Sc · Element 21 · Übergangsmetall
Ein Metall aus der Nähe der Seltenen Erden, das Aluminiumlegierungen deutlich stärker macht — zu einem Preis, der es exotisch hält.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Scandium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 162 pm — das entspricht 0,162 nm; etwa 3,09 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Scandium ist über einen Bereich von 1295 K flüssig, von 1814 K bis 3109 K.
Wo es steht
Die Geschichte
Lernen Sie Scandium kennen – das extrem seltene „Weltraumzeitalter“-Metall, das Flugzeuge leichter und stärker macht. Dieses silberweiße Übergangsmetall ist so selten, dass weltweit jährlich nur etwa 15 Tonnen produziert werden, wodurch es teurer als Gold ist. Scandium wurde 1879 vom schwedischen Chemiker Lars Fredrik Nilson entdeckt. Tatsächlich war es jedoch bereits von Mendeleev vorhergesagt worden, der es vor seiner Entdeckung „Eka-Bor“ nannte. Was Scandium besonders erstaunlich macht, ist seine Fähigkeit, extrem starke und leichte Legierungen zu bilden. Wenn Aluminium nur 0,1–0,5 % Scandium zugesetzt werden, wird die entstehende Legierung deutlich stärker und bleibt dabei leicht – ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Die Sowjetunion verwendete Scandium-Aluminium-Legierungen heimlich in ihren MiG-Kampfflugzeugen und verschaffte ihnen damit im Kalten Krieg einen bedeutenden Vorteil. Scandium besitzt die einzigartige Eigenschaft, sowohl ein Übergangsmetall zu sein als auch in gewisser Weise wie Aluminium zu reagieren. Es bildet nur eine stabile Oxidationsstufe (+3) und erzeugt farblose Verbindungen, im Gegensatz zu den meisten Übergangsmetallen, die farbige Verbindungen bilden. Dieses Element ist außerdem paramagnetisch und hat mit 1.541 °C einen der höchsten Schmelzpunkte unter den leichteren Elementen. Der Name „Scandium“ stammt von „Scandia“, der lateinischen Bezeichnung für Skandinavien, wo es erstmals in seltenen Mineralien entdeckt wurde. Heute kommt Scandium in über 800 Mineralarten vor, jedoch nie in konzentrierten Mengen, wodurch seine Gewinnung äußerst teuer und anspruchsvoll ist. Hier ist etwas wirklich Erstaunliches: Scandium ist mit etwa 22 Teilen pro Million in der Erdkruste verteilt und damit häufiger als Blei oder Quecksilber. Trotzdem ist es wirtschaftlich äußerst schwer zu gewinnen. Das meiste Scandium stammt heute als Nebenprodukt des Uran- und Wolframbergbaus oder aus der Verarbeitung seltener Erdelemente in China und Russland.
Die Entdeckung von Scandium ist ein Beispiel für die Kraft der Vorhersagen in Mendeleevs Periodensystem. Es gehört zusammen mit Gallium und Germanium zu den Elementen, die vor ihrer tatsächlichen Identifizierung vorhergesagt wurden. Dieses seltene Erdelement wurde durch systematische spektroskopische Analysen und theoretische Chemie entdeckt.
Im Jahr 1869 erkannte Dmitri Mendeleev eine Lücke in seinem Periodensystem zwischen Calcium und Titan und sagte ein unbekanntes Element voraus, das er „Ekabor“ nannte (also „jenseits von Bor“). Seine Vorhersagen umfassten:
Lars Fredrik Nilson (1840–1899), ein schwedischer Chemiker an der Universität Uppsala, entdeckte Scandium am 21. Oktober 1879 bei der Untersuchung seltener Erdmineralien aus Skandinavien. Mit der neu entwickelten Technik der Emissionsspektroskopie entdeckte Nilson unbekannte Spektrallinien in Proben von Euxenit und Gadolinit.
Nilsons sorgfältige Arbeit umfasste die Verarbeitung von 10 Kilogramm Euxenit durch wiederholte Fällungs- und Kristallisationsschritte. Schließlich isolierte er 2 Gramm Scandiumoxid (Sc₂O₃) als weißes Pulver mit einzigartigen spektroskopischen Eigenschaften.
