Scandium

Scandium (von lat. Scandia „Skandinavien“; auch Skandium) 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. Es ist das erste der Übergangsmetalle und wird auch den Metallen der Seltenen Erden zugerechnet.

Scandium ist ein silbrig-weißes, seltenes, weiches Leichtmetall. Es hat nur wenige Anwendungen, hauptsächlich wird es für Legierungen verwendet.

Geschichte

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Lars Fredrik Nilson

Als Dmitri Mendelejew 1869 seinen Entwurf des Periodensystems entwickelte, stellte er fest, dass es einige Lücken durch bislang unbekannte Elemente aufwies. Eine befand sich unterhalb des Bors und neben dem Calcium. Dieses unbekannte Element nannte er systematisch Eka-Bor 1871 prognostizierte er einige Eigenschaften dieses Elementes, wie etwa eine Atommasse von etwa 45, ein spezifisches Gewicht von 3,5 und dreiwertige Salze.<ref name="Orna">Mary Virginia Orna, Marco Fontani: Mini-Biography of Scandium (Eka-Boron). In: Carmen J. Giunta, Vera V. Mainz, Gregory S. Girolami (Hrsg.): 150 Years of the Periodic Table. Springer, 2021, ISBN 978-3-030-67910-1, S. 237–242.</ref><ref>Dmitri Mendelejew: Die periodische Gesetzmäßigkeit der chemischen Elemente. (übersetzt von Felix Wreden) In: Liebigs Annalen. 8. Supplementband, 1871, S. 133–239 (genauer S. 197–200, Vorlage:HathiTrust Buch).</ref>

1878 entdeckte Jean Charles Galissard de Marignac in Gadolinit das Ytterbium. Ihm standen jedoch nur kleine Mengen zur Verfügung, so dass er das Element nicht genauer unterrsuchen konnte. Daraufhin begann Lars Fredrik Nilson größere Mengen des ebenfalls Seltenerdmetall-reichen Euxenits zu untersuchen und Marignacs Experimente zu widerholen. Er konnte die Existenz des Ytterbiums bestätigen, fand jedoch bei der Fraktionierung zudem ein Oxid eines bislang unbekannten Elementes mit deutlich geringerem Atomgewicht. Tobias Robert Thalén konnte spektroskopisch die Existenz eines neuen Elementes bestätigen. 1879 veröffentlichte Nilson seine Ergebnisse und nannte es nach Skandinavien Scandium.<ref>Lars Fredrik Nilson: Sur le scandium, élément nouveau. In: Comptes Rendus. 88, 1879, S. 645–648 (Vorlage:Gallica).</ref> Nilsons Scandiumproben enthielten noch Ytterbium und Erbium. Per Teodor Cleve untersuchte Scandium genauer und trennte Verunreinigungen ab. Schließlich konnte er ein Atomgewicht von 45,12 bestimmen, was ziemlich genau der Vorhersage Mendelejews entsprach und diese somit bestätigte.<ref>Per Teodor Cleve: Sur le scandium. In: Comptes Rendus. 89, 1879, S. 419–422 (Vorlage:Gallica).</ref><ref name="Orna"/>

Metallisches Scandium wurde erstmals 1937 von Werner Fischer und Mitarbeitern in Freiburg im Breisgau hergestellt. Dabei wurde in einem Graphittigel eine Kaliumchlorid-Lithiumchlorid-Scandiumchlorid-Schmelze bei 700–800 °C mit Elektroden aus Wolfram und flüssigem Zink elektrolysiert. Das metallische Scandium löste sich im Zink, anschließend wurde dieses abdestilliert. Sie erhielten ein verunreinigtes, oxidhaltiges Scandium in Form einer spröden, schwammartigen, gesinterten Struktur. Auf Grund der Verunreinigungen maßen sie einen zu niedrigen Schmelzpunkt von 1450 °C.<ref>Werner Fischer, Karl Brünger, Hans Grieneisen: Über das metallische Scandium. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1937, Band 231, Nummer 1–2, S. 54–62 Vorlage:DOI.</ref> Reines Scandium wurde erstmals 1960 von Frank Harold Spedding durch Reduktion von Scandiumfluorid mit Calcium hergestellt. Er bestimmte auch Eigenschaften wie den genauen Schmelzpunkt oder die Kristallstruktur.<ref>F. H. Spedding, A. H. Daane, G. Wakefield, D. H. Dennison: Preparation and properties of high purity scandium metal. In: Trans. Met. Soc. AIME. 218, 1960, S. 608–611 (Abstract).</ref>

Vorkommen

Scandium gehört zu den seltenen Elementen. Elementar kommt es nicht vor, nur in einigen seltenen Mineralen findet man es in angereicherter Form.<ref name="Fleischer & Mandarino">Michael Fleischer, Joseph A. Mandarino: Glossary of Mineral Specimens 1991. The Mineragical Record Inc., Tucson.</ref> Scandium als Hauptbestandteil enthalten nur fünf Minerale:<ref name="Webmineral">Webmineral - Mineral Species containing Scandium.</ref>

