Scandium

chemisches Element mit dem Symbol Sc und der Ordnungszahl 21

Scandium (von lat. Scandia „Skandinavien“) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Sc und der Ordnungszahl 21. Im Periodensystem steht es in der 3. Nebengruppe, bzw. der 3. IUPAC-Gruppe oder Scandiumgruppe. Das bei Raumtemperatur weiche, silberweiße Element ist das erste der Übergangsmetalle und wird auch den Metallen der Seltenen Erden zugerechnet.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Scandium, Sc, 21
Elementkategorie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 3, 4, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer

7440-20-2

EG-Nummer 231-129-2
ECHA-InfoCard 100.028.299
Massenanteil an der Erdhülle 5,1 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 44,955908(5)[3] u
Atomradius (berechnet) 160 (184) pm
Kovalenter Radius 170 pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d1 4s2
1. Ionisierungsenergie 6.56149(6) eV[4]633.09 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 12.79977(25) eV[4]1234.99 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 24.756838(12) eV[4]2388.67 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 73.4894(4) eV[4]7090.6 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 91.95(3) eV[4]8870 kJ/mol[5]
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 2,985 g/cm3
Mohshärte 2,5
Magnetismus paramagnetisch (χm = 2,6 · 10−4)[6]
Schmelzpunkt 1814 K (1541 °C)
Siedepunkt 3003 K[7] (2730 °C)
Molares Volumen 15,00 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 310 kJ/mol[7]
Schmelzenthalpie 16 kJ·mol−1
Spezifische Wärmekapazität 586[1] J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit 1,81 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit 16 W·m−1·K−1
Chemisch [2]
Oxidationszustände 3
Normalpotential −2,03 V (Sc3+ + 3 e → Sc)
Elektronegativität 1,36 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
43Sc {syn.} 3,891 h ε 2,221 43Ca
44Sc {syn.} 3,927 h ε 3,653 44Ca
45Sc 100 % Stabil
46Sc {syn.} 83,79 d β 2,367 46Ti
47Sc {syn.} 3,3492 d β 0,600 47Ti
48Sc {syn.} 43,67 h β 3,994 48Ti
49Sc {syn.} 57,2 min β 2,006 49Ti
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin-
Quanten-
zahl I
γ in
rad·T−1·s−1
Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
45Sc 7/2 0+6,508 · 107 0,302 048,69
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [8]

Pulver

Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
P: 210 [8]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

GeschichteBearbeiten

Scandium wurde 1879 von Lars Fredrik Nilson entdeckt. Aus 10 kg Euxenit und Gadolinit isolierte er ein Oxid mit bisher unbekannten Eigenschaften. Das von ihm vermutete neue Element nannte er zu Ehren seiner Heimat Skandinavien „Scandium“. Schon 1869 sagte Dmitri Iwanowitsch Mendelejew ein Element Eka-Bor vorher. Erst Per Teodor Cleve erkannte später die Übereinstimmung des Scandiums mit dem Eka-Bor.

Reines Scandium wurde erstmals 1937 elektrolytisch aus einer eutektischen Schmelze aus Kalium-, Lithium- und Scandiumchlorid bei 700 bis 800 °C hergestellt.

2003 gab es weltweit nur drei Minenproduktionsstätten: Bayan-Obo-Mine (Volksrepublik China), Schowti Wody (Ukraine) und auf der Halbinsel Kola (Russland).[9]

2018 ist eine Produktionsstätte in Australien dazu gekommen von Australian Mines[10].

