21. Scandium (Sc) - Das seltene Leichtmetall

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder Schlafreise durch vergessene Welten. Heute reisen wir in die faszinierende Welt eines Elements, das die meisten Menschen kaum kennen, das aber in der modernen Technologie eine wachsende Bedeutung erlangt und in der Geschichte der Chemie einen ganz besonderen Platz einnimmt. Skandium das Element mit der Ordnungszahl 21 Elementsymbol SC Skandium.

0:46 Ist ein silbrig weißes Leichtmetall, das zur Gruppe der Übergangsmetalle gehört und im Periodensystem am Anfang der dritten Nebengruppe steht, mit einer Dichte von nur 2 Komma negen 9 Gramm pro Kubikzentimeter, ist es zwar schwerer als Aluminium, aber deutlich leichter als die meisten anderen Metalle seiner Klasse.

1:09 Seine Schmelztemperatur liegt bei ein und 1553 Grad Celsius. Sein Siedepunkt bei 2837 g Grad Celsius. Diese Eigenschaften machen es zu einem thermisch robusten Material, das extremen Bedingungen standhält. Die Geschichte des Skandiums beginnt nicht mit seiner Entdeckung, sondern mit seiner Vorhersage es war der russische Chemiker Dmitri Mendelejew. Der das Element im Jahr 1869 in seinem revolutionären Periodensystem als noch nicht entdecktes Element voraussagte. Mendelejew nannte es damals Ecabor, da er annahm, dass seine Eigenschaften denen des Bors ähneln würden, aber eine Periode darunter liegen sollten.

2:02 Er sagte, ein Atomgewicht von etwa 45 und eine Dichte von etwa 3 Gramm pro Kubikzentimeter voraus. Werte, die sich später als bemerkenswert genau herausstellen sollten. Die tatsächliche Entdeckung erfolgte knapp 11 Jahre später im Jahr 1890 durch den schwedischen Chemiker Lars Fredrik Nilsson. Nielsen arbeitete an der Universität Upsala und analysierte die Minerale Euxenit und Gadolinit, die aus Skandinavien stammten. Beim Aufschluss dieser Minerale isolierte er ein bis dahin unbekanntes Oxid, das er Skandia nannte, nach Skandinavien, der Region, aus der die untersuchten Minerale stammten. Das Metall selbst trug fortan den Namen Skandium. Nilsson erkannte schnell, dass die Eigenschaften seines neuen Elements außerordentlich gut mit

3:01 mendelejews Vorhersage des Ekabors übereinstimmten. Noch im selben Jahr bestätigte der schwedische Chemiker per Theodor Kleve, ein Kollege Nilssons, diese Übereinstimmung und wies nach, dass Skandium tatsächlich das von Mendelejew prophezeite Element war er. Diese Entdeckung war ein triumphaler Beweis für die Vorhersagekraft des Periodensystems und festigte mendelaews Ruf als einen der größten Chemiker der Wissenschaftsgeschichte.

3:34 Reines Skandiummetall wurde erstmals im Jahr 1943 von den Wissenschaftlern Fischer, Brunger und Grießmann durch die Elektrolyse von geschmolzenem Skandiumchlorid gewonnen. Es dauerte jedoch noch weitere 20 Jahre, bis im Jahr 1963 erstmals eine größere Menge von 91 Gramm reinen Skandiums erzeugt wurde. Diese Verzögerung erklärt sich aus der außerordentlichen Seltenheit des Elements und den Schwierigkeiten bei seiner Gewinnung.

4:10 Skandium ist trotz seiner Seltenheit im menschlichen Bewusstsein tatsächlich. Kein seltenes Element im erdchemischen Sinne. Es ist das 2. Und Zwanzigst häufigste Element in der Erdkruste und kommt dort mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 22 Milligramm pro Kilogramm vor. Zum Vergleich Blei, das wir als durchaus alltägliches Metall betrachten, hat eine ähnliche Häufigkeit in der Erdkruste. Das Problem bei Skandium liegt nicht in seiner absoluten Häufigkeit, sondern in seiner extremen Verteilung. Im Gegensatz zu vielen anderen Metallen konzentriert sich Skandium kaum in Abbauwürdigen Erzlagerstätten, sondern ist in winzigen Mengen über eine Vielzahl von Mineralen verteilt. Weltweit sind mehr als 800

5:02 Minerale bekannt, die Skandium enthalten aber nur sehr wenige davon in nennenswerten Mengen. Zu den wichtigsten skandiumhaltigen Mineralen gehören Tort Veitit, das mit einem Skandiumgehalt von bis zu 43% das Skandiumreichste bekannte Mineral ist, sowie Kolbeckhit, Prätolit und verschiedene seltene Erdmineralen Tort Veitit.

