Sカンジウム元素記号Sc、原子番号21のスカンジウムは、水に溶けやすく、熱水と反応し、空気中では容易に黒ずみます。主な原子価は+3です。ガドリニウム、エルビウム、その他の元素と混合されることが多く、収量が低く、地殻中の含有量は約0.0005%です。スカンジウムは、特殊ガラスや軽量の耐熱合金の製造によく使用されます。
現在、世界のスカンジウムの確認埋蔵量はわずか200万トンで、その90～95%はボーキサイト、リン灰石、鉄チタン鉱石に含まれており、少量はウラン、トリウム、タングステン、希土類鉱石に含まれており、主にロシア、中国、タジキスタン、マダガスカル、ノルウェーなどの国に分布しています。中国はスカンジウム資源が非常に豊富で、スカンジウム関連の鉱物埋蔵量も膨大です。不完全な統計によると、中国のスカンジウム埋蔵量は約60万トンで、ボーキサイト、リン灰石鉱床、華南地域の斑岩および石英脈タングステン鉱床、華南地域の希土類鉱床、内モンゴル自治区のバヤンオボ希土類鉄鉱床、四川省の攀枝花バナジウムチタン磁鉄鉱鉱床に含まれています。
スカンジウムは希少であるため、価格も非常に高く、ピーク時には金の10倍にまで高騰しました。現在は価格が下落しているものの、依然として金の4倍の価格です。
歴史の発見
1869年、メンデレーエフはカルシウム（40）とチタン（48）の間に原子量の差があることに気づき、ここにも未発見の中間の原子量元素が存在すると予測しました。彼はその酸化物がX₂OÅであると予測しました。スカンジウムは1879年、スウェーデンのウプサラ大学のラース・フレデリック・ニルソンによって発見されました。彼は8種類の金属酸化物を含む複雑な鉱石であるブラックレアゴールド鉱山からスカンジウムを抽出しました。彼はスカンジウムを抽出しました。酸化エルビウム(III)黒色の希少金鉱石から採取され、イッテルビウム(III)酸化物この酸化物から、より軽い元素の酸化物がもう1つあります。そのスペクトルは、それが未知の金属であることを示しています。これはメンデレーエフによって予言された金属であり、その酸化物はSc₂O₃スカンジウム金属自体は、塩化スカンジウム1937年に電解溶解によって製造されました。
メンデレーエフ
電子配置
電子配置: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
スカンジウムは、融点が 1541 ℃、沸点が 2831 ℃ の柔らかい銀白色の遷移金属です。
スカンジウムは発見されてから長い間、生産の難しさからその用途が実証されていませんでした。希土類元素の分離方法がますます改善されるにつれて、スカンジウム化合物を精製するための成熟したプロセスフローが存在します。スカンジウムはイットリウムやランタニドよりもアルカリ性が低いため、水酸化物は最も弱いため、スカンジウムを含む希土類元素混合鉱物は、スカンジウム（III）水酸化物を溶液に移した後、アンモニアで処理する「段階沈殿」法によって希土類元素から分離されます。他の方法は、硝酸塩の極性分解によって硝酸スカンジウムを分離することです。硝酸スカンジウムは最も分解しやすいため、スカンジウムを分離できます。また、ウラン、トリウム、タングステン、スズなどの鉱床から随伴するスカンジウムを包括的に回収することも、スカンジウムの重要な供給源です。
純粋なスカンジウム化合物を得た後、ScClÅに変換し、KClおよびLiClと共溶融します。溶融亜鉛を電気分解の陰極として用いると、亜鉛電極上にスカンジウムが析出します。その後、亜鉛を蒸発させて金属スカンジウムを得ます。これは非常に活性な化学的性質を持つ軽量の銀白色の金属で、熱水と反応して水素ガスを発生します。そのため、写真に写っている金属スカンジウムはボトルに密封され、アルゴンガスで保護されています。そうしないと、スカンジウムはすぐに濃い黄色または灰色の酸化物層を形成し、光沢のある金属光沢を失ってしまいます。
アプリケーション
照明業界
スカンジウムの用途は非常に明るい方向に集中しており、光の子と呼ぶのは過言ではありません。スカンジウムの最初の魔法の武器はスカンジウムナトリウムランプと呼ばれ、何千もの家庭に光をもたらすことができます。これは金属ハロゲン化物電球です。電球の中にヨウ化ナトリウムと三ヨウ化スカンジウムが充填され、同時にスカンジウムとナトリウム箔が追加されます。高電圧放電中に、スカンジウムイオンとナトリウムイオンはそれぞれ固有の発光波長の光を放出します。ナトリウムのスペクトル線は589.0と589.6 nmで、2つの有名な黄色の光です。一方、スカンジウムのスペクトル線は361.3〜424.7 nmで、一連の近紫外線と青色の発光です。それらが互いに補完し合うため、生成される全体的な光の色は白色光です。スカンジウムナトリウムランプは、高い発光効率、良好な光色、省電力、長寿命、そして強力な消霧性能といった特徴を備えているため、テレビカメラ、広場、スポーツ会場、道路照明などに広く利用されており、第三世代光源として知られています。中国では、このタイプのランプは新技術として徐々に普及しつつあり、一部の先進国では1980年代初頭から既に広く普及していました。
スカンジウムの第二の魔法の武器は太陽光発電セルです。地上に散乱した光を集め、それを電気に変換して人類社会を動かすことができます。スカンジウムは、金属絶縁体、半導体、シリコン太陽電池、そして太陽電池セルにおいて最高のバリアメタルです。
