Scandium - Scandium
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| Scandium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Aussprache |
/ S k æ n d i ə m / ( SKAN -dee-əm ) |
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| Aussehen | Silbrig Weiß | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Standardatomgewicht A r, std (Sc) | 44.955 908 (5) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Scandium im Periodensystem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Ordnungszahl ( Z ) | 21 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe | Gruppe 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Zeitraum | Periode 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Block | D-Block | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [ Ar ] 3d 1 4s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Schale | 2, 8, 9, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalische Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Phase bei STP | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 1814 K (1541 °C, 2806 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 3109 K (2836 °C, 5136 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (nahe rt ) | 2,985 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| wenn flüssig (bei mp ) | 2,80 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 14,1 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 332,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molare Wärmekapazität | 25,52 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dampfdruck
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| Atomare Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationsstufen | 0, +1, +2, +3 (ein amphoteres Oxid) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | Pauling-Skala: 1,36 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ionisierungsenergien | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius | empirisch: 162 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 170±19 Uhr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Van-der-Waals-Radius | 211 Uhr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Andere Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Natürliches Vorkommen | urtümlich | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | hexagonal dicht gepackten (hcp) |
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| Wärmeausdehnung | α, poly: 10,2 µm/(m⋅K) (bei rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 15,8 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrischer widerstand | α, poly: 562 nΩ⋅m (bei rt, berechnet) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Magnetische Bestellung | paramagnetisch | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molare magnetische Suszeptibilität | +315,0 × 10 -6 cm 3 /mol (292 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elastizitätsmodul | 74,4 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schubmodul | 29,1 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schüttmodul | 56,6 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| QUERKONTRAKTIONSZAHL | 0,279 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Brinellhärte | 736–1200 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS-Nummer | 7440-20-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Geschichte | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Benennung | nach Skandinavien | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Vorhersage | Dmitri Mendelejew (1871) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Entdeckung und erste Isolation | Lars Fredrik Nilson (1879) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Haupt Isotope von Scandium | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Scandium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Sc und der Ordnungszahl 21.
Ein silbrig-weißes metallisches D-Block -Element , das zusammen mit Yttrium und den Lanthaniden historisch als Seltenerdelement klassifiziert wurde . Es wurde 1879 durch Spektralanalyse der Minerale Euxenit und Gadolinit aus Skandinavien entdeckt .
Scandium kommt in den meisten Lagerstätten von Seltenerd- und Uranverbindungen vor , wird jedoch nur in wenigen Minen weltweit aus diesen Erzen gewonnen. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und der Schwierigkeiten bei der Herstellung von metallischem Scandium, die erstmals 1937 durchgeführt wurde, wurden Anwendungen für Scandium erst in den 1970er Jahren entwickelt, als die positiven Auswirkungen von Scandium auf Aluminiumlegierungen entdeckt wurden und seine Verwendung in solchen Legierungen bleibt die einzige Hauptanwendung. Der weltweite Handel mit Scandiumoxid beträgt 15-20 Tonnen pro Jahr.
Die Eigenschaften von Scandiumverbindungen liegen zwischen denen von Aluminium und Yttrium . Zwischen dem Verhalten von Magnesium und Scandium besteht ebenso wie zwischen Beryllium und Aluminium ein diagonaler Zusammenhang . In den chemischen Verbindungen der Elemente der Gruppe 3 ist die vorherrschende Oxidationsstufe +3.
Eigenschaften
Chemische Eigenschaften
Scandium ist ein weiches Metall mit einem silbrigen Aussehen. Es entwickelt einen leicht gelblichen oder rosafarbenen Farbton, wenn es an der Luft oxidiert wird. Es ist witterungsanfällig und löst sich in den meisten verdünnten Säuren langsam auf . Es reagiert nicht mit einer 1:1 Mischung von Salpetersäure ( HNO
3) und 48 % Flusssäure ( HF ) , möglicherweise aufgrund der Bildung einer undurchlässigen Passivschicht . Scandiumspäne entzünden sich an der Luft mit einer leuchtend gelben Flamme zu Scandiumoxid .
Isotope
In der Natur kommt Scandium ausschließlich als Isotop 45 Sc mit einem Kernspin von 7/2 vor; dies ist sein einziges stabiles Isotop. Fünfundzwanzig Radioisotope wurden charakterisiert, wobei 46 Sc am stabilsten ist und eine Halbwertszeit von 83,8 Tagen hat; 47 sc, 3,35 Tage; der Positronenemitter 44 Sc , 4 h; und 48 Sc, 43,7 Stunden. Alle verbleibenden radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 4 Stunden und die meisten von ihnen haben Halbwertszeiten von weniger als 2 Minuten. Dieses Element hat auch fünf Kernisomere , wobei das stabilste 44 m² Sc ( t 1/2 = 58,6 h) ist.