5:28 Ein silikat Mineral kommt jedoch ebenfalls nur in sehr geringen Mengen vor und wurde bislang an keinem einzigen Standort weltweit in industriell abbaubaren Mengen gefunden. Der Großteil des weltweit gewonnenen Skandiums fällt daher nicht als Hauptprodukt, sondern als Nebenprodukt bei der Verarbeitung anderer Erze an. Bedeutende Quellen sind die Aufarbeitung von Uranerzen, die Verarbeitung von Wolfram und Titanschlacken sowie die Gewinnung von Nickel und Kobalt aus lateritischen Erzen, insbesondere Russland, China, die Ukraine und Kasachstan sind traditionell die wichtigsten Produzenten, da dort entsprechende Aufbereitungsanlagen für Seltene Erden und andere Metalle existieren. Die weltweite Jahresproduktion

6:22 an Skandiumoxid liegt je nach Quelle und Jahr zwischen 30 und 200 Tonnen, wobei die tatsächlichen Zahlen schwer zu ermitteln sind, da ein erheblicher Teil des Handels im nicht öffentlich dokumentierten Bereich stattfindet. Dieser Umstand und die geringe Produktionsmenge führen zu erheblichen Preisschwankungen. Der Preis für Hochreines Skandiumoxid lag in den vergangenen Jahren zwischen 2 und 4000 US Dollar pro Kilogramm.

6:54 Trotz dieser Seltenheit und der damit verbundenen hohen Kosten sind die Anwendungsmöglichkeiten des Skandiums außerordentlich vielfältig und technologisch bedeutsam. Die wichtigste kommerzielle Verwendung ist derzeit die Legierung mit Aluminium. Schon geringe Mengen Skandium von etwa 10 bis 30% Gewichtsanteil bei der Zugabe von 0,1 bis 0,5% verbessern die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen erheblich. Die Zugfestigkeit steigt signifikant, die Schweißbarkeit verbessert sich deutlich und die Legierungen bleiben auch bei höheren Temperaturen stabil.

7:38 Diese Aluminium skandium Legierungen sind besonders in der Luft und Raumfahrtindustrie begehrt. Sie wurden zuerst in der Sowjetunion entwickelt und in militärischen Hochleistungsflugzeugen wie dem MIG 29 Kampfjet eingesetzt, in der zivilen Luftfahrt und im Sportgerätebau, wo Gewichtsersparnis bei gleichzeitig hoher Festigkeit entscheidend ist, haben diese Legierungen ebenfalls Einzug gehalten.

8:08 Hochwertige Fahrradrahmen, Baseballschläger, Lacrosse, Stöcke und Kletterausrüstungen werden aus Aluminium skandium Legierungen gefertigt. Eine weitere wichtige technologische Anwendung findet Skandium in Festoxid Brennstoffzellen, englisch Solid Oxide Fuel Cells oder kurz sof CS in. In diesen Energieumwandlungssystemen wird Skandia also skandiumoxid als ionenleitendes Material im Elektrolyt eingesetzt.

8:44 Skandia Stabilisiertes Zirkoniumoxid weist eine deutlich höhere Ionenleitfähigkeit auf als das herkömmliche Hytrium stabilisierte Zirkoniumoxid, was zu einer effizienteren Energieumwandlung führt. Dies macht Skandium zu einem potentiell wichtigen Material für saubere Energietechnologien der Zukunft.

9:09 In der Beleuchtungstechnik spielen Skandiumiodid halogenid Lampen seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle, diese auch als metalldampflampen bekannten Lichtquellen erzeugen ein Licht. Das dem natürlichen Tageslicht sehr ähnlich ist und daher für die Farbwiedergabe bei Filmaufnahmen in Sportstadien und in professionellen Fotoateliers bevorzugt wird.

9:34 Scan Diumyodid verbessert dabei die spektrale Qualität des emittierten Lichts erheblich in der Nuklearphysik und Medizin besitzt das radioaktive Isotop Scandium 46 Bedeutung als Radiotracer. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 83 komma 80 tagen. Unter Aussendung von Beta und Gammastrahlung.