VorkommenBearbeiten

Scandium gehört zu den seltenen Elementen. Elementar kommt es nicht vor, nur in einigen seltenen Mineralen findet man es in angereicherter Form.[11] Scandium als Hauptbestandteil enthalten nur fünf Minerale:[12]

Daneben sind bisher (Stand 2013) noch 14 weitere Minerale bekannt, bei denen Scandium in geringeren Anteilen in der chemischen Formel vertreten ist wie unter anderem Jervisit, Bazzit, Juonniit, Cascandit, Davisit und Scandiobabingtonit.[12]

Als Beimengung in geringer Konzentration findet sich Scandium in einigen hundert Mineralen,[14] wobei einige Quellen mehr als 800 Mineralien angeben.[15] Es ist daher auch in Erzkonzentraten der Übergangsmetalle als „Verunreinigung“ enthalten. Hierzu zählen russische und chinesische Wolframit- und Tantalitkonzentrate. Auch bei der Aufbereitung uranhaltiger Erze fallen Scandiumverbindungen an.[16][17]

Gewinnung und HerstellungBearbeiten

Als Ausgangsstoff dient hauptsächlich Thortveitit, das in mehreren Verfahrensschritten zum Scandiumoxid aufbereitet wird. Metallisches Scandium wird anschließend durch Umsetzung zum Fluorid und Reduktion mit Calcium erzeugt.

Laut USGS wird die Jahresproduktion und der Jahresverbrauch auf 15–25 Tonnen Scandiumoxid geschätzt. Haupthersteller waren China, die Philippinen und Russland.[18] Scandium wird sowohl von der EU, als auch den USA als kritischer Rohstoff eingestuft.[19][20] Deshalb laufen derzeit auch global zahlreiche Projekte neue Förderstätten für Scandium zu erschließen oder bestehende Scandiumproduktionen auszubauen. In den USA wird für das Elk Creek-Projekt in Nebraska ein Finanzier gesucht. Dort soll in einer polymetallischen Mine neben Titandioxid und Ferroniob auch Scandiumoxid erzeugt werden, die Reserven für Scandium werden auf 2.400 Tonnen geschätzt. In Arizona hat das La Paz Scandium- und Seltenerdprojekt die Bewilligung für eine Kernbohrkampagne erhalten und in Texas und Alaska gibt es jeweils ein Abbauprojekt, das auch eine Scandiumgewinnung in den Plänen beinhaltet. Außerdem laufen Forschungsprojekte um Scandium aus Kohle und Kohleprodukten zu gewinnen. Im kanadischen Sorel-Tracy erklärte ein Erzeuger die Fertigstellung einer Anlage für Hochleistungs-Aluminium-Scandium-Legierungen mit einer Kapazität von 3 t hochreinem (99,99 %) Scandiumoxid. In Australien gibt es mehrere polymetallische Abbauprojekte, die auch die Gewinnung von Scandium enthalten und sich in verschiedenen Stadien der Umsetzung befinden. Auf den Philippinen stellt ein Werk 13 Tonnen pro Jahr Scandiumoxalat her, das als Nebenprodukt einer Hochdruck-Säurelaugung von Nickel gewonnen wird und umgerechnet 7,5 Tonnen Scandiumoxid entspricht. In Russland soll in der Ural-Region eine Scandiumgewinnung mit der Kapazität von 3 t Scandiumoxid bei 99 % Reinheit als Nebenprodukt einer Aluminiumschmelze errichtet werden. In der Kurgan-Region waren zwei mobile und zwei stationäre Absorptionskolonnen zur Gewinnung von 99,9 % reinem Scandiumoxid in Betrieb, sowie eine Technologie, die es erlaubt eine Aluminium-Scandium-Legierung als Nebenprodukt einer Uranproduktion zu gewinnen. Laut den letzten verfügbaren Daten (2019) wurden 230 kg Metall hergestellt und zu Kunden versandt. In Europa demonstrierte eine Pilotanlage im griechischen Agios Nikolaos erfolgreich die Möglichkeit der Gewinnung von Scandium aus industriellen Abfällen der Bauxit-Behandlung im Bayer-Verfahren mittels einer patentierten selektiven Ionenaustauschtechnologie, als Teil des Horizont 2020 Forschungsprogramms der EU. In Finnland erklärt das Kiviniemi-Scandium-Projekt in Rautalampi über 13,4 Millionen Tonnen Ressourcen mit 163 ppm Scandium zu verfügen.[21] In China gibt es bei einem Hersteller in Staatsbesitz in Shanghai Pläne die existierende Produktion mit einer Kapazität von 50 Tonnen pro Jahr Scandiumoxid-Rohstoff langfristig auf 100 Tonnen pro Jahr zu steigern. Ein weiterer Hersteller in Henan mit einer Anlage von 10 Tonnen/Jahr Scandiumoxid hat Pläne diese auf 20 Tonnen pro Jahr zu steigern.[18]

