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21. Scandium (Sc) - Das seltene Leichtmetall · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
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lernen. Kennst du schon unsere anderen
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Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
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Schlafreise durch vergessene Welten.
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Heute reisen wir in die faszinierende Welt eines
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Elements, das die meisten Menschen kaum kennen, das aber
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in der modernen Technologie eine wachsende Bedeutung erlangt und
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in der Geschichte der Chemie einen ganz besonderen Platz
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einnimmt. Skandium das Element mit der
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Ordnungszahl 21 Elementsymbol SC Skandium.
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Ist ein silbrig weißes Leichtmetall, das zur Gruppe der
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Übergangsmetalle gehört und im Periodensystem am Anfang der
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dritten Nebengruppe steht, mit einer Dichte von nur 2 Komma
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negen 9 Gramm pro Kubikzentimeter, ist es zwar
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schwerer als Aluminium, aber deutlich leichter als die
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meisten anderen Metalle seiner Klasse.
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Seine Schmelztemperatur liegt bei ein und 1553 Grad Celsius.
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Sein Siedepunkt bei 2837 g Grad Celsius.
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Diese Eigenschaften machen es zu einem thermisch robusten
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Material, das extremen Bedingungen standhält.
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Die Geschichte des Skandiums beginnt nicht mit seiner
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Entdeckung, sondern mit seiner Vorhersage es war der russische
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Chemiker Dmitri Mendelejew. Der das Element im Jahr 1869 in
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seinem revolutionären Periodensystem als noch nicht
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entdecktes Element voraussagte. Mendelejew nannte es damals
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Ecabor, da er annahm, dass seine Eigenschaften denen des Bors
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ähneln würden, aber eine Periode darunter liegen sollten.
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Er sagte, ein Atomgewicht von etwa 45 und eine Dichte von etwa
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3 Gramm pro Kubikzentimeter voraus.
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Werte, die sich später als bemerkenswert genau
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herausstellen sollten. Die tatsächliche Entdeckung
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erfolgte knapp 11 Jahre später im Jahr 1890 durch den
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schwedischen Chemiker Lars Fredrik Nilsson.
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Nielsen arbeitete an der Universität Upsala und
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analysierte die Minerale Euxenit und Gadolinit, die aus
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Skandinavien stammten. Beim Aufschluss dieser Minerale
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isolierte er ein bis dahin unbekanntes Oxid, das er Skandia
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nannte, nach Skandinavien, der Region, aus der die untersuchten
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Minerale stammten. Das Metall selbst trug fortan
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den Namen Skandium. Nilsson erkannte schnell, dass
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die Eigenschaften seines neuen Elements außerordentlich gut mit
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mendelejews Vorhersage des Ekabors übereinstimmten.
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Noch im selben Jahr bestätigte der schwedische Chemiker per
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Theodor Kleve, ein Kollege Nilssons, diese Übereinstimmung
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und wies nach, dass Skandium tatsächlich das von Mendelejew
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prophezeite Element war er. Diese Entdeckung war ein
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triumphaler Beweis für die Vorhersagekraft des
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Periodensystems und festigte mendelaews Ruf als einen der
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größten Chemiker der Wissenschaftsgeschichte.
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Reines Skandiummetall wurde erstmals im Jahr 1943 von den
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Wissenschaftlern Fischer, Brunger und Grießmann durch die
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Elektrolyse von geschmolzenem Skandiumchlorid gewonnen.
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Es dauerte jedoch noch weitere 20 Jahre, bis im Jahr 1963
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erstmals eine größere Menge von 91 Gramm reinen Skandiums
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erzeugt wurde. Diese Verzögerung erklärt sich
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aus der außerordentlichen Seltenheit des Elements und den
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Schwierigkeiten bei seiner Gewinnung.
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Skandium ist trotz seiner Seltenheit im menschlichen
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Bewusstsein tatsächlich. Kein seltenes Element im
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erdchemischen Sinne. Es ist das 2.