9:58 Es wurde unter anderem zur Untersuchung von Strömungsprozessen in industriellen Anlagen und in der medizinischen Forschung eingesetzt. Neuere Forschungen untersuchen die Verwendung von Skandium 44 in der Positronen Emissionstomographie. Kurz PET als Alternative zu herkömmlichen Radioisotopen insgesamt sind von Skandium 13 Isotope bekannt, mit Massenzahlen zwischen 41 und 53. Von diesen ist nur skandium 45 stabil und kommt in der Natur vor.

10:34 Es ist gleichzeitig das einzige natürlich vorkommende Isotop, was Skandium zu einem sogenannten Reinelementisotop macht. Skandium 46 und skandium 47 sind die bedeutendsten künstlichen Isotope. Skandium 47 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,3 90 Tagen und imitiert Betastrahlung sowie schwache Gammastrahlung, was es für die Radioimmuntherapie von Tumoren interessant macht.

11:08 In dieser Form zielgerichteter Krebsbehandlung wird das Radioisotop an tumorspezifische Antikörper gekoppelt, die es direkt an den Ort des Krebsgewebes transportieren, wo die lokal begrenzte Strahlung die Tumorzellen zerstört, ohne gesundes Gewebe übermäßig zu schädigen. Das stabile Isotop skandium 45 selbst.

11:32 Hat in der analytischen Chemie Bedeutung als neutronenaktivierungsanalytischer Tracer erlangt. Bei der Neutronenaktivierungsanalyse wird eine Probe mit Neutronen beschossen, woraufhin die enthaltenen Elemente charakteristische Gammastrahlung emittieren, anhand derer sie identifiziert und quantifiziert werden können. Skandium eignet sich dafür besonders gut, da seine Aktivierungsquerschnitte gut bekannt und seine Halbwertszeiten analytisch gut handhabbar sind. Die Elektronenkonfiguration des Skandiums lautet 1 s 22 s. 22 p, 63 cs, 23 p, 63 d, 14 s. 2, wobei das einzelne 3 d Elektron die charakteristischen Übergangseigenschaften des Elements begründet.

12:24 Skandium tritt in chemischen Verbindungen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe Plus 3 auf. Was es chemisch von vielen anderen Übergangsmetallen unterscheidet, die mehrere stabile Oxidationsstufen kennen. In dieser Hinsicht ähnelt Skandium eher den Seltenerdmetallen als den klassischen Übergangsmetallen wie Eisen oder Kupfer. Diese chemische Ähnlichkeit mit den Lanthanoiden der Gruppe der Seltenen Erden ist kein Zufall, skandium ist. Yttrium und die Lantanoide werden zusammen als selten erdmetalle oder seltene Erden bezeichnet, auch wenn diese Bezeichnung aus chemischer Sicht nicht ganz korrekt ist, da skandium und Yttrium keine Lantanoide im engeren Sinne sind.

13:20 Die gemeinsamen chemischen Eigenschaften, insbesondere die stabile Dreiwertigkeit und der Ionenradius von 80 Pikometern für das Dreiwertige Skandium Ion führen dazu, dass Skandium in der Natur häufig gemeinsam mit seltenen Erdmetallen auftritt und entsprechend schwer von ihnen zu trennen ist. Die Koordinationschemie des Skandiums ist besonders in der homogenen Katalyse von Bedeutung.

13:49 Scandium, Triflat, also scandium, Trifluormethansulfonat der Formel SCOTF 3 hat sich als äußerst effizienter, luisäure Katalysator erwiesen. Diese Verbindung katalysiert zahlreiche organische Reaktionen, darunter Deals, Alder Reaktionen, Friedel Crafts, Alkylierungen und verschiedene Kondensationsreaktionen, und zwar auch in wässrigen Medien. Dies ist ungewöhnlich, da klassische luisäure Katalysatoren durch Wasser in der Regel zerstört werden. Dieser Befund hat die organische Synthesechemie bereichert und umweltfreundlichere Synthesewege ermöglicht. Scandium oxid SC 2 o 3 ist eine weiße, Hochschmelzende keramische Verbindung mit einem schmelzpunkt von 2539 Grad Celsius.

14:46 Es findet Verwendung in der Hochtemperaturkeramik als Formmittel für Metallguss, in der Produktion von Speziallegierungen sowie als Ausgangsmaterial für andere skandium Verbindungen. Die Verbindung weist eine kubische Kristallstruktur vom Bixby It Typ auf und ist chemisch außerordentlich beständig die Zukunft des Skandiums ist eng mit der Energiewende und dem technologischen Fortschritt verknüpft.