EigenschaftenBearbeiten

 
reines Scandium, sublimiert-dendritisch

Aufgrund seiner Dichte zählt Scandium zu den Leichtmetallen. An Luft wird es matt, es bildet sich eine schützende gelbliche Oxidschicht. Scandium reagiert mit verdünnten Säuren unter Bildung von Wasserstoff und dreiwertigen Kationen. In Wasserdampf erfolgt ab 600 °C die Umsetzung zu Scandiumoxid Sc2O3. In wässrigen Lösungen verhalten sich Sc-Kationen ähnlich wie Aluminium, was bei analytischen Trennungen oftmals Schwierigkeiten bereitet. In einer Mischung aus Salpetersäure und 48 % Fluorwasserstoff soll es beständig sein.

VerwendungBearbeiten

Seine Hauptanwendung findet Scandium als Scandiumiodid in Hochleistungs-Hochdruck-Quecksilberdampflampen, beispielsweise zur Stadionbeleuchtung. Zusammen mit Holmium und Dysprosium entsteht ein dem Tageslicht ähnliches Licht. Scandium wird auch zur Herstellung von Laserkristallen verwendet. Magnetischen Datenspeichern wird Scandiumoxid zur Erhöhung der Ummagnetisierungsgeschwindigkeit zugesetzt. Scandium als Scandiumchlorid wird in Mikromengen als ein wichtiger Bestandteil im Katalysator bei der Chlorwasserstoffherstellung eingesetzt, Forscher des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung nutzten es zudem zur Herstellung eines Katalysators zur Be- und Entladung von Metallhydridspeichern für Wasserstoff, der neben dem Scandiumchlorid ScCl3 unter anderem noch Natriumhydrid und Aluminium enthielt. Später wurden jedoch titanenthaltende Katalysatoren verwendet.[22]

Als Legierungszusatz zeigt Scandium gefügestabilisierende und korngrößenfeinende Effekte. Eine Aluminium-Lithium-Legierung mit geringem Scandiumzusatz wird zur Herstellung einiger Bauteile in russischen Kampfflugzeugen verwendet. Auch in der modernen Fahrradindustrie (siehe Rennrad) werden Scandiumlegierungen eingesetzt. Diese Legierungen enthalten ebenfalls nur wenig Scandium. Ende der 1990er Jahre brachte der Revolverhersteller Smith & Wesson das Revolver-Modell 360PD heraus. Der aus einer Scandium-Aluminium-Legierung bestehende Rahmen ermöglicht eine deutliche Gewichtsreduktion.

Große Erwartungen werden an die Verwendung von Aluminiumscandiumnitrid[23] als Halbleitermaterial für leistungselektronische Bauteile geknüpft. Die Forschung daran befindet sich aktuell (Stand 2020) noch in einem frühen Stadium, jedoch gelangen erste Fortschritte bei der Entwicklung industrietauglicher Epitaxieverfahren.[24][25] Ebenfalls im Interesse der Forschung stehen die piezoelektrischen und pyroelektrischen sowie insbesondere die 2019 erst entdeckten ferroelektrischen Eigenschaften des Materials, die zahlreiche weitere Anwendungsfelder eröffnen.[26][27]

SicherheitshinweiseBearbeiten

Scandiumpulver ist brennbar und daher als feuergefährlich einzustufen. Es kann durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden und brennt nach deren Entfernung weiter. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist.[8]