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Und Zwanzigst häufigste Element in der Erdkruste und kommt dort
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mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 22
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Milligramm pro Kilogramm vor. Zum Vergleich Blei, das wir als
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durchaus alltägliches Metall betrachten, hat eine ähnliche
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Häufigkeit in der Erdkruste. Das Problem bei Skandium liegt
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nicht in seiner absoluten Häufigkeit, sondern in seiner
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extremen Verteilung. Im Gegensatz zu vielen anderen
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Metallen konzentriert sich Skandium kaum in Abbauwürdigen
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Erzlagerstätten, sondern ist in winzigen Mengen über eine
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Vielzahl von Mineralen verteilt. Weltweit sind mehr als 800
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Minerale bekannt, die Skandium enthalten aber nur sehr wenige
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davon in nennenswerten Mengen. Zu den wichtigsten
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skandiumhaltigen Mineralen gehören Tort Veitit, das mit
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einem Skandiumgehalt von bis zu 43% das Skandiumreichste
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bekannte Mineral ist, sowie Kolbeckhit, Prätolit und
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verschiedene seltene Erdmineralen Tort Veitit.
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Ein silikat Mineral kommt jedoch ebenfalls nur in sehr geringen
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Mengen vor und wurde bislang an keinem einzigen Standort
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weltweit in industriell abbaubaren Mengen gefunden.
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Der Großteil des weltweit gewonnenen Skandiums fällt daher
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nicht als Hauptprodukt, sondern als Nebenprodukt bei der
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Verarbeitung anderer Erze an. Bedeutende Quellen sind die
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Aufarbeitung von Uranerzen, die Verarbeitung von Wolfram und
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Titanschlacken sowie die Gewinnung von Nickel und Kobalt
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aus lateritischen Erzen, insbesondere Russland, China,
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die Ukraine und Kasachstan sind traditionell die wichtigsten
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Produzenten, da dort entsprechende
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Aufbereitungsanlagen für Seltene Erden und andere Metalle
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existieren. Die weltweite Jahresproduktion
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an Skandiumoxid liegt je nach Quelle und Jahr zwischen 30 und
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200 Tonnen, wobei die tatsächlichen Zahlen schwer zu
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ermitteln sind, da ein erheblicher Teil des Handels im
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nicht öffentlich dokumentierten Bereich stattfindet.
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Dieser Umstand und die geringe Produktionsmenge führen zu
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erheblichen Preisschwankungen. Der Preis für Hochreines
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Skandiumoxid lag in den vergangenen Jahren zwischen 2
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und 4000 US Dollar pro Kilogramm.
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Trotz dieser Seltenheit und der damit verbundenen hohen Kosten
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sind die Anwendungsmöglichkeiten des Skandiums außerordentlich
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vielfältig und technologisch bedeutsam.
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Die wichtigste kommerzielle Verwendung ist derzeit die
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Legierung mit Aluminium. Schon geringe Mengen Skandium
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von etwa 10 bis 30% Gewichtsanteil bei der Zugabe
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von 0,1 bis 0,5% verbessern die Eigenschaften von
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Aluminiumlegierungen erheblich. Die Zugfestigkeit steigt
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signifikant, die Schweißbarkeit verbessert sich deutlich und die
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Legierungen bleiben auch bei höheren Temperaturen stabil.
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Diese Aluminium skandium Legierungen sind besonders in
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der Luft und Raumfahrtindustrie begehrt.
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Sie wurden zuerst in der Sowjetunion entwickelt und in
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militärischen Hochleistungsflugzeugen wie dem
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MIG 29 Kampfjet eingesetzt, in der zivilen Luftfahrt und im
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Sportgerätebau, wo Gewichtsersparnis bei
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gleichzeitig hoher Festigkeit entscheidend ist, haben diese
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Legierungen ebenfalls Einzug gehalten.
