Sc • Ordnungszahl 21
Scandium
Scandium ist ein weiches, silberweißes Element. Es ist ein Leichtmetall (geringe Dichte), aber es zeigt Eigenschaften, die es sowohl mit den Übergangsmetallen als auch zu den Seltenen Erden (Lanthanoiden) verbindet. Es ist eine Art "Brückenelement".
In den klassischen Seltenerd-Minerale Bastnäsit, Monazit, Xenotim oder Ionenadsorptionstonen ist Scandium meist nur in Spuren vorhanden. Scandium gehört zu den sehr seltenen Elementen und gehört zu den teuersten Metallen.
Seine wichtigste Anwendung ist in Aluminium-Legierungen. Durch die Zugabe kleinster Mengen Scandium werden die Eigenschaften von Aluminium dramatisch verbessert.
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 mit der Ordnungszahl 21 voraus. Erst Per Teodor Cleve erkannte später die Übereinstimmung des Scandiums mit dem Eka-Bor.
Reines Scandium wurde erstmals 1937 elektrolytisch hergestellt.
Obwohl Scandium relativ häufig in der Erdkruste vorkommt (etwa so häufig wie Blei), ist es extrem dispers verteilt. Es kommt kaum in konzentrierten Lagerstätten vor. Die klassischen Seltenerd-Minerale sind wirtschaftlich kaum relevante Scandium-Quellen.
Es fällt meist nur als Beiprodukt beim Abbau anderer Rohstoffe an. Lateritische Nickel- und Kobalterze sind heute die wichtigste Quelle. Bei der Verarbeitung dieser Erze (z.B. in Kuba, den Philippinen, Australien und Russland) fällt Scandium als Beiprodukt in den Rückständen an.
Auch in Rotschlamm aus der Bauxit-Verarbeitung zu Aluminium ist es in wirtschaftlich interessanten Konzentrationen angereichert.
Bei der Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit (nach dem Bayer-Verfahren) bleibt Rotschlamm übrig. Dieser kann bis zu 150 g Scandium pro Tonne enthalten. Trotz dieser relativ geringen Menge ist es eine der reichhaltigsten verfügbaren Quellen.
Das gewonnene Konzentrat (z.B. getrockneter Rotschlamm) wird zunächst mit starken Säuren (meist Salzsäure, HCl, oder auch Schwefelsäure, H₂SO₄) behandelt (Laugung/Leaching). Dabei werden die festen Bestandteile aufgelöst, und das Scandium geht als Scandium-Ion (Sc³⁺) in die wässrige Lösung über. Diese Lösung enthält auch eine große Menge anderer Metall-Ionen (Eisen, Aluminium, Titan, Uran, etc.)
Darauf folgt die Aufreinigung und Trennung, der schwierigste Schritt. Die Scandium-Ionen müssen von der Vielzahl anderer Ionen in der Lösung getrennt werden. Dafür wird fast immer die Flüssig-Flüssig-Extraktion verwendet, ein Verfahren, das auch für andere Seltene Erden eingesetzt wird.
Dieser Prozess wird mehrfach hintereinander in verschiedenen Stufen durchlaufen, um Schritt für Schritt reineres Scandium zu isolieren.
Schließlich wird das reine Scandium aus der organischen Phase wieder in eine saubere Salzsäure-Lösung zurücküberführt.
Aus der nun hochreinen Scandium-Salzlösung wird das metallische Scandium gewonnen. Die beiden gebräuchlichsten Methoden sind die Schmelzflusselektrolyse und die metallothermische Reduktion. Das resultierende Metall (genannt "Scandium-Brocken") hat eine Reinheit von etwa 99 % und kann durch weiteres Umschmelzen im Vakuum noch reiner gemacht werden.
Die wichtigste und bedeutendste Anwendung von Scandium ist seine Verwendung als Legierungszusatz in Aluminium (Al-Sc-Legierungen).
Bereits winzige Zugaben von 0,1 bis 0,5 Prozent Scandium verleihen der Aluminiumlegierung eine revolutionäre Verbesserung ihrer Eigenschaften, was sie für Hochleistungsanwendungen unverzichtbar macht.
Scandium kann die Festigkeit und Härte von Aluminum um das doppelte als herkömmlich Aluminiumlegierungen erhöhen.
Scandium verleiht dem Aluminium außerdem eine herausragende Schweißbarkeit. Das ist ein entscheidender Vorteil in der Luft- und Raumfahrt. Bei herkömmlichen Aluminiumlegierungen kommt es im Bereich der Schweißnaht oft zu einem starken Festigkeitsverlust. Al-Sc-Legierungen behalten ihre Festigkeit in der Schweißnaht nahezu vollständig bei, da Scandium das Kornwachstum während des Erhitzens wirksam unterbindet.
Scandium wirkt zudem als Kornverfeinerer, was die Legierung zäher und bruchfester macht.
Außerdem sorgt es für höhere Korrosions- und Wärmebeständigkeit.
Weitere wichtige Anwendungen, die aber wirtschaftlich weniger relevant sind, sind Festkörperlaser, Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Leuchtmittel ( Metalldampflampen)
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.