VerbindungenBearbeiten

PreiseBearbeiten

Der Preis für 1 Kilogramm Scandiumoxid 99,5 % FOB China in RMB/Kg war nach Angabe des Institut für Seltene Erden und Metalle bis Februar 2011 stabil bei 13.000 USD; er stieg dann von Mai bis September 2011 auf 30.000 USD an und lag bis Ende der Aufzeichnung Anfang 2012 stabil bei 27.500 USD.[28] Den Durchschnittspreis für die letzten sechs Monate (Februar bis Juli 2022) gibt das Institut wie folgt an: „Scandium Metal – 99.99%min EXW China – 2970,86 EUR/kg“; Bewertung des noch reineren „Scandium Metal – 99.999%min EXW China – 5031,54 EUR/kg“ sowie „Scandium Oxide – 99.99%min EXW China – 782 EUR/kg“.[29]

WeblinksBearbeiten

Commons: Scandium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Scandium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Scandium) entnommen.
  3. CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. a b c d e Eintrag zu scandium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  5. a b c d e Eintrag zu scandium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  7. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  8. a b c Eintrag zu Scandium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  9. mineralinfo.org: Les enjeux du Scandium dans la filière superalliages (Memento vom 24. März 2012 im Internet Archive).
  10. Scandium Oxide - Australian Mines Limited. Abgerufen am 5. Februar 2019.
  11. Michael Fleischer, Joseph A. Mandarino: Glossary of Mineral Specimens 1991. The Mineragical Record Inc., Tucson.
  12. a b Webmineral - Mineral Species containing Scandium.
  13. IMA/CNMNC List of Mineral Names; August 2013 (PDF 1,3 MB).
  14. C. T. Horovitz: Scandium Its Occurrence, Chemistry Physics, Metallurgy, Biology and Technology. Elsevier, 2012, ISBN 978-0-323-14451-3, S. 50 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  15. David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready-reference Book of Chemical ... CRC Press, 1993, ISBN 0-8493-0595-0, S. 4–27 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  16. H. A. Das, J. Zonderhuis, H. W. Marel: Scandium in rocks, minerals and sediments and its relations to iron and aluminium. In: Contributions to Mineralogy and Petrology. 32, 1971, S. 231–244, doi:10.1007/BF00643336.
  17. U.S. Geological Survey: Mineral Commodity Summaries - Scandium, February 2014, abgerufen am 12. Mai 2014.
  18. a b U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: SCANDIUM.
  19. [1] Federal Register der US-Bundesregierung, 2022 final list of critical materials.
  20. [2] Europäische Kommission Critical Raw Materials.
  21. Scandium International Mining Corp: Kiviniemi-Project, abgerufen am 01.09.2022.
  22. Ferdi Schüth, Michael Felderhoff, Borislov Bogdanovic; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung: Komplexe Hydride als Materialien für die Wasserstoffspeicherung. Abruf am 8. Januar 2015.
  23. Anm.: Auch Scandiumaluminiumnitrid gebräuchlich
  24. Heinz Arnold in Markt&Technik 21.01.2019: Neues Material besser als GaN
  25. Ralf Higgelke in Markt&Technik 23.10.2019: Aluminiumscandiumnitrid erstmals per MOCVD hergestellt
  26. Nicolas Kurz: Untersuchung der elektro-akustischen und pyroelektrischen Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid für mikroakustische Hochfrequenzfilter
  27. Julia Siekmann; Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 17.10.2019 Neu entdeckte Materialeigenschaft verspricht Innovationsschub in der Mikroelektronik
  28. Angaben und Schreibweise: Webseite Institut für Seltene Erden und Metalle (ISE): Scandium. Abgerufen am 8. August 2022.
  29. Angaben und Schreibweise: Webseite ISE: Metal Quotes. Abgerufen am 8. August 2022.