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Hochwertige Fahrradrahmen, Baseballschläger, Lacrosse,
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Stöcke und Kletterausrüstungen werden aus Aluminium skandium
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Legierungen gefertigt. Eine weitere wichtige
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technologische Anwendung findet Skandium in Festoxid
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Brennstoffzellen, englisch Solid Oxide Fuel Cells oder kurz sof
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CS in. In diesen
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Energieumwandlungssystemen wird Skandia also skandiumoxid als
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ionenleitendes Material im Elektrolyt eingesetzt.
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Skandia Stabilisiertes Zirkoniumoxid weist eine
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deutlich höhere Ionenleitfähigkeit auf als das
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herkömmliche Hytrium stabilisierte Zirkoniumoxid, was
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zu einer effizienteren Energieumwandlung führt.
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Dies macht Skandium zu einem potentiell wichtigen Material
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für saubere Energietechnologien der Zukunft.
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In der Beleuchtungstechnik spielen Skandiumiodid halogenid
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Lampen seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle, diese auch als
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metalldampflampen bekannten Lichtquellen erzeugen ein Licht.
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Das dem natürlichen Tageslicht sehr ähnlich ist und daher für
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die Farbwiedergabe bei Filmaufnahmen in Sportstadien
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und in professionellen Fotoateliers bevorzugt wird.
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Scan Diumyodid verbessert dabei die spektrale Qualität des
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emittierten Lichts erheblich in der Nuklearphysik und Medizin
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besitzt das radioaktive Isotop Scandium 46 Bedeutung als
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Radiotracer. Es zerfällt mit einer
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Halbwertszeit von 83 komma 80 tagen.
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Unter Aussendung von Beta und Gammastrahlung.
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Es wurde unter anderem zur Untersuchung von
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Strömungsprozessen in industriellen Anlagen und in der
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medizinischen Forschung eingesetzt.
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Neuere Forschungen untersuchen die Verwendung von Skandium 44
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in der Positronen Emissionstomographie.
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Kurz PET als Alternative zu herkömmlichen Radioisotopen
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insgesamt sind von Skandium 13 Isotope bekannt, mit
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Massenzahlen zwischen 41 und 53. Von diesen ist nur skandium 45
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stabil und kommt in der Natur vor.
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Es ist gleichzeitig das einzige natürlich vorkommende Isotop,
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was Skandium zu einem sogenannten Reinelementisotop
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macht. Skandium 46 und skandium 47 sind
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die bedeutendsten künstlichen Isotope.
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Skandium 47 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,3 90 Tagen
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und imitiert Betastrahlung sowie schwache Gammastrahlung, was es
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für die Radioimmuntherapie von Tumoren interessant macht.
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In dieser Form zielgerichteter Krebsbehandlung wird das
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Radioisotop an tumorspezifische Antikörper gekoppelt, die es
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direkt an den Ort des Krebsgewebes transportieren, wo
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die lokal begrenzte Strahlung die Tumorzellen zerstört, ohne
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gesundes Gewebe übermäßig zu schädigen.
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Das stabile Isotop skandium 45 selbst.
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Hat in der analytischen Chemie Bedeutung als
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neutronenaktivierungsanalytischer Tracer erlangt.
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Bei der Neutronenaktivierungsanalyse
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wird eine Probe mit Neutronen beschossen, woraufhin die
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enthaltenen Elemente charakteristische Gammastrahlung
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emittieren, anhand derer sie identifiziert und quantifiziert
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werden können. Skandium eignet sich dafür
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besonders gut, da seine Aktivierungsquerschnitte gut
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bekannt und seine Halbwertszeiten analytisch gut
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handhabbar sind. Die Elektronenkonfiguration des
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Skandiums lautet 1 s 22 s. 22 p, 63 cs, 23 p, 63 d, 14 s. 2,
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wobei das einzelne 3 d Elektron die charakteristischen
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Übergangseigenschaften des Elements begründet.
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Skandium tritt in chemischen Verbindungen fast ausschließlich
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in der Oxidationsstufe Plus 3 auf.
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Was es chemisch von vielen anderen Übergangsmetallen
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unterscheidet, die mehrere stabile Oxidationsstufen kennen.