15:14 Neue Lagerstätten werden derzeit in Australien, Skandinavien, Nordamerika und China erkundet. Das australische Unternehmen Scandium International Mining arbeitet an der Erschließung des Honey Bugal Deposits in New South Wales, das eines der größten bekannten Scandium Vorkommen der Welt darstellt.

15:39 In den Vereinigten Staaten wird die Wyoming Geat Lagerstätte in Wyoming auf ihren wirtschaftlichen Wert untersucht. Diese Entwicklungen könnten die globale Verfügbarkeit von Skandium in den kommenden Jahren deutlich erhöhen und die Preise stabilisieren, die wachsende Nachfrage nach Aluminium skandium Legierungen für die Luft und Raumfahrt sowie für leichte Strukturmaterialien im Fahrzeugbau. Die zunehmende Bedeutung von Brennstoffzellentechnologie und die potentiellen medizinischen Anwendungen radioaktiver skandium Isotope lassen erwarten, dass Skandium in den kommenden Jahrzehnten eine bedeutendere Rolle in der Weltwirtschaft spielen wird.

16:22 Experten schätzen, dass die weltweite Nachfrage nach Skandiumoxid bis zum Jahr 2040 auf mehrere 1000 Tonnen pro Jahr steigen könnte. Es ist bemerkenswert, wie ein Element, das im Alltag so gut wie unsichtbar ist, zu einem strategischen Material des 21 Jahrhunderts werden kann. Skandium ist in Flugzeugstrukturen, in der Energietechnik, in medizinischen Diagnoseapparaten und in Sportgeräten präsent, ohne dass die meisten Menschen jemals von ihm gehört hätten. Es ist ein stiller Begleiter des modernen Lebens. Die Trennung des Skandiums von begleitenden Elementen ist chemisch anspruchsvoll und aufwendig, da skandium ähnliche Eigenschaften wie die Lanthanoide aufweist, wird es häufig gemeinsam mit diesen

17:17 extrahiert und muss in nachgelagerten Trennverfahren isoliert werden. Die wichtigsten Methoden sind die flüssig, flüssig, Extraktion mit organischen Extraktionsmitteln wie. Tributylphosphat oder Diisobutylcarbinol, die Ionenaustausch, Chromatographie sowie die Fällungsfraktionierung bei der Ionenaustausch Chromatographie wird ein mit skandium Ionen beladenes Harz mit geeigneten Eluenden schrittweise eluiert, wobei die verschiedenen Elemente aufgrund ihrer unterschiedlichen Affinität zum Harz in separaten Fraktionen anfallen.

18:01 Die Raffination zu Hochreinem Skandiummetall erfolgt durch Reduktion des zuvor gewonnenen Skandiumfluorids oder Skandiumchlorids mit Calcium oder Lithium unter Schutzgasatmosphäre, gefolgt von einer destillativen Reinigung im Hochvakuum. Hochreines Skandiummetall mit einer Reinheit von über 99,9% ist heute kommerziell erhältlich. Wenn auch zu entsprechend hohen Preisen. Zwischen 2004 1000 US Dollar pro Kilogramm die Entdeckungsgeschichte des Skandiums ist eingebettet in die faszinierende Entwicklungsgeschichte des Periodensystems selbst.

18:43 Als Mendelejew im Jahr 1869 sein erstes Periodensystem veröffentlichte, war er einer von mehreren Chemikern, die damals an Ordnungsprinzipien für die damals bekannten 67 Elemente arbeiteten. Der deutsche Lothar Meier entwickelte zeitgleich ein sehr ähnliches System. Was mendelieff jedoch von seinen Zeitgenossen Unterschied, war seine Bereitschaft, bewusst Lücken in seinem System zu lassen, um die Regelmäßigkeiten nicht zu verzerren und den Mut, auf Grundlage dieser Lücken Eigenschaften noch unbekannter Elemente vorherzusagen. Neben Ecabor.