3つ目の魔法の武器はγ線源と呼ばれ、それ自体が明るく輝きますが、肉眼では捉えられない高エネルギー光子流です。通常、45Scは鉱物から抽出されます。これはスカンジウムの唯一の天然同位体です。45Scの原子核はそれぞれ21個の陽子と24個の中性子を含んでいます。人工放射性同位体である46Scはγ線源として、またトレーサー原子として悪性腫瘍の放射線治療にも使用できます。イットリウム・ガリウム・スカンジウム・ガーネットレーザーのような用途もあります。フッ化スカンジウムガラス製の赤外線光ファイバー、そしてテレビのブラウン管に使われるスカンジウムコーティング。スカンジウムは生まれながらに明るさを持っているようです。
合金産業
スカンジウムは単体でアルミニウム合金のドーピングに広く利用されています。アルミニウムに数千分の1のスカンジウムを添加するだけで、新たなAl3Sc相が形成され、アルミニウム合金において変成作用を発揮し、合金の構造と特性に大きな変化をもたらします。0.2%～0.4%のSc（家庭で野菜炒めに塩を加える量とほぼ同じで、ほんの少しの量で十分です）を添加すると、合金の再結晶温度が150～200℃上昇し、高温強度、構造安定性、溶接性、耐食性が大幅に向上します。また、高温での長期作業時に発生しやすい脆化現象を回避することもできます。高強度・高靭性アルミニウム合金、新型高強度耐腐食溶接アルミニウム合金、新型高温アルミニウム合金、高強度中性子照射耐性アルミニウム合金などは、航空宇宙、航空、船舶、原子炉、軽自動車、高速鉄道の分野で非常に魅力的な発展の見通しを持っています。
スカンジウムは鉄の優れた改質剤としても機能し、少量のスカンジウムで鋳鉄の強度と硬度を大幅に向上させることができます。また、スカンジウムは高温タングステン合金やクロム合金の添加剤としても使用できます。もちろん、他人のウェディングドレスを作るだけでなく、スカンジウムは融点が高く、密度がアルミニウムに似ているため、スカンジウムチタン合金やスカンジウムマグネシウム合金などの高融点軽量合金にも使用されています。しかし、価格が高いため、通常はスペースシャトルやロケットなどのハイエンド製造業でのみ使用されています。
セラミック素材
スカンジウム単体は一般的に合金に使用され、その酸化物も同様にセラミック材料において重要な役割を果たします。固体酸化物燃料電池の電極材料として用いられる正方晶ジルコニアセラミック材料は、環境中の温度と酸素濃度の上昇に伴い電解質の導電性が増加するという特異な特性を有しています。しかし、このセラミック材料の結晶構造自体は安定して存在できず、工業的価値がありません。そのため、本来の特性を維持するためには、この構造を固定できる何らかの物質をドーピングする必要があります。6～10％のスカンジウム酸化物を添加すると、コンクリート構造のような構造になり、ジルコニアを正方格子上に安定させることができます。
密度向上剤や安定剤として、高強度、耐高温性の窒化シリコンなどのエンジニアリングセラミック材料もあります。
密度を高めるものとして、酸化スカンジウム微粒子のエッジに耐火相Sc2Si2O7を形成することで、エンジニアリングセラミックスの高温変形を低減します。他の酸化物と比較して、窒化ケイ素の高温機械的特性をより向上させることができます。
触媒化学
化学工学において、スカンジウムは触媒としてよく用いられ、Sc₂O₃はエタノールやイソプロパノールの脱水・脱酸素、酢酸の分解、COとH₂からのエチレン製造などに用いられます。Sc₂O₃を含むPtAl触媒は、石油化学産業における重質油の水素化精製プロセスにおいても重要な触媒です。クメンなどの接触分解反応において、Sc-Yゼオライト触媒の活性はアルミニウムシリケート触媒の1000倍にも達します。従来の触媒と比較して、スカンジウム触媒の開発見通しは非常に明るいといえます。
原子力産業
高温原子炉核燃料中のUO2に少量のSc2O3を添加すると、UO2からU3O8への変換によって引き起こされる格子変態、体積増加および亀裂を防ぐことができます。
燃料電池
同様に、ニッケルアルカリ電池に 2.5% ～ 25% のスカンジウムを追加すると、電池の耐用年数が延びます。
農業育種
農業分野では、トウモロコシ、テンサイ、エンドウ豆、小麦、ヒマワリなどの種子に硫酸スカンジウム（濃度は通常10-3～10-8mol/Lですが、植物によって異なります）を処理したところ、実際に発芽促進効果が得られました。8時間後、根と芽の乾燥重量は苗と比較してそれぞれ37%と78%増加しましたが、そのメカニズムはまだ研究中です。
ニールセンが原子質量データの負債に注目してから今日に至るまで、スカンジウムが人々の目に留まったのはわずか120年ほどですが、実際にはほぼ100年間もの間、研究の棚に上げられていました。スカンジウムがニールセンに活力を与えたのは、前世紀末の材料科学の急速な発展の時でした。今日、スカンジウムを含む希土類元素は材料科学のホットスターとなり、数千ものシステムで絶えず変化する役割を果たし、私たちの日々の生活にさらなる利便性をもたらし、さらに測定困難な経済的価値を生み出しています。
投稿日時: 2023年6月29日