Per Teodor Cleve (1840–1905), Nilsons Kollege in Uppsala, erkannte sofort, dass Nilsons neues Element genau Mendeleevs Vorhersagen zum Ekabor entsprach. Cleves systematische Analyse bestätigte die Atommasse und die chemischen Eigenschaften von Scandium und lieferte damit eine weitere eindrucksvolle Bestätigung des periodischen Gesetzes.
Nilson benannte seine Entdeckung nach Skandinavien „Scandium“ und ehrte damit die Region, aus der die entscheidenden Mineralproben stammten. Diese Namensgebung entsprach der starken Tradition, geografische Ursprünge in der Nomenklatur der Elemente zu würdigen.
Reines metallisches Scandium blieb bis 1937 schwer zugänglich. In diesem Jahr gelang Werner Fischer und seinen Kollegen am Kaiser-Wilhelm-Institut die erste Herstellung durch Elektrolyse von geschmolzenen Kalium-, Lithium- und Scandiumchloriden. Die extreme Schwierigkeit bei der Herstellung von Scandiummetall begrenzt seine Anwendungen trotz seiner bemerkenswerten Eigenschaften bis heute.
Anwendungen
Scandium verwandelt Aluminium durch präzise Legierung vom gewöhnlichen Metall in ein Wunderwerk der Luft- und Raumfahrt und erzeugt die leichtesten verfügbaren hochfesten Werkstoffe. Die einzigartigen Eigenschaften dieses seltenen Erdelements machen es trotz seiner extremen Kosten und Seltenheit für modernste Anwendungen unverzichtbar.
Al-Sc-Legierungen erreichen durch die Kornverfeinerung von Scandium beispiellose Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse. Die Zugabe von nur 0,1–0,3 % Scandium zu Aluminium erzeugt Al₃Sc-Ausscheidungen, die während des Schweißens und der Wärmebehandlung ein Kornwachstum verhindern und die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen erhalten. Diese Legierungen ermöglichen Luft- und Raumfahrtkomponenten, die 15–20 % weniger wiegen als herkömmliche Aluminiumteile und gleichzeitig eine überlegene Ermüdungsfestigkeit aufweisen.
Militärflugzeuge wie die MiG-29 und Su-57 verwenden Scandium-Aluminium-Komponenten in kritischen Strukturen, Treibstofftanks und Fahrwerken, bei denen die Gewichtsreduzierung direkt zu besserer Leistung und höherer Treibstoffeffizienz führt. Die russische Luft- und Raumfahrtindustrie war Vorreiter bei der großtechnischen Nutzung von Scandium und bewahrte technologische Vorteile bei der Entwicklung von Kampfflugzeugen.
Hochwertige Baseballschläger, Fahrradrahmen und Lacrosse-Schläger enthalten Scandiumlegierungen für den professionellen und olympischen Wettbewerb. Ein Baseballschläger aus Scandium-Aluminium kostet $400–800, bietet jedoch optimale Eigenschaften des „Sweet Spots“ und eine Haltbarkeit, die Aluminium allein nicht erreichen kann.
Scandiumstabilisiertes Zirkoniumoxid (ScSZ) ermöglicht als Elektrolyt Brennstoffzellen, die bei niedrigeren Temperaturen (650–750 °C gegenüber 800–1.000 °C) mit höherer Ionenleitfähigkeit betrieben werden. Diese Anwendung könnte die dezentrale Stromerzeugung und Reichweitenverlängerer für Elektrofahrzeuge revolutionieren, obwohl die Kosten von Scandium derzeit den kommerziellen Einsatz begrenzen.
Woher es stammt
22 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 74 % der Elemente
Scandiums kosmische Reise beginnt in den Atomkernen massereicher Sterne durch Siliziumbrennprozesse und Neutroneneinfangreaktionen. Diese Prozesse der stellaren Nukleosynthese finden während der letzten Entwicklungsphasen eines Sterns statt. Dabei entstehen Scandiumisotope, die sich während von Supernovaexplosionen in der Galaxie verteilen, allerdings in weitaus geringeren Mengen als häufigere Elemente.
Die Erdkruste enthält etwa 22 Teile pro Million Scandium. Damit ist es häufiger als Silber oder Quecksilber und paradoxerweise dennoch eines der seltensten kommerziell verfügbaren Elemente. Dieses Paradox beruht auf Scandiums geochemischem Verhalten: Es konzentriert sich nur selten in wirtschaftlich nutzbaren Erzvorkommen, sondern verteilt sich stattdessen weit in gesteinsbildenden Mineralien.