19:27 Dem späteren Skandium sagte Mendelejew auch ek Aluminium und Ekasilicium voraus, die in den Jahren 1875 bzw 1885 als Gallium und Germanium entdeckt wurden. Jede dieser Entdeckungen bestätigte erneut die Gültigkeit seines Ordnungsprinzips und war ein Meilenstein der Wissenschaftsgeschichte. Das Skandium spielte in dieser Erfolgsgeschichte eine besondere Rolle. Da nielsens Entdeckung von 1890 zeitlich sehr nah an den Entdeckungen von Gallium und Germanium lag und die Vorhersagekraft des Systems eindrucksvoll untermauerte. Physikalisch, ist Skandium ein außergewöhnliches Material. Es nimmt Wasserstoff in seine Gitterstruktur auf und kann bei tiefen Temperaturen supraleitend werden. Unter Normaldruck wird Skandium

20:25 bei einer Temperatur von -242 Grad Celsius supraleitend, wenn es zuvor mit Wasserstoff beladen wurde. Dieser Effekt ist wissenschaftlich interessant, da er Einblicke in die Wechselwirkung von Elektronen mit dem Kristallgitter und mit eingelagerten Atomen gibt. Bei extrem hohen Drücken, die im Bereich von mehreren Millionen Atmosphären liegen, zeigt skandium ungewöhnliche Hochdruckphasen mit komplexen Kristallstrukturen, die derzeit intensiv erforscht werden. Die Oberfläche von Skandiummetall überzieht sich an Luft innerhalb kurzer Zeit mit einer dünnen, schützenden Oxidschicht aus SC 2 o 3, die.

21:10 Diese Passivierungsschicht, ähnlich der bei Aluminium und Titan beobachteten Schutzschicht, verhindert eine weitere Korrosion und macht das Metall gegenüber Feuchtigkeit und milden Säuren beständig. In konzentrierten Säuren wie Salzsäure oder Schwefelsäure löst sich Skandium unter Wasserstoffentwicklung auf, wobei das Dreiwertige Skandiumion gebildet wird, das in wässriger Lösung als Hexaquakomplex vorliegt, also von 6 Wassermolekülen koordiniert ist. Bemerkenswert ist die Geschichte eines Materials, das lange nur in Forschungslabors und militärischen Anwendungen Verwendung fand.

21:50 Bevor es langsam in den zivilen Hochtechnologiebereich vordrang, der kalte Krieg spielte dabei eine entscheidende Rolle. Sowjetische Militäringenieure erkannten früh das Potenzial von Aluminium skandium Legierungen für Kampfflugzeuge und investierten erhebliche Ressourcen in die Entwicklung und Produktion dieser Werkstoffe.

22:13 Als nach dem Ende des Kalten Krieges wissen und Material aus der ehemaligen Sowjetunion auf den Weltmarkt gelangten, wurde der westlichen Industrie das Potenzial dieser Legierungen erstmals vollständig bewusst. Heute gilt Skandium in der Europäischen Union und in den Vereinigten Staaten offiziell als kritisches Rohstoffmaterial. Diese Einstufung bedeutet, dass es als wirtschaftlich wichtig und gleichzeitig im Hinblick auf seine Versorgungssicherheit als gefährdet eingestuft wird, die Abhängigkeit von wenigen Produzenten, die geografische Konzentration der bekannten Lagerstätten und die extrem geringe Jahresproduktion machen Skandium zu einem Element, dessen strategische Bedeutung in den kommenden Jahrzehnten

23:03 zunehmen dürfte. Die geopolitische Dimension des Skandiums spiegelt wider, was für viele kritische Rohstoffe gilt. Ihre Verfügbarkeit ist eng mit politischen Verhältnissen verknüpft, wenn ein einziges Land oder eine kleine Gruppe von Ländern die Produktion eines strategisch wichtigen Materials dominiert, entstehen Abhängigkeiten, die wirtschaftliche und sicherheitspolitische Risiken bergen.

23:34 Dies hat in Europa und Nordamerika dazu geführt, dass erhebliche Mittel in die Erkundung eigener Skandium vorkommen und in die Entwicklung effizienterer Rückgewinnungstechnologien aus Sekundärquellen wie Industrieschlacken und Recyclingmaterialien investiert werden. Die Kreislaufwirtschaft, also das Schließen von Materialkreisläufen durch Recycling und Wiederverwendung. Gewinnt daher auch beim Skandium zunehmend an Bedeutung. Es ist eine stille Wahrheit, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit teilen.

24:11 Die Erde selbst ist das kostbarste Element, das wir kennen, kein Periodensystem der Welt enthält ein Element, das mit ihrer Komplexität, ihrer Schönheit und ihrer Fähigkeit, leben zu ermöglichen, vergleichbar wäre. Skandium und alle anderen Elemente, die wir in diesen Folgen kennenlernen, sind letztlich Bestandteile dieses einen einzigartigen Systems namens Erde.

24:42 Sie zu kennen bedeutet auch zu verstehen, wie kostbar und schützenswert der Planet ist, dem sie entstammen.