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In dieser Hinsicht ähnelt Skandium eher den
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Seltenerdmetallen als den klassischen Übergangsmetallen
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wie Eisen oder Kupfer. Diese chemische Ähnlichkeit mit
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den Lanthanoiden der Gruppe der Seltenen Erden ist kein Zufall,
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skandium ist. Yttrium und die Lantanoide
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werden zusammen als selten erdmetalle oder seltene Erden
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bezeichnet, auch wenn diese Bezeichnung aus chemischer Sicht
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nicht ganz korrekt ist, da skandium und Yttrium keine
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Lantanoide im engeren Sinne sind.
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Die gemeinsamen chemischen Eigenschaften, insbesondere die
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stabile Dreiwertigkeit und der Ionenradius von 80 Pikometern
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für das Dreiwertige Skandium Ion führen dazu, dass Skandium in
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der Natur häufig gemeinsam mit seltenen Erdmetallen auftritt
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und entsprechend schwer von ihnen zu trennen ist.
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Die Koordinationschemie des Skandiums ist besonders in der
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homogenen Katalyse von Bedeutung.
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Scandium, Triflat, also scandium, Trifluormethansulfonat
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der Formel SCOTF 3 hat sich als äußerst effizienter, luisäure
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Katalysator erwiesen. Diese Verbindung katalysiert
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zahlreiche organische Reaktionen, darunter Deals,
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Alder Reaktionen, Friedel Crafts, Alkylierungen und
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verschiedene Kondensationsreaktionen, und
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zwar auch in wässrigen Medien. Dies ist ungewöhnlich, da
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klassische luisäure Katalysatoren durch Wasser in
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der Regel zerstört werden. Dieser Befund hat die organische
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Synthesechemie bereichert und umweltfreundlichere Synthesewege
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ermöglicht. Scandium oxid SC 2 o 3 ist eine
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weiße, Hochschmelzende keramische Verbindung mit einem
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schmelzpunkt von 2539 Grad Celsius.
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Es findet Verwendung in der Hochtemperaturkeramik als
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Formmittel für Metallguss, in der Produktion von
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Speziallegierungen sowie als Ausgangsmaterial für andere
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skandium Verbindungen. Die Verbindung weist eine
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kubische Kristallstruktur vom Bixby It Typ auf und ist
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chemisch außerordentlich beständig die Zukunft des
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Skandiums ist eng mit der Energiewende und dem
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technologischen Fortschritt verknüpft.
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Neue Lagerstätten werden derzeit in Australien, Skandinavien,
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Nordamerika und China erkundet. Das australische Unternehmen
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Scandium International Mining arbeitet an der Erschließung des
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Honey Bugal Deposits in New South Wales, das eines der
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größten bekannten Scandium Vorkommen der Welt darstellt.
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In den Vereinigten Staaten wird die Wyoming Geat Lagerstätte in
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Wyoming auf ihren wirtschaftlichen Wert
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untersucht. Diese Entwicklungen könnten die
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globale Verfügbarkeit von Skandium in den kommenden Jahren
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deutlich erhöhen und die Preise stabilisieren, die wachsende
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Nachfrage nach Aluminium skandium Legierungen für die
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Luft und Raumfahrt sowie für leichte Strukturmaterialien im
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Fahrzeugbau. Die zunehmende Bedeutung von
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Brennstoffzellentechnologie und die potentiellen medizinischen
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Anwendungen radioaktiver skandium Isotope lassen
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erwarten, dass Skandium in den kommenden Jahrzehnten eine
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bedeutendere Rolle in der Weltwirtschaft spielen wird.
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Experten schätzen, dass die weltweite Nachfrage nach
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Skandiumoxid bis zum Jahr 2040 auf mehrere 1000 Tonnen pro Jahr
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steigen könnte. Es ist bemerkenswert, wie ein
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Element, das im Alltag so gut wie unsichtbar ist, zu einem
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strategischen Material des 21 Jahrhunderts werden kann.
