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Scandium

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver
02 – Leicht-/Hochentzündlich
Gefahr
H- und P-Sätze H: Entzündbarer Feststoff
P: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen und anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.

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).

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

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Scandium, Sc, 21
Elementkategorie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 3, 4, d
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7440-20-2
Massenanteil an der Erdhülle 5,1 ppm
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−1
Verdampfungswärme 310 kJ/mol
Schmelzwärme 16 kJ·mol−1
Spezifische Wärmekapazität 586 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit 1,81 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit 16 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände 3
Oxide (Basizität) Sc2O3 (schwach basisch)
Normalpotential −2,03 V (Sc3+ + 3 e− → Sc)
Elektronegativität 1,36 (Pauling-Skala)

Vorkommen

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

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.

Als Beimengung in geringer Konzentration findet sich Scandium in einigen hundert Mineralen, wobei einige Quellen mehr als 800 Mineralien angeben 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. 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.

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 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.

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 (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.

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.
Elementares Scandium wird als nicht toxisch angesehen, obwohl umfangreiche Tierversuche mit Scandiumverbindungen nicht durchgeführt wurden. Die mittlere letale Dosis (LD50) für Scandiumchlorid bei Ratten wurde für die intraperitoneale Verabreichung mit 4 mg/kg und für die orale Verabreichung mit 755 mg / kg bestimmt.

Verbindungen

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 22.11. 2023