄ ·2H₂O weist einen sehr hohen Scandiumgehalt auf, kommt aber in keinen größeren Lagerstätten vor . [ 29 ]

Das Fehlen einer zuverlässigen, sicheren, stabilen und langfristigen Produktion hat die kommerziellen Anwendungen von Scandium eingeschränkt. Trotz dieser geringen Nutzung bietet Scandium erhebliche Vorteile. Besonders vielversprechend ist die Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen mit nur 0,5 % Scandium. [ 32 ] Scandiumstabilisiertes Zirkonoxid erfreut sich einer steigenden Marktnachfrage als hocheffizienter Elektrolyt in Festoxidbrennstoffzellen . [ 33 ]

Laut USGS lag der Preis für kleine Mengen Scandiumbarren in den USA von 2015 bis 2019 zwischen 107 und 134 US-Dollar pro Gramm, der Preis für Scandiumoxid zwischen 4 und 5 US-Dollar pro Gramm. [ 34 ]

Verbindungen

Die Chemie des Scandiums wird fast vollständig vom dreiwertigen Ion Sc³⁺ dominiert . Die Radien der M³⁺ - Ionen in der folgenden Tabelle zeigen, dass die chemischen Eigenschaften von Scandiumionen mehr mit denen von Yttriumionen als mit denen von Aluminiumionen gemein haben. Teilweise aufgrund dieser Ähnlichkeit wird Scandium häufig als Lanthanoid-ähnliches Element klassifiziert. [ 35 ]

Ionenradius (pm)
AlScYLaLu
53,574,590,0103.286.1

Oxide und Hydroxide

Das Oxid Sc2O3und das Hydroxid Sc(OH)3sind amphoter : [ 36 ]

Sc(OH)3+ 3 OH−→ [Sc(OH)6]3−(Scandat-Ion)
Sc(OH)3+ 3 H++ 3 H2O → [Sc(H2O)6]Ab 3 Jahren

α- und γ-ScOOH sind isostrukturell mit ihren Aluminiumhydroxid-Analoga . [ 37 ] Lösungen von ScAb 3 JahrenIn Wasser sind sie aufgrund von Hydrolyse sauer .

Halogenide und Pseudohalogenide

Die Halogenide ScX₃ , wobei X = Cl , Br oder I , sind sehr gut wasserlöslich, ScF₃ hingegen ist unlöslich. In allen vier Halogeniden ist das Scandium sechsfach koordiniert. Die Halogenide sind Lewis-Säuren ; beispielsweise löst sich ScF₃ in einer Lösung mit überschüssigen Fluoridionen unter Bildung von [ScF₆ ] ³⁻ . Die Koordinationszahl 6 ist typisch für Sc(III). Bei den größeren Y³⁺- und La³⁺ - Ionen sind Koordinationszahlen von 8 und 9 üblich. Scandiumtriflat wird gelegentlich als Lewis-Säure -Katalysator in der organischen Chemie eingesetzt . [ 38 ]

Organische Derivate

Scandium bildet mit Cyclopentadienyl- Liganden (Cp) eine Reihe von metallorganischen Verbindungen , die dem Verhalten der Lanthanide ähneln. Ein Beispiel ist das chlorverbrückte Dimer [ScCp₂Cl ] ₂ und verwandte Derivate von Pentamethylcyclopentadienyl -Liganden. [ 39 ]

Ungewöhnliche Oxidationsstufen

Verbindungen mit Scandium in anderen Oxidationsstufen als +3 sind selten , aber gut charakterisiert. Die blauschwarze Verbindung CsScCl₃ ist eine der einfachsten. Dieses Material bildet eine schichtartige Struktur mit ausgeprägten Bindungen zwischen den Scandium(II)-Zentren. [ 40 ] Scandiumhydrid ist noch nicht vollständig verstanden, obwohl es anscheinend kein salzhaltiges Hydrid von Sc(II) ist. [ 6 ] Wie bei den meisten Elementen wurde auch bei Scandiumhydrid ein zweiatomiges Hydrid bei hohen Temperaturen in der Gasphase spektroskopisch nachgewiesen. [ 5 ] Scandiumboride und -carbide sind , wie für benachbarte Elemente typisch, nicht stöchiometrisch . [ 41 ]

Niedrigere Oxidationsstufen (+2, +1, 0) wurden ebenfalls in Organoscandiumverbindungen beobachtet. [ 42 ] [ 4 ] [ 43 ] [ 44 ]