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Skandium ist in Flugzeugstrukturen, in der
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Energietechnik, in medizinischen Diagnoseapparaten und in
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Sportgeräten präsent, ohne dass die meisten Menschen jemals von
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ihm gehört hätten. Es ist ein stiller Begleiter des
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modernen Lebens. Die Trennung des Skandiums von
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begleitenden Elementen ist chemisch anspruchsvoll und
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aufwendig, da skandium ähnliche Eigenschaften wie die
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Lanthanoide aufweist, wird es häufig gemeinsam mit diesen
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extrahiert und muss in nachgelagerten Trennverfahren
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isoliert werden. Die wichtigsten Methoden sind
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die flüssig, flüssig, Extraktion mit organischen
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Extraktionsmitteln wie. Tributylphosphat oder
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Diisobutylcarbinol, die Ionenaustausch, Chromatographie
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sowie die Fällungsfraktionierung bei der Ionenaustausch
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Chromatographie wird ein mit skandium Ionen beladenes Harz
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mit geeigneten Eluenden schrittweise eluiert, wobei die
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verschiedenen Elemente aufgrund ihrer unterschiedlichen
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Affinität zum Harz in separaten Fraktionen anfallen.
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Die Raffination zu Hochreinem Skandiummetall erfolgt durch
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Reduktion des zuvor gewonnenen Skandiumfluorids oder
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Skandiumchlorids mit Calcium oder Lithium unter
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Schutzgasatmosphäre, gefolgt von einer destillativen Reinigung im
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Hochvakuum. Hochreines Skandiummetall mit
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einer Reinheit von über 99,9% ist heute kommerziell
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erhältlich. Wenn auch zu entsprechend hohen
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Preisen. Zwischen 2004 1000 US Dollar pro
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Kilogramm die Entdeckungsgeschichte des
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Skandiums ist eingebettet in die faszinierende
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Entwicklungsgeschichte des Periodensystems selbst.
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Als Mendelejew im Jahr 1869 sein erstes Periodensystem
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veröffentlichte, war er einer von mehreren Chemikern, die
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damals an Ordnungsprinzipien für die damals bekannten 67 Elemente
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arbeiteten. Der deutsche Lothar Meier
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entwickelte zeitgleich ein sehr ähnliches System.
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Was mendelieff jedoch von seinen Zeitgenossen Unterschied, war
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seine Bereitschaft, bewusst Lücken in seinem System zu
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lassen, um die Regelmäßigkeiten nicht zu verzerren und den Mut,
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auf Grundlage dieser Lücken Eigenschaften noch unbekannter
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Elemente vorherzusagen. Neben Ecabor.
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Dem späteren Skandium sagte Mendelejew auch ek Aluminium und
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Ekasilicium voraus, die in den Jahren 1875 bzw 1885 als Gallium
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und Germanium entdeckt wurden. Jede dieser Entdeckungen
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bestätigte erneut die Gültigkeit seines Ordnungsprinzips und war
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ein Meilenstein der Wissenschaftsgeschichte.
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Das Skandium spielte in dieser Erfolgsgeschichte eine besondere
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Rolle. Da nielsens Entdeckung von 1890
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zeitlich sehr nah an den Entdeckungen von Gallium und
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Germanium lag und die Vorhersagekraft des Systems
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eindrucksvoll untermauerte. Physikalisch, ist Skandium ein
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außergewöhnliches Material. Es nimmt Wasserstoff in seine
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Gitterstruktur auf und kann bei tiefen Temperaturen supraleitend
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werden. Unter Normaldruck wird Skandium
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bei einer Temperatur von -242 Grad Celsius supraleitend, wenn
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es zuvor mit Wasserstoff beladen wurde.
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Dieser Effekt ist wissenschaftlich interessant, da
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er Einblicke in die Wechselwirkung von Elektronen
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mit dem Kristallgitter und mit eingelagerten Atomen gibt.