Die Isotope von Scandium reichen von 36 Sc bis 60 Sc. Der primäre Zerfallsmodus bei Massen, die niedriger sind als das einzige stabile Isotop, 45 Sc, ist der Elektroneneinfang , und der primäre Modus bei Massen darüber ist die Beta-Emission . Die primären Zerfallsprodukte bei Atomgewichten unter 45 Sc sind Calcium - Isotopen und die Primärprodukte aus höheren Atomgewichten sind Titan- Isotopen.
Auftreten
In der Erdkruste ist Scandium nicht selten. Die Schätzungen schwanken zwischen 18 und 25 ppm, was mit der Häufigkeit von Kobalt (20–30 ppm) vergleichbar ist. Scandium ist nur das 50. häufigste Element auf der Erde (35. am häufigsten in der Erdkruste), aber es ist das 23. häufigste Element in der Sonne . Scandium ist jedoch spärlich verteilt und kommt in Spuren in vielen Mineralien vor . Seltene Mineralien aus Skandinavien und Madagaskar wie Thortveitit , Euxenit und Gadolinit sind die einzigen bekannten konzentrierten Quellen dieses Elements. Thortveitit kann bis zu 45 % Scandium in Form von Scandiumoxid enthalten .
Die stabile Form von Scandium entsteht in Supernovae über den r-Prozess . Scandium wird auch durch Spallation der häufiger vorkommenden Eisenkerne durch kosmische Strahlung erzeugt .
- 28 Si + 17n → 45 Sc (r-Prozess)
- 56 Fe + p → 45 Sc + 11 C + n (Spallation durch kosmische Strahlung)
Produktion
Die Weltproduktion von Scandium liegt in der Größenordnung von 15-20 Tonnen pro Jahr in Form von Scandiumoxid . Die Nachfrage ist um etwa 50 % höher und sowohl die Produktion als auch die Nachfrage steigen weiter. Im Jahr 2003 produzierten nur drei Minen Scandium: die Uran- und Eisenminen in Zhovti Vody in der Ukraine , die Seltenerdminen in Bayan Obo , China , und die Apatit-Minen auf der Kola-Halbinsel , Russland ; seitdem haben viele andere Länder Scandium-Produktionsanlagen gebaut, darunter 5 Tonnen/Jahr (7,5 Tonnen/Jahr Sc
2Ö
3) von Nickel Asia Corporation und Sumitomo Metal Mining auf den Philippinen . In den Vereinigten Staaten hofft NioCorp Development, 1 Milliarde US-Dollar für die Eröffnung einer Niob-Mine am Standort Elk Creek im Südosten von Nebraska aufzubringen, die in der Lage sein könnte, jährlich bis zu 95 Tonnen Scandiumoxid zu produzieren. Scandium ist jeweils ein Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer Elemente und wird als Scandiumoxid verkauft.
Zur Herstellung von metallischem Scandium wird das Oxid in Scandiumfluorid umgewandelt und anschließend mit metallischem Calcium reduziert .
Madagaskar und die Region Iveland - Evje in Norwegen haben die einzigen Vorkommen von Mineralien mit hohem Scandiumgehalt, Thortveitit (Sc,Y)
2(Si
2Ö
7), aber diese werden nicht ausgenutzt. Das Mineral Kolbeckit ScPO
4·2H 2 O hat einen sehr hohen Scandiumgehalt, ist aber in keinen größeren Vorkommen verfügbar.
Das Fehlen einer zuverlässigen, sicheren, stabilen und langfristigen Produktion hat die kommerziellen Anwendungen von Scandium eingeschränkt. Trotz dieser geringen Nutzung bietet Scandium erhebliche Vorteile. Besonders vielversprechend ist die Verfestigung von Aluminiumlegierungen mit nur 0,5 % Scandium. Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid erfreut sich einer wachsenden Marktnachfrage für den Einsatz als hocheffizienter Elektrolyt in Festoxid-Brennstoffzellen .
Preis
Die USGS berichtet, dass von 2015 bis 2019 in den USA der Preis für kleine Mengen von Scandiumbarren 107 bis 134 US-Dollar pro Gramm und der von Scandiumoxid 4 bis 5 US-Dollar pro Gramm betrug.
Verbindungen
Die Scandiumchemie wird fast vollständig vom dreiwertigen Ion Sc 3+ dominiert . Die Radien der M 3+ -Ionen in der folgenden Tabelle zeigen, dass die chemischen Eigenschaften von Scandium-Ionen mehr mit Yttrium-Ionen als mit Aluminium-Ionen gemein haben. Zum Teil aufgrund dieser Ähnlichkeit wird Scandium oft als lanthanoidähnliches Element klassifiziert.
