Skandium

Skandium (Sc) on harvinaisiin maametalleihin kuuluva metallinen alkuaine, jonka järjestysluku on 21. Se on hopeisen valkeaa ja kiiltävää sekä verraten kevyttä. Ruotsalainen kemisti Lars Fredrik Nilson löysi skandiumin vuonna 1879.

Historia 
Ruotsalainen kemisti Lars Fredrik Nilson löysi skandiumin tutkiessaan mineraaleja eukseniitti, joka oli peräisin Aredalista Norjasta, ja gadoliniitti, joka oli Ytterbystä Ruotsista. Tarkoituksena oli tutkia harvinaisten maametallien kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia Sven Otto Petterssonin kanssa. Edellä mainituista mineraaleista Nilson uutti 63 grammaa erbiamaalajia (nimi viittaa erbiumiin). Tästä hän löysi edelleen uuden alkuaineen, joka sopi ruotsalaisen kemistin ja geologin Per Teodor Cleven mukaan Dmitri Mendelejevin ennustamaan ekaboriin (sanskritin eka = yksi). Nilson nimesi uuden alkuaineen skandiumiksi, koska se oli löydetty Skandinavian mineraalista. Ruotsalainen fyysikko Tobias Robert Thalén varmisti kohta alkuaineen olemassaolon löytämällä erbian spektristä aiemmin tuntemattomia viivoja. Vasta vuonna 1937 valmistettiin metallista skandiumia liuoksesta, joka sisälsi kaliumkloridia KCl, litiumkloridia LiCl ja skandiumkloridia ScCl3.

Fysikaaliset ominaisuudet 

Skandium on vaaleanharmaa, kiiltävä ja hieman pehmeä metalli. Se on kohtalaisen pysyvää ilmassa, mutta saattaa hitaasti saada kellertävää väriä pintaan muodostuvan skandiumoksidikerroksen (Sc2O3) vaikutuksesta.

Skandiumilla on kaksi allotrooppista muotoa. α-skandiumin kiderakenne on tiiviisti pakattu heksagonaalinen (a = 330,88 pm ja c = 526,80 pm) huoneenlämpötilassa. Skandiumin β-muoto on tilakeskinen kuutiollinen (bcc), jolle on arvioitu a = 373 pm kun lämpötila ylittää 1 337 °C.

Skandium on paramagneettista aina absoluuttisesta nollapisteestä sulamispisteeseensä (1 541 °C) saakka. Siitä tulee suprajohtavaa lähellä absoluuttista nollapistettä alle −273,1 °C lämpötilassa kun paine ylittää 186 kilobaaria.

Kemialliset ominaisuudet 

Yhdisteissään skandiumilla ei ole d-elektroneja elektronirakenteissaan eikä siis varsinaisia siirtymäalkuaineen ominaisuuksia. Skandiumin kemialliset ominaisuudet liittyvät kiinteästi lantanoidien ja aktinoidien kemiaan, joita se muistuttaa enemmän kuin esimerkiksi alumiinia tai titaania.

Skandium käyttäytyy useimmiten samoin kuin lantanoidit hapetusluvulla +3. Kuitenkin jotkin sen ominaisuudet ovat erilaisia johtuen sen merkittävästi pienemmästä ionisäteestä (166 pm koordinaatioluvulla 12), verrattuna harvinaisten maametallien ionisäteen keskiarvoon (182 pm koordinaatioluvulla 12). Tästä johtuen Sc3+-ioni on verrattain vahva happo ja muodostaa komplekseja helpommin kuin harvinaiset maametallit yleensä.

Skandium liukenee hitaasti laimeisiinkin happoihin, poikkeuksena vetyfluoridin liuos sillä siinä skandiummetallin pintaan muodostuu suojaava skandiumfluoridin ScF3 kerros.

Isotoopit 
Kaikki luonnosta löytyvä skandium on 45Sc isotooppia. Ainoan pysyvän isotoopin lisäksi sille tunnetaan yli 20 radioisotooppia, näiden massaluvut ovat välillä 36–60. Niistä pitkäikäisin on vuonna 1936 löydetty 46Sc, jonka puoliintumisaika on hieman alle 84 päivää. Seuraavaksi stabiileimmat ovat 47Sc jonka puoliintumisajaksi on mitattu 3,35 päivää, 48Sc (noin 43,7 tuntia) ja 44Sc (4 tuntia). Kaikkien muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle neljä tuntia, useimmilla alle muutaman minuutin. Lisäksi skandiumilla on viisi meta­stabiilia ydinisomeeria. 

Isotoopit joiden massat ovat alle ainoan pysyvän isotoopin 45Sc massan hajoavat pääasiassa elektronisieppauksella, sitä raskaammat isotoopit hajoavat enimmäkseen β--hajoamisella. Keveiden isotooppien hajoamistuotteet ovat yleensä kalsiumin isotooppeja, pysyvää isotooppia raskaammat taas useimmiten hajoavat titaanin isotoopeiksi. 44Sc hajoaa poikkeuksellisesti β+-hajoamisella.

Esiintyminen ja käyttö 
Luonnossa skandium esiintyy harvinaisten maametallien ohella ja rauta- ja magneettimineraaleissa. Norjalaiset geologit löysivät 1980-luvulla tavattoman suuria skandiummalmiesiintymiä Finnmarkista Pohjois-Norjasta. Suomessa skandiumia on Rautalammilla Kiviniemen esiintymässä.

On osoittautunut, että skandiumia voidaan käyttää joissakin lasereissa sekä mahdollisesti joidenkin keraamisten suprajohteiden valmistamisessa. Skandiumjodidia ScI3 käytetään erityisesti päivänvalolampuissa elohopean ja natriumin ohella. Eräistä metalliseoksista saadaan kovempia, kun niihin lisätään skandiumia. Skandium on alumiinia hivenen painavampi, mutta sulamispiste on selvästi korkeampi, sitä on käytetty esimerkiksi lentokoneen osissa ja avaruustekniikassa.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

Periodictable: Technical data for Scandium 

Americanelements: Scandium Technical and Safety Data 
MineralPrices.com: Heavy Rare Earth Metals, Scandium metal 99.9% ja  Scandium Oxide ≥ 99.95% 
Dr. Duke's Phytochemical and Ethnobotanical Databases: Scandium 

Alkuaineet
Metallit