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Bei extrem hohen Drücken, die im Bereich von mehreren Millionen
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Atmosphären liegen, zeigt skandium ungewöhnliche
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Hochdruckphasen mit komplexen Kristallstrukturen, die derzeit
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intensiv erforscht werden. Die Oberfläche von
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Skandiummetall überzieht sich an Luft innerhalb kurzer Zeit mit
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einer dünnen, schützenden Oxidschicht aus SC 2 o 3, die.
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Diese Passivierungsschicht, ähnlich der bei Aluminium und
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Titan beobachteten Schutzschicht, verhindert eine
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weitere Korrosion und macht das Metall gegenüber Feuchtigkeit
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und milden Säuren beständig. In konzentrierten Säuren wie
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Salzsäure oder Schwefelsäure löst sich Skandium unter
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Wasserstoffentwicklung auf, wobei das Dreiwertige
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Skandiumion gebildet wird, das in wässriger Lösung als
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Hexaquakomplex vorliegt, also von 6 Wassermolekülen
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koordiniert ist. Bemerkenswert ist die Geschichte
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eines Materials, das lange nur in Forschungslabors und
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militärischen Anwendungen Verwendung fand.
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Bevor es langsam in den zivilen Hochtechnologiebereich vordrang,
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der kalte Krieg spielte dabei eine entscheidende Rolle.
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Sowjetische Militäringenieure erkannten früh das Potenzial von
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Aluminium skandium Legierungen für Kampfflugzeuge und
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investierten erhebliche Ressourcen in die Entwicklung
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und Produktion dieser Werkstoffe.
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Als nach dem Ende des Kalten Krieges wissen und Material aus
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der ehemaligen Sowjetunion auf den Weltmarkt gelangten, wurde
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der westlichen Industrie das Potenzial dieser Legierungen
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erstmals vollständig bewusst. Heute gilt Skandium in der
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Europäischen Union und in den Vereinigten Staaten offiziell
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als kritisches Rohstoffmaterial. Diese Einstufung bedeutet, dass
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es als wirtschaftlich wichtig und gleichzeitig im Hinblick auf
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seine Versorgungssicherheit als gefährdet eingestuft wird, die
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Abhängigkeit von wenigen Produzenten, die geografische
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Konzentration der bekannten Lagerstätten und die extrem
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geringe Jahresproduktion machen Skandium zu einem Element,
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dessen strategische Bedeutung in den kommenden Jahrzehnten
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zunehmen dürfte. Die geopolitische Dimension des
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Skandiums spiegelt wider, was für viele kritische Rohstoffe
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gilt. Ihre Verfügbarkeit ist eng mit
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politischen Verhältnissen verknüpft, wenn ein einziges
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Land oder eine kleine Gruppe von Ländern die Produktion eines
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strategisch wichtigen Materials dominiert, entstehen
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Abhängigkeiten, die wirtschaftliche und
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sicherheitspolitische Risiken bergen.
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Dies hat in Europa und Nordamerika dazu geführt, dass
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erhebliche Mittel in die Erkundung eigener Skandium
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vorkommen und in die Entwicklung effizienterer
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Rückgewinnungstechnologien aus Sekundärquellen wie
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Industrieschlacken und Recyclingmaterialien investiert
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werden. Die Kreislaufwirtschaft, also
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das Schließen von Materialkreisläufen durch
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Recycling und Wiederverwendung. Gewinnt daher auch beim Skandium
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zunehmend an Bedeutung. Es ist eine stille Wahrheit, die
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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit teilen.
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Die Erde selbst ist das kostbarste Element, das wir
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kennen, kein Periodensystem der Welt enthält ein Element, das
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mit ihrer Komplexität, ihrer Schönheit und ihrer Fähigkeit,
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leben zu ermöglichen, vergleichbar wäre.
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Skandium und alle anderen Elemente, die wir in diesen
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Folgen kennenlernen, sind letztlich Bestandteile dieses
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einen einzigartigen Systems namens Erde.
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Sie zu kennen bedeutet auch zu verstehen, wie kostbar und
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schützenswert der Planet ist, dem sie entstammen.