Oxide und Hydroxide
Das Oxid Sc
2Ö
3und das Hydroxid Sc(OH)
3sind amphoter :
-
Sc(OH)
3+ 3 OH−
→ [Sc(OH)
6]3−
(Scandate-Ion) -
Sc(OH)
3+ 3 H+
+ 3 H
2O → [Sc(H
2Ö)
6]3+
α- und γ-ScOOH sind mit ihren Gegenstücken aus Aluminiumhydroxidoxid isostrukturell . Lösungen von Sc3+
in Wasser sind durch Hydrolyse sauer .
Halogenide und Pseudohalogenide
Die Halogenide ScX
3, mit X= Cl , Br oder I , sind in Wasser sehr gut löslich, aber ScF
3ist unlöslich. In allen vier Halogeniden ist das Scandium 6-koordiniert. Die Halogenide sind Lewis-Säuren ; zum Beispiel ScF
3löst sich in einer Lösung mit überschüssigem Fluoridion unter Bildung von [ScF
6] 3− . Die Koordinationszahl 6 ist typisch für Sc(III). Bei den größeren Y 3+ - und La 3+ -Ionen sind Koordinationszahlen von 8 und 9 üblich. Scandiumtriflat wird manchmal als Lewis-Säure- Katalysator in der organischen Chemie verwendet .
Organische Derivate
Scandium bildet mit Cyclopentadienylliganden (Cp) eine Reihe metallorganischer Verbindungen , ähnlich dem Verhalten der Lanthanoide. Ein Beispiel ist das chlorverbrückte Dimer [ScCp
2Cl]
2und verwandte Derivate von Pentamethylcyclopentadienylliganden .
Ungewöhnliche Oxidationsstufen
Verbindungen mit Scandium in anderen Oxidationsstufen als +3 sind selten, aber gut charakterisiert. Die blauschwarze Verbindung CsScCl
3ist einer der einfachsten. Dieses Material nimmt eine flächige Struktur an, die eine ausgedehnte Bindung zwischen den Scandium(II)-Zentren aufweist. Scandiumhydrid wird nicht gut verstanden, obwohl es anscheinend kein Salzhydrid von Sc(II) ist. Wie bei den meisten Elementen wurde ein zweiatomiges Scandiumhydrid spektroskopisch bei hohen Temperaturen in der Gasphase beobachtet. Scandiumboride und -carbide sind nicht stöchiometrisch , wie es für benachbarte Elemente typisch ist.
Niedrigere Oxidationsstufen (+2, +1, 0) wurden auch in Organoscandiumverbindungen beobachtet.
Geschichte
Dmitri Mendelejew , der als Vater des Periodensystems bezeichnet wird , sagte 1869 die Existenz eines Elements Ekaboron mit einer Atommasse zwischen 40 und 48 voraus . Lars Fredrik Nilson und sein Team entdeckten dieses Element in den Mineralen Euxenit und Gadolinit in 1879. Nilson stellte 2 Gramm Scandiumoxid von hoher Reinheit her. Er nannte das Element Scandium, aus dem Lateinischen Scandia, was "Skandinavien" bedeutet. Nilson wusste offenbar nichts von Mendelejews Vorhersage, aber Per Teodor Cleve erkannte die Korrespondenz und benachrichtigte Mendelejew.
Metallisches Scandium wurde erstmals 1937 durch Elektrolyse einer eutektischen Mischung aus Kalium- , Lithium- und Scandiumchloriden bei 700–800 ° C hergestellt . Das erste Pfund aus 99 % reinem Scandiummetall wurde 1960 hergestellt. Die Produktion von Aluminiumlegierungen begann 1971 nach einem US-Patent. In der UdSSR wurden auch Aluminium-Scandium-Legierungen entwickelt .
Laserkristalle aus Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (GSGG) wurden in den 1980er und 1990er Jahren in strategischen Verteidigungsanwendungen für die Strategic Defense Initiative (SDI) entwickelt.
Rote Riesensterne in der Nähe des Galaktischen Zentrums
Anfang 2018 wurden aus Spektrometerdaten Beweise für signifikante Scandium-, Vanadium- und Yttrium- Häufigkeiten in Roten Riesensternen im Nuclear Star Cluster (NSC) im Galaktischen Zentrum gesammelt . Weitere Forschungen zeigten, dass dies eine Illusion war, die durch die relativ niedrige Temperatur (unter 3.500 K) dieser Sterne verursacht wurde, die die Häufigkeitssignale maskiert, und dass dieses Phänomen bei anderen Roten Riesen beobachtet werden konnte.
