Sc/Scandium

Naam

De naam scandium is afgeleid van Scandia, de Latijnse benaming voor Scandi­navië. Hier werd het mineraal waarin dit element is ontdekt, aangetroffen.

Ontdekking

De Zweedse chemicus Lars Nilson isoleerde in 1879 als eerste het oxide van scandium uit yttria (het oxidemengsel of ‘aarde’ verkregen uit de mineralen gadoliniet en euxeniet). Zijn landgenoot Per Teodor Cleve (foto) realiseerde zich dat dit element 21 was waarvan het bestaan al door Mende­lejev in 1871 was voor­speld.

Pas in 1937 lukt het om zuiver scandium te maken door elektrolyse van een mengsel van gesmolten scandium-, kalium- en lithium­chloride.

Toelichting: Zeldzame aardmetalen

Scandium behoort tot de zeldzame aardmetalen. De groep omvat de elementen scandium (21) en yttrium (39) en de elementen 57 tot en met 71. Die laatste reeks is ook bekend als de lanthaniden (naar het eerste element uit de reeks: lanthaan).

Zeldzaam wil niet zeggen dat de betreffende elementen weinig op aarde voorkomen. Het gaat hier om een groep elementen die allemaal ontdekt zijn via de isolatie van hun oxide. De term ‘zeldzaam’ vindt zijn oorsprong in het feit dat deze oxiden (aarden) bijzonder moeilijk te herkennen en scheiden zijn. Het duurde meer dan een eeuw voordat ze allemaal ontdekt waren. In dezelfde periode werd bijna honderd keer de ontdekking van andere nieuwe elementen geclaimd.

Na verloop van tijd kwam de term ‘zeldzaam’ ook in zwang als aanduiding van de elementen zelf. Ze werden vaak pas vele jaren na hun ontdekking in zuivere vorm geïsoleerd.

De nieuwe oxiden vinden hun oorsprong voor het grootste deel in twee mineralen: gadoliniet en ceriet. Daaruit werden respectievelijk de oxidenmengsels yttria en ceria ontsloten.

Het relatief ‘zware’ mineraal gadoliniet was in 1787 door de Zweedse chemicus Carl Axel Arrhenius ontdekt in een wingebied voor veldspaat bij Ytterby (in de buurt van Stockholm). Het heette eerst ytteriet, vandaar dat het verwerkingsproduct in 1794 yttria werd genoemd. Men beschouwde Yttria aanvankelijk als het oxide van één enkel element; het latere yttrium (Y). Uiteindelijk bleek het een mengsel van zowel yttriumoxide als de oxiden van de zwaardere lanthaniden: gadolinium, terbium, erbium, dysprosium, holmium, thulium, ytterbium en lutetium.

Ceria werd in 1803 voor het eerst bereid uit ceriet, dat in 1751 was gevonden door de Zweedse chemicus/mineraloog Axel Fredrik Cronstedt. Het leverde de oxiden op van lanthaan en de lichtere lanthaniden: cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium.

Tot het einde van de 19^e eeuw waren er geen toepassingen voor (verbindingen van) de zeldzame aarden. De Oostenrijkse wetenschapper Carl Auer Freiherr von Welsbach bracht daar verandering in. Hij gebruikte thorium en cesium ter verhoging van de lichtopbrengst van een gasvlam. De gaspitten werden daartoe in een mengsel van thorium- en ceriumnitraat gedompeld. Bij de verbranding ontstaan dan de oxiden. Ceriumoxide katalyseert de verbranding en door de zeer slechte geleidbaarheid van het thoriumoxide werden de deeltjes zeer heet en geven ze een helder licht.

Met de vinding van Von Welsbach kwam zowel het grootschaliger speuren naar de zeldzame aarden als het zoeken naar toepassingen in een stroomversnelling. Inmiddels zijn meer dan 100 mineralen bekend met zeldzame aardmetalen. Deze metalen kennen specialistische toepassingen in allerlei hoogtechnologische (elektronische) apparatuur. China is verreweg de belangrijkste producent van deze elementen.

Voorkomen

Scandium staat op plaats 31 in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Het heeft een aandeel van 2,2.10^-3%. Het is zeer gelijkmatig over het aardoppervlak verdeeld, waardoor het lastig te winnen is.

Er zijn nauwelijks ertsen te vinden met een echt hoge scandiumconcentratie. De enige (zeldzame) scandiumminera­len zijn thortveï­tiet ((Sc,Y)₂Si_2­O_7, foto) en kolbec­kiet of sterrettiet (ScPO₄.­2H₂O).

Daarnaast is het in zeer kleine hoeveelheden te vinden in mineralen als

Scandium komt ook voor in tin-, wolfraam en uraanertsen. De blauwe kleur van aquamarijn (een vorm van beril) wordt ver­oorzaakt door sporen scandium.

Winning

De belangrijkste wingebieden liggen in Austra­lië, China, Mongolië, India, Brazi­lië, de Verenigde Staten van Amerika, Malei­sië, Rusland, Tanzania, Burundi, Zambia, Madagaskar, Noorwegen, Zweden, Canada en Roemenië. De EU heeft met de Critical Raw Materials Act in 2022 het element scandium op de lijst van schaarse en strategische grondstoffen gezet.

Bereiding

Vroeger

Oorspronkelijk werden de zeldzame aarden geschei­den op grond van (uiterst kleine) verschillen in de oplosbaarheid van (hydr)oxi­den, oxalaten of sulfaten in loog. Het belangrijkste verschil in de oplos­baarheid treedt op bij het dubbelzout Ln₂(SO₄)₃.Na₂SO₄­.xH₂O, waarin Ln één van de zeld­zame aardme­talen voorstelt. De oplosbaarheid neemt licht toe naarmate de atoommassa van het lanthanide toeneemt. De verschillen zijn zo klein dat vele malen herkris­talli­se­ren (1.000 x was geen uitzonde­ring) noodza­ke­lijk was voor een redelijke schei­ding.

Tegenwoordig

Tegenwoordig worden scandiumverbindingen geïsoleerd bij de zuivering van uraniumverbindingen ten behoeve van de produc­tie van splijtstofstaven voor kernre­acto­ren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van ionenwisseling en vloeistof­extrac­tie. Uraniumert­sen kunnen ongeveer 0,02 – 0,08 % scandi­um bevatten.

Redelijk zuiver scandium wordt bereid door reductie van het fluoride met calcium of door elektrolyse van een mengsel van gesmolten scandium-, kalium­- en lithiumchlo­ride.

In 1960 werd voor het eerst zeer zuiver scandium bereid via het Van Arkel-de Boer-proces. Daarbij wordt onzuiver scandium in een vat gebracht met wat jood onder zeer lage druk. Bij ca. 200 °C reageert het tot scandiumjodide, dat vervolgens verdampt en in de nabijheid van een gloeidraad bij zeer hoge temperatuur (ca. 1.300 °C) weer ontleedt in jood en scandium. Het gevormde zuivere scandium slaat dan neer op de gloeidraad.