Geschichte

Dmitri Mendelejew , der als Vater des Periodensystems gilt , sagte 1869 die Existenz des Elements Ekaboron mit einer Atommasse zwischen 40 und 48 voraus. Lars Fredrik Nilson und sein Team wiesen dieses Element 1879 in den Mineralien Euxenit und Gadolinit nach. Nilson stellte 2 Gramm hochreines Scandiumoxid her. [ 45 ] [ 46 ] Er benannte das Element Scandium, abgeleitet vom lateinischen „ Scandia “ für „Skandinavien“. Nilson war sich Mendelejews Vorhersage offenbar nicht bewusst, doch Per Teodor Cleve erkannte den Briefwechsel und informierte Mendelejew. [ 47 ] [ 48 ]

Metallisches Scandium wurde erstmals 1937 durch Elektrolyse eines eutektischen Gemisches aus Kalium- , Lithium- und Scandiumchlorid bei 700–800 ° C hergestellt . [ 49 ] Das erste Pfund 99 % reines Scandiummetall wurde 1960 produziert. Die Herstellung von Aluminiumlegierungen begann 1971 nach einem US-Patent. [ 50 ] Auch in der UdSSR wurden Aluminium-Scandium-Legierungen entwickelt . [ 51 ]

Laserkristalle aus Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (GSGG) wurden in strategischen Verteidigungsanwendungen eingesetzt, die in den 1980er und 1990er Jahren für die Strategic Defense Initiative (SDI) entwickelt wurden. [ 52 ] [ 53 ]

Anwendungen

Aluminiumlegierungen

Teile der MiG-29 bestehen aus einer Al-Sc-Legierung. [ 54 ]

Scandium wird hauptsächlich in Aluminium-Scandium-Legierungen für kleinere Bauteile der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Diese Legierungen enthalten zwischen 0,1 % und 0,5 % Scandium. Sie wurden in russischen Militärflugzeugen, insbesondere in der Mikojan-Gurewitsch MiG-21 und MiG-29 , verwendet . [ 54 ]

Die Zugabe von Scandium zu Aluminium begrenzt das Kornwachstum in der Wärmeeinflusszone geschweißter Aluminiumbauteile. Dies hat zwei positive Effekte: Das ausgeschiedene Al₃Sc bildet kleinere Kristalle als in anderen Aluminiumlegierungen [ 54 ] , und das Volumen der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen aushärtbarer Aluminiumlegierungen wird reduziert [54]. Das Al₃Sc - Ausscheidungsprodukt ist ein kohärentes Ausscheidungsprodukt , das die Aluminiummatrix durch die Erzeugung elastischer Spannungsfelder verstärkt, welche die Versetzungsbewegung (d. h. die plastische Verformung) hemmen. Al₃Sc besitzt eine für dieses System spezifische L1₂- Überstruktur im Gleichgewicht [ 55 ] .

Eine feine Dispersion von Nanopartikeln lässt sich durch Wärmebehandlung erzielen, die die Legierungen durch Ordnungshärtung zusätzlich verstärkt. [ 56 ] Zu den jüngsten Entwicklungen zählt die Zugabe von Übergangsmetallen wie Zirkonium (Zr) und Seltenerdmetallen wie Erbium (Er), die Hüllen um die kugelförmigen Al₃Sc - Partikel bilden und so deren Vergröberung verringern. [ 57 ]

Diese Schalen werden durch die Diffusionsfähigkeit des Legierungselements bestimmt und senken die Legierungskosten, da weniger Scandium (Sc) teilweise durch Zirkonium (Zr) ersetzt wird, während gleichzeitig die Stabilität erhalten bleibt und weniger Sc zur Bildung der Ausscheidung benötigt wird. [ 58 ] Dadurch ist Al₃Sc mit Titanlegierungen einigermaßen konkurrenzfähig geworden und findet breite Anwendung. Titanlegierungen , die ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Leichtigkeit und Festigkeit aufweisen, sind jedoch kostengünstiger und wesentlich weiter verbreitet. [ 59 ]

Die Legierung Al 20 Li 20 Mg 10 Sc 20 Ti 30 ist so fest wie Titan, so leicht wie Aluminium und so hart wie manche Keramiken. [ 60 ]

Einige Sportgeräte, die auf leichten Hochleistungsmaterialien basieren, werden aus Scandium-Aluminium-Legierungen hergestellt, darunter Baseballschläger [ 61 ] , Zeltstangen sowie Fahrradrahmen und -komponenten [ 62 ] . Auch Lacrosse-Schläger werden aus Scandium gefertigt. Der amerikanische Waffenhersteller Smith & Wesson produziert halbautomatische Pistolen und Revolver mit Rahmen aus Scandiumlegierung und Trommeln aus Titan oder Kohlenstoffstahl [ 63 ] [ 64 ] .