• Pretulit – Sc[PO₄]
• Thortveitit – Sc₂[Si₂O₇]<ref>IMA/CNMNC List of Mineral Names; August 2013 (PDF 1,3 MB).</ref>
• 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 ist wie unter anderem Jervisit, Bazzit, Juonniit, Cascandit, Davisit und Scandiobabingtonit.<ref name="Webmineral" />

Ein Mineralgemisch, zunächst als eigenständiges Mineral beurteilt, wurde nach Fredrik Johan Wiik als Wiikit benannt, das etwa 1 bis 1,5 % Skandiumoxid enthalten soll. Weitere darin enthaltene Elemente sind Titan, sowie Eisen, Seltene Erden, Silizium, Thorium, Uran und Zirkonium.<ref>Willy Schreiter: Seltene Metalle, Band II. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1961, S. 420.</ref>

Als Beimengung in geringer Konzentration findet sich Scandium in einigen hundert Mineralen,<ref name="C.T. Horovitz">Vorlage:Literatur</ref> wobei einige Quellen mehr als 800 Mineralien angeben.<ref name="David R. Lide">Vorlage:Literatur</ref> 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.<ref name="DOI10.1007/BF00643336">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.</ref><ref name="mcs-2014-scand.pdf">U.S. Geological Survey: Mineral Commodity Summaries - Scandium, February 2014, abgerufen am 12. Mai 2014.</ref>

2003 gab es weltweit nur drei Minenproduktionsstätten: Bayan-Obo-Mine (Volksrepublik China), Schowti Wody (Ukraine) und auf der Halbinsel Kola (Russland).<ref>mineralinfo.org: Vorlage:Webarchiv.</ref>

2018 ist eine Produktionsstätte von Australian Mines in Australien dazu gekommen.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

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 und der Jahresverbrauch auf 15–25 Tonnen Scandiumoxid geschätzt. Haupthersteller waren China, die Philippinen und Russland.<ref name="usgs_2022">U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: SCANDIUM.</ref> Scandium wird sowohl von der EU, als auch den USA als kritischer Rohstoff eingestuft.<ref>Federal Register der US-Bundesregierung, 2022 final list of critical materials.</ref><ref>Europäische Kommission: Critical Raw Materials.</ref> 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 t 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 t pro Jahr Scandiumoxalat her, das als Nebenprodukt einer Hochdruck-Säurelaugung von Nickel gewonnen wird und umgerechnet 7,5 t 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.<ref>Scandium International Mining Corp: Kiviniemi-Project, abgerufen am 1. September 2022.</ref> In China gibt es bei einem Hersteller in Staatsbesitz in Shanghai Pläne die existierende Produktion mit einer Kapazität von 50 t pro Jahr Scandiumoxid-Rohstoff langfristig auf 100 t pro Jahr zu steigern. Ein weiterer Hersteller in Henan mit einer Anlage von 10 t pro Jahr Scandiumoxid hat Pläne diese auf 20 t pro Jahr zu steigern.<ref name="usgs_2022" />

Eigenschaften

Datei:Scandium sublimed dendritic and 1cm3 cube.jpg

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.

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.<ref>Ferdi Schüth, Michael Felderhoff, Borislov Bogdanovic; Max-Planck-Institut für Kohlenforschung: Komplexe Hydride als Materialien für die Wasserstoffspeicherung. Abruf am 8. Januar 2015.</ref>

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.

Weiters ist Aluminiumscandiumnitrid (AlScN)<ref>Anm.: Auch als Scandiumaluminiumnitrid bezeichnet</ref> ein Verbindungshalbleiter. Die Forschung daran befindet sich mit Stand 2020 in einem frühen Stadium, jedoch gelangen erste Fortschritte bei der Entwicklung leistungselektronischer Bauelemente in industrietauglichen Epitaxieverfahren.<ref>Heinz Arnold in Markt&Technik 21.01.2019: Neues Material besser als GaN</ref><ref>Ralf Higgelke in Markt&Technik 23.10.2019: Aluminiumscandiumnitrid erstmals per MOCVD hergestellt </ref> 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.<ref>Nicolas Kurz: Untersuchung der elektro-akustischen und pyroelektrischen Eigenschaften von Aluminium-Scandium-Nitrid für mikroakustische Hochfrequenzfilter </ref><ref>Julia Siekmann; Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 17.10.2019 Neu entdeckte Materialeigenschaft verspricht Innovationsschub in der Mikroelektronik</ref>

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.<ref name="GESTIS" />

Verbindungen

• Scandiumoxid – Sc₂O₃
• Scandiumfluorid – ScF₃
• Scandiumchlorid – ScCl₃
• Scandiumbromid – ScBr₃
• Scandiumdiiodid – ScI₂
• Scandiumiodid – ScI₃
• Scandiumnitrat – Sc(NO₃)₃
• Scandiumsulfat – Sc₂(SO₄)₃

Einzelnachweise

<references />