Thortveitit ((Sc,Y)₂Si₂O₇) ist das einzige bekannte scandiumreiche Mineral und enthält bis zu 40 % Scandiumoxid. Thortveitit kommt jedoch nur in kleinen Mengen in norwegischen Pegmatiten und Lagerstätten auf Madagaskar vor und reicht daher nicht für die weltweite Scandiumnachfrage aus.
Das meiste kommerzielle Scandium fällt als Nebenprodukt bei der Uran- und Titanverarbeitung an. Die Seltenerdlagerstätte Bayan Obo in China und bestimmte australische Lateritlagerstätten enthalten Scandiumkonzentrationen von 100–300 ppm, die durch komplexe hydrometallurgische Verfahren gewonnen werden.
Russland beherrscht die weltweite Scandiumproduktion aus der Verarbeitung von Uranmühlenrückständen und produziert 60–80 % der weltweiten Jahresversorgung von 15–20 Tonnen. China gewinnt Scandium aus der Verarbeitung seltener Erden, während Australien neue Gewinnungsverfahren aus Nickel- und Cobalt-Lateritlagerstätten entwickelt.
Bei der Aluminiumproduktion entstehen Millionen Tonnen Rotschlammabfall mit einem Scandiumgehalt von 100–150 ppm. Die Forschung konzentriert sich auf die wirtschaftliche Scandiumgewinnung aus diesem reichlich vorhandenen Abfallstrom, was die Verfügbarkeit von Scandium möglicherweise revolutionieren und die Umweltbelastungen der Aluminiumverarbeitung verringern könnte.
Handhabung
Scandium und seine Verbindungen weisen im Vergleich zu anderen seltenen Erdelementen eine relativ geringe Toxizität auf. Dennoch bleiben geeignete Handhabungsverfahren aufgrund begrenzter toxikologischer Daten und möglicher Reizungen der Atemwege durch Staubexposition unerlässlich.
Scandium weist eine geringe akute Toxizität auf. Tierversuche zeigen für die meisten Scandiumverbindungen LD₅₀-Werte von über 4 Gramm pro Kilogramm. Wie andere seltene Erdelemente kann sich Scandium bei längerer Exposition jedoch im Leber- und Knochengewebe anreichern. Scandiumchlorid weist eine mäßige Toxizität auf und erfordert sorgfältige Handhabungsprotokolle.
Scandiummetall stellt in Pulverform eine Brandgefahr dar und kann sich möglicherweise an der Luft entzünden oder heftig mit Wasser reagieren. Scandiumlegierungen weisen im Allgemeinen eine ausgezeichnete Feuerbeständigkeit auf, was zu ihren Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt beiträgt, wo Brandschutz von größter Bedeutung ist.
Einatmen: An die frische Luft bringen; bei anhaltender Reizung der Atemwege ärztliche Hilfe suchen. Hautkontakt: Mit Wasser und Seife waschen; kontaminierte Kleidung ausziehen. Augenkontakt: 15 Minuten mit sauberem Wasser spülen; bei anhaltender Reizung ärztliche Hilfe suchen. Verschlucken: Mund mit Wasser ausspülen; bei größeren Mengen ärztlich untersuchen lassen.
Schnelle Antworten
Scandium (Symbol Sc) ist Element 21 im Periodensystem, ein Übergangsmetall in der 4, Gruppe 3. Ein Metall aus der Nähe der Seltenen Erden, das Aluminiumlegierungen deutlich stärker macht — zu einem Preis, der es exotisch hält. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 3d¹ 4s²; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 9, 2.Scandium schmilzt bei 1814 K (1540.9 °C) und siedet bei 3109 K (2835.9 °C).
Die Standardatommasse von Scandium beträgt 44.956 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Scandium hat eine Dichte von 2.985 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Scandium ungefähr 3× schwerer.
Scandium hat eine Elektronegativität von 1.36 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Scandium wurde 1879 von Lars Fredrik Nilson entdeckt. Es ist nach lateinisch Scandia, Skandinavien benannt.
Scandium macht Über 22 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.