Anwendungen
Der Zusatz von Scandium zu Aluminium begrenzt das Kornwachstum in der Wärmezone von geschweißten Aluminiumbauteilen. Dies hat zwei positive Effekte: das ausgefällte Al
3Sc bildet kleinere Kristalle als in anderen Aluminiumlegierungen , und das Volumen der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen von aushärtbaren Aluminiumlegierungen wird reduziert. Die Al
3Sc- Präzipitat ist ein kohärentes Präzipitat, das die Aluminiummatrix durch Anlegen von elastischen Dehnungsfeldern stärkt, die eine Versetzungsbewegung (dh eine plastische Verformung) hemmen. Al
3Sc hat eine Gleichgewichts-L1 2 -Übergitterstruktur exklusiv für dieses System. Eine feine Verteilung des nanoskaligen Niederschlags kann durch eine Wärmebehandlung erreicht werden, die auch die Legierungen durch Auftragshärtung verstärken kann. Jüngste Entwicklungen umfassen die Zugabe von Übergangsmetallen wie Zr und Seltenerdmetallen wie Er produzieren Schalen, die das kugelförmige Al . umgeben
3Sc- Niederschlag, der die Vergröberung reduziert. Diese Schalen werden durch das Diffusionsvermögen des Legierungselements diktiert und senken die Kosten der Legierung, da weniger Sc teilweise durch Zr ersetzt wird, während die Stabilität beibehalten wird und weniger Sc benötigt wird, um den Niederschlag zu bilden. Diese haben Al
3Sc einigermaßen konkurrenzfähig mit Titanlegierungen zusammen mit einer breiten Palette von Anwendungen. Allerdings Titanlegierungen , die in Leichtigkeit und Stärke ähnlich sind, ist billiger und viel weiter verbreitet.
Die Legierung Al
20Li
20Mg
10SC
20Ti
30 ist so stark wie Titan, leicht wie Aluminium und hart wie manche Keramik.
Die Hauptanwendung von Scandium nach Gewicht liegt in Aluminium-Scandium-Legierungen für kleinere Bauteile der Luft- und Raumfahrtindustrie. Diese Legierungen enthalten zwischen 0,1 % und 0,5 % Scandium. Sie wurden in russischen Militärflugzeugen eingesetzt, insbesondere in den Mikojan-Gurewitsch MiG-21 und MiG-29 .
Einige Sportgeräte, die auf leichte Hochleistungsmaterialien angewiesen sind, wurden aus Scandium-Aluminium-Legierungen hergestellt, darunter Baseballschläger , Zeltstangen sowie Fahrradrahmen und -komponenten . Lacrosse-Sticks werden auch mit Scandium hergestellt. Der amerikanische Waffenhersteller Smith & Wesson produziert halbautomatische Pistolen und Revolver mit Rahmen aus Scandiumlegierung und Zylindern aus Titan oder Kohlenstoffstahl.
Zahnärzte verwenden Erbium-Chrom-dotierte Yttrium-Scandium-Gallium-Granat ( Er,Cr:YSGG ) Laser zur Kavitätenpräparation und in der Endodontie.
Die ersten Metallhalogenidlampen auf Scandiumbasis wurden von General Electric patentiert und in Nordamerika hergestellt, obwohl sie heute in allen wichtigen Industrieländern produziert werden. Ungefähr 20 kg Scandium (als Sc
2Ö
3) wird in den USA jährlich für Hochdruckentladungslampen verwendet. Eine Art von Halogen -Metalldampflampe , ähnlich der Quecksilberdampflampe , besteht aus Scandiumtriiodid und Natriumiodid . Diese Lampe ist eine Weißlichtquelle mit hohem Farbwiedergabeindex , die dem Sonnenlicht ausreichend ähnelt, um eine gute Farbwiedergabe mit TV- Kameras zu ermöglichen. Etwa 80 kg Scandium werden weltweit pro Jahr in Halogen-Metalldampflampen/Glühbirnen verwendet.
Das radioaktive Isotop 46 Sc wird in Erdölraffinerien als Rückverfolgungsmittel verwendet. Scandiumtriflat ist eine katalytische Lewis-Säure, die in der organischen Chemie verwendet wird .
Gesundheit und Sicherheit
Elementares Scandium gilt als ungiftig, obwohl keine umfangreichen Tierversuche mit Scandiumverbindungen durchgeführt wurden. Die mittlere letale Dosis (LD 50 ) für Scandiumchlorid bei Ratten wurde mit 755 mg/kg für die intraperitoneale und 4 g/kg für die orale Verabreichung bestimmt. Angesichts dieser Ergebnisse sollten Scandiumverbindungen als Verbindungen mit mäßiger Toxizität behandelt werden.
Siehe auch
Verweise
Weiterlesen
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Bibliotheksressourcen zu Scandium |
- Scerri, Eric R. (2007). Das Periodensystem: seine Geschichte und seine Bedeutung . Oxford, Großbritannien: Oxford University Press. ISBN 9780195305739. OCLC 62766695 .
Externe Links
- Scandium im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
- WebElements.com – Scandium
- . Encyclopædia Britannica (11. Aufl.). 1911.