Seit 2013 vermarktet die Apworks GmbH, ein Spin-off von Airbus, unter der Marke Scalmalloy eine hochfeste, Scandium enthaltende Aluminiumlegierung, die mittels 3D-Metalldruck (Laser-Pulverbettfusion) hergestellt wird und sich durch sehr hohe Festigkeit und Duktilität auszeichnet. [ 65 ]

Lichtquellen

Die ersten Scandium-basierten Metallhalogenlampen wurden von General Electric patentiert und in Nordamerika hergestellt, werden aber mittlerweile in allen wichtigen Industrieländern produziert. In den Vereinigten Staaten werden jährlich etwa 20 kg Scandium (als Sc₂O₃) für Hochdruckentladungslampen verwendet . [ 66 ] Ein Typ von Metallhalogenlampe , ähnlich der Quecksilberdampflampe , besteht aus Scandiumtriiodid und Natriumiodid . Diese Lampe ist eine Weißlichtquelle mit hohem Farbwiedergabeindex , die dem Sonnenlicht so ähnlich ist, dass eine gute Farbwiedergabe mit Fernsehkameras ermöglicht wird . [ 67 ] Weltweit werden jährlich etwa 80 kg Scandium in Metallhalogenlampen/Glühbirnen verwendet. [ 68 ]

Zahnärzte verwenden Erbium-Chrom-dotierte Yttrium-Scandium-Gallium-Granat-Laser ( Er,Cr:YSGG ) zur Kavitätenpräparation und in der Endodontie. [ 69 ]

Andere

Das radioaktive Isotop 46Sc wird in Erdölraffinerien als Spurenmittel verwendet. [ 66 ] Scandiumtriflat ist eine katalytische Lewis-Säure, die in der organischen Chemie eingesetzt wird . [ 70 ]

Der 12,4 keV-Kernübergang von 45Sc wurde als Referenz für Zeitmessanwendungen untersucht und weist eine theoretische Präzision auf, die bis zu drei Größenordnungen besser ist als die der derzeitigen Cäsium- Referenzuhren. [ 71 ]

Scandium wurde als Dotierstoff im Elektrolytmaterial, typischerweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂) , für Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs) vorgeschlagen . [ 72 ] Scandiumoxid (Sc₂O₃) ist eines von mehreren möglichen Additiven zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit des Zirkoniumdioxids und damit der thermischen Stabilität, Leistung und Effizienz der Brennstoffzelle. [ 73 ] Diese Anwendung wäre insbesondere für saubere Energietechnologien von großem Wert, da SOFCs eine Vielzahl von Brennstoffen nutzen können und hohe Energieumwandlungswirkungsgrade aufweisen. [ 74 ]

Gesundheit und Sicherheit

Elementares Scandium gilt als ungiftig, obwohl umfangreiche Tierversuche mit Scandiumverbindungen nicht durchgeführt wurden. [ 75 ] Die mediane letale Dosis (LD<sub> 50</sub> ) für Scandiumchlorid wurde für Ratten mit 755 mg/kg bei intraperitonealer und 4 g/kg bei oraler Verabreichung bestimmt. [ 76 ] Angesichts dieser Ergebnisse sollten Scandiumverbindungen als mäßig toxische Substanzen behandelt werden. Scandium wird vom Körper offenbar ähnlich wie Gallium verstoffwechselt , wobei ähnliche Gefahren durch sein schwerlösliches Hydroxid entstehen . [ 77 ]

Anmerkungen

  1. Die thermische Ausdehnung von Scandium ist anisotrop : Die Koeffizienten für jede Kristallachse sind (bei 20 °C): α a  = 7,98 × 10 −6 /K, α c  = 13,94 × 10 −6 /K, und α Mittelwert = α V /3 = 9,97 × 10 −6 /K.

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