„Scandium" – Versionsunterschied
Version vom 21. Februar 2020, 05:10 Uhr
| Eigenschaften | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allgemein | ||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Scandium, Sc, 21 | |||||||||
| Elementkategorie | Übergangsmetalle | |||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 3, 4, d | |||||||||
| Aussehen | silbrig weiß | |||||||||
| CAS-Nummer |
7440-20-2 | |||||||||
| 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] 3d 1 4s 2 | |||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 633,1 | |||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1235,0 | |||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2388,6 | |||||||||
| Physikalisch[2] | ||||||||||
| Aggregatzustand | fest | |||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal | |||||||||
| Dichte | 2,985 g/cm3 | |||||||||
| Mohshärte | 2,5 | |||||||||
| Magnetismus | paramagnetisch (Χm = 2,6 · 10−4)[4] | |||||||||
| Schmelzpunkt | 1814 K (1541 °C) | |||||||||
| Siedepunkt | 3003 K[5] (2730 °C) | |||||||||
| Molares Volumen | 15,00 · 10−6 m3·mol−1 | |||||||||
| Verdampfungsenthalpie | 310 kJ/mol[5] | |||||||||
| Schmelzenthalpie | 16 kJ·mol−1 | |||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 586[1] J·kg−1·K−1 | |||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 1,81 · 106 S·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 | ||||||||||
|
45Sc
100 %
Stabil
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| Weitere Isotope siehe Liste der Isotope | ||||||||||
| NMR-Eigenschaften | ||||||||||
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| Sicherheitshinweise | ||||||||||
| H- und P-Sätze | H: 228 | |||||||||
| P: 210 [6] | ||||||||||
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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.
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 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).[7]
2018 ist eine Produktionsstätte in Australien dazu gekommen von Australian Mines[8] .
Vorkommen
Scandium gehört zu den seltenen Elementen. Elementar kommt es nicht vor, nur in einigen seltenen Mineralen findet man es in angereicherter Form.[9] Scandium als Hauptbestandteil enthalten nur fünf Minerale:[10]
- Pretulit – Sc[PO4]
- Thortveitit – Sc2[Si2O7][11]
- Kolbeckit – Sc[PO4] · 2 H2O
- 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.[10]
Als Beimengung in geringer Konzentration findet sich Scandium in einigen hundert Mineralen,[12] wobei einige Quellen mehr als 800 Mineralien angeben.[13] 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.[14] [15] Minen befinden sich unter anderem in Schowti Wody in der Ukraine.
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.[16]
Eigenschaften
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 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.[17]
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 Rahmen ermöglicht eine deutliche Gewichtsreduktion.
Große Erwartungen werden an die Verwendung von Aluminiumscandiumnitrid [18] 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.[19] [20] Ebenfalls im Fokus der Forschung sind die piezoelektrischen und pyroelektrischen, sowie insbesondere die 2019 erst entdeckten ferroelektrischen Eigenschaften des Materials, die zahlreiche weitere Anwendungsfelder eröffnen.[21] [22]
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
- ↑ a b 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.
- ↑ 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.
- ↑ a b c Eintrag zu Scandium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)Fehler bei Vorlage * Parametername unbekannt (Vorlage:GESTIS): "Datum".
- ↑ mineralinfo.org: Les enjeux du Scandium dans la filière superalliages (Memento vom 24. März 2012 im Internet Archive ).
- ↑ Scandium Oxide - Australian Mines Limited. Abgerufen am 5. Februar 2019.
- ↑ Michael Fleischer, Joseph A. Mandarino: Glossary of Mineral Specimens 1991. The Mineragical Record Inc., Tucson.
- ↑ a b 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 (englisch).
- ↑ Ferdi Schüth, Michael Felderhoff, Borislov Bogdanovic; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung: Komplexe Hydride als Materialien für die Wasserstoffspeicherung. Abruf am 8. Januar 2015.
- ↑ Anm.: Auch Scandiumaluminiumnitrid gebräuchlich
- ↑ Heinz Arnold in Markt&Technik 21.01.2019: Neues Material besser als GaN
- ↑ Ralf Higgelke in Markt&Technik 23.10.2019: Aluminiumscandiumnitrid erstmals per MOCVD hergestellt
- ↑ Nicolas Kurz: Untersuchung der elektro-akustischen und pyroelektrischen Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid für mikroakustische Hochfrequenzfilter
- ↑ Julia Siekmann; Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 17.10.2019 Neu entdeckte Materialeigenschaft verspricht Innovationsschub in der Mikroelektronik