Scandium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Scandium, Sc, 21
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	3, 4, d
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-20-2
Massenanteil an der Erdhülle	5,1 ppm
Atomar
Atommasse	44,955908(5) u
Atomradius (berechnet)	160 (184) pm
Kovalenter Radius	170 pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d1 4s2
1. Ionisierungsenergie	633,1 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1235,0 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2388,6 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	2,985 g/cm3
Mohshärte	2,5
Magnetismus	paramagnetisch (Χm = 2,6 · 10−4)
Schmelzpunkt	1814 K (1541 °C)
Siedepunkt	3003 K (2730 °C)
Molares Volumen	15,00 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	310 kJ/mol
Schmelzwärme	16 kJ/mol
Spezifische Wärmekapazität	586 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	1,81 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	16 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	3
Oxide (Basizität)	Sc2O3 (schwach basisch)
Normalpotential	−2,03 V (Sc3+ + 3 e− → Sc)
Elektronegativität	1,36 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr
H- und P-Sätze	H: 228
	P: 210
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. ; Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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 weiche, silberweiße Element ist das erste der Übergangsmetalle und wird auch den Metallen der Seltenen Erden zugerechnet.

Geschichte

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 „Scandium“. Schon 1869 sagte Dmitri Iwanowitsch Mendelejew ein Element Eka-Bor mit der Ordnungszahl 21 voraus. 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).^[7]

Vorkommen

Scandium gehört zu den seltenen Elementen. Elementar kommt es nicht vor, nur in einigen seltenen Mineralen findet man es in angereicherter Form.^[8] Scandium als Hauptbestandteil enthalten nur fünf Minerale:^[9]

Pretulit Sc[PO₄]
Thortveitit Sc₂[Si₂O₇]^[10]
Kolbeckit Sc[PO₄]·2H₂O
Allendeit Sc₄Zr₃O₁₂
Heftetjernit ScTaO₄

Daneben sind bisher (Stand 2013) noch 14 weitere Minerale bekannt, bei denen Scandium in geringeren Anteilen in der chemischen Formel vertreten sind wie unter anderem Jervisit, Bazzit, Juonniit, Cascandit, Davisit und Scandiobabingtonit.^[9]

Als Beimengung in geringer Konzentration findet sich Scandium in einigen hundert Mineralen,^[11] wobei einige Quellen mehr als 800 Mineralien angeben.^[12] 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.^[13]^[14]

Gewinnung und Herstellung

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 auf 10 bis 15 t geschätzt.^[15]

Eigenschaften

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.

Verwendung

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 sehr 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 Metall-hydridspeichern für Wasserstoff, der neben dem Scandiumchlorid ScCl₃ unter anderem noch Natriumhydrid und Aluminium enthielt. Später wurden jedoch titanenthaltende Katalysatoren verwendet.^[16]

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 relativ wenig Scandium. Ende der 1990er Jahre wurde vom Revolverhersteller Smith & Wesson das Revolver-Modell 360PD herausgebracht. Der aus einer Scandium-Aluminium-Legierung bestehende hochwertige Rahmen ermöglicht eine deutliche Gewichtsreduktion, und es können aus dieser Waffe trotzdem starke Ladungen verschossen werden (.357 Magnum bzw. .38 Special +P).

Sicherheitshinweise

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.^[6]

Verbindungen

Scandiumoxid Sc₂O₃
Scandiumfluorid ScF₃
Scandiumchlorid ScCl₃
Scandiumbromid ScBr₃
Scandiumiodid ScI₃
Scandiumnitrat Sc(NO₃)₃
Scandiumsulfat Sc₂(SO₄)₃

Einzelnachweise

↑ ^1,0 ^1,1 Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Scandium) entnommen.
↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
↑ 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.
↑ ^5,0 ^5,1 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.
↑ ^6,0 ^6,1 ^6,2 Eintrag zu Scandium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017 (JavaScript erforderlich).
↑ mineralinfo.org: Les enjeux du Scandium dans la filière superalliages (Memento vom 24. März 2012 im Internet Archive).
↑ Michael Fleischer, Joseph A. Mandarino: Glossary of Mineral Specimens 1991. The Mineragical Record Inc., Tucson.
↑ ^9,0 ^9,1 Webmineral - Mineral Species containing Scandium.
↑ IMA/CNMNC List of Mineral Names; August 2013 (PDF 1,3 MB).
↑ 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).
↑ 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).
↑ 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.
↑ U.S. Geological Survey: Mineral Commodity Summaries - Scandium, February 2014, abgerufen am 12. Mai 2014.
↑ MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2015. (PDF 2,3 MB, S. 144(141)) USGS, abgerufen am 5. September 2015 (english).
↑ Ferdi Schüth, Michael Felderhoff, Borislov Bogdanovic; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung: Komplexe Hydride als Materialien für die Wasserstoffspeicherung. Abruf am 8. Januar 2015.