스칸듐의 특징 사진
스칸듐 (scandium) 원소 기호는 Sc이고 원자 서수는 21이다.4주기, Ⅲ 부족에 위치하며 원자질량: 44.96, 일종의 과도금속이다.스칸듐의 한 특징은 동위원소가 비교적 많은데 도합 37개의 동위원소가 있는데 그중 1개의 동위원소 (47Sc) 만이 자연속에서 안정적으로 존재한다.주요 화합가는 +3가격이다.

원소화학에서는 이트륨, 란계 원소와 함께 희토류 가족 (총 17가지 원소) 에 속한다.이 17가지 원소 중에서 스칸듐의 순위는 가장 앞섰고, 그것은 여전히 과도금속의 1위이다.그러나 스칸듐은 종종 다른 희토류 원소와 함께 광산이 되지 않고 티타늄, 바나듐, 철 등과 함께 조합된다.

스칸듐은 희토류 가족 중 가장 가벼운 구성원으로서 밀도가 낮고 연전성이 좋으며 촉매성능이 우수한 등 특징이 있어 재료계의 다면수와 고에너지자이다.따라서 스칸듐은 역사상 가장 비싼 시기에 금 가격의 10배에 달했던 값진 금속이다.2018년 2월, 미국은 35종의 관건적인 광산목록을 발표했는데 스칸듐도 중요한 공업원료로 그속에 포함되였다.희토류 귀족으로 손색이 없다.



화학적 특성:

스칸듐은 화학 성질이 매우 활발하여 뜨거운 물과 반응하여 수소를 생성할 수 있다.공기 중에 두면 산소, 이산화탄소, 물과 화합하기 쉬우므로 아르곤가스를 채워 밀봉하여 보존해야 한다.스칸듐은 공기에 의해 산화될 때 옅은 노란색이나 분홍색을 띠고 있어 풍화되기 쉽다.대부분의 희산에서는 천천히 용해되지만 강산에서는 표면에 침투하지 않는 둔화층이 형성되기 쉬우므로 질산 (HNO3) 및 불소 (HF) 1: 1 혼합물과 반응하지 않습니다.

물리적 특성:

스칸듐은 부드럽고 가볍고 은백색의 과도금속으로 밀도가 2.99g/cm3이고 용해점은 1541℃ (철, 니켈, 희토류, 세륨, 플루오린 및 네오디뮴 등보다 높다), 비등점은 2831℃ (원소 (5627℃), 몰리브덴 (5560℃), 코발트 (2870℃) 에 버금간다.물에 잘 녹는다.

사진 스칸듐의 발견 사진


스칸듐은 순위가 가장 앞자리를 차지하는 과도금속이다. 원자 서수는 21에 불과하다. 그러나 발견으로 말하자면, 스칸듐은 원소주기표 위의 이웃집보다 늦다. 희토류 안에서도 비교적 일찍 발견되지 않는다. 그 발견이 비교적 늦은 원인은 매우 간단하다. 함량이 낮다. 스칸듐은 1톤당 지각 물질 안에 5그램밖에 없다. 다른 경원소보다 훨씬 낮다.또 희토류 원소 분리는 매우 어려워 혼생된 지하자원에서 스칸듐을 찾는 것은 쉽지 않다.



1869년: 멘텔레프가 제시한 제1판 원소주기율표에는 갑자기 칼슘의 뒤쪽에 원자량 45의 빈자리가 남았다.나중에 멘텔레프는 칼슘 이후의 원소를 일시적으로 류붕소 (Eka-Boron) 로 명명하고 이 원소의 일부 물리 화학 성질을 제시했다.



19세기 말: 희토류 원소에 대한 연구가 열풍이 되었다.발견 1년 전 스위스의 마리나크 (Marignac) 는 로즈 레드의 토양에서 질산염을 국부적으로 분해하는 방식으로 토양과 다른 흰색 산화물을 얻었다. 그는 이 산화물을 이테르테르 토양이라고 명명했다. 이것이 바로 희토류 원소 발견 중 6위다.스웨덴 웁살라 대학의 넬슨 (L.F. Nilson, 1840~1899) 은 말리나크의 방법에 따라 토양을 정제하고 토양과 이테르테르의 원자량을 정확하게 측정한다 (왜냐하면 그는 이때 희토류 원소의 물리와 화학 상수를 정확하게 측정하여 원소 주기율을 검증하는 데 집중하고 있기 때문이다).그는 13번의 국부 분해를 거친 후 3.5g의 순수한 이테르테오늄을 얻었다.그런데 이때 이상한 일이 일어났다. 말리나크가 준 이테르륨의 원자량은 172.5였고 넬슨은 167.46에 불과했다.넬슨은 이 안에 어떤 경질의 원소가 있을 수 있다는 것을 예민하게 깨달았다.그래서 그는 얻은 이테르륨토를 같은 절차로 계속 처리했고, 결국 10분의 1의 샘플만 남았을 때 측정된 원자량은 134.75로 떨어졌다;동시에 스펙트럼에서 새로운 흡수선도 발견되었다.넬슨은 그의 고향인 스칸디나비아 반도를 스칸디움이라고 명명했다.


1879년: 넬슨은 자신의 연구 결과를 공식 발표했고, 그의 논문에서는 소금과 스칸듐 흙의 많은 화학적 성질도 언급했다.그러나 이 논문에서 그는 스칸듐의 정확한 원자량을 제시하지 못했으며 원소주기에서의 스칸듐의 위치도 아직 확정되지 않았다.넬슨의 절친한 친구이자 웁살라 대학에서 교편을 잡고 있는 클리프(P.T.Cleve, 1840~1905)도 함께 이 일을 하고 있다.그는 铒土에서 출발하여 铒土를 대량의 성분으로 제거하고 다시 토양 과 토양을 나눈 후 또 잉여물에서 홀뮴과 툴륨이라는 두 개의 새로운 희토류 원소를 찾았다.부산물로서 그는 스칸듐 흙을 정제하고 스칸듐의 물리적, 화학적 성질을 더 잘 이해했다.이렇게 되자 멘젤레프가 내놓은 표류병은 10년 동안 잠들어 있다가 클리프에게 건져졌다.



스칸듐은 바로 멘테레프가 당초에 예언한"류붕소"원소이다.그들의 발견은 원소주기율의 정확성과 멘젤레프의 탁월한 식견을 다시 한 번 증명했다.



1937년: 금속은 전기분해로 용해된 염화 스칸듐에서 생산되었다.

사진 스칸듐의 출처
그림


호남 스칸듐 함유"홍토"



스칸듐은 지각에 함량이 매우 적을 뿐만 아니라 약 0.0005% 로 1톤당 지각 물질에 5그램이 함유되어 있는 것과 같으며, 자연계에서 스칸듐 독립 광물이 형성될 확률은 0.4% 로 매우 낮다.스칸듐은 지각에서의 평균 풍도는 베릴륨, 붕소, 스트론튬, 주석, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 텅스텐의 풍도와 비슷하지만 그 분포는 매우 분산되어 전형적인 희산 친석 원소이다.스칸듐을 함유한 광물은 800여 종에 달하는 것으로 알려졌지만, 스칸듐의 독립 광물로는 스칸듐, 수린 스칸듐, 실리콘 스칸듐, 티타늄 규산 희금광 등 소수 몇 종에 불과하며, 광원이 작아 자연계에서 보기 드물다.다른 한편으로 스칸듐은 화학활성이 매우 높아 순도높은 금속을 제조하기 어렵다.현재의 조사 결과에 따르면 이러한 희소한 독립 광물은 주로 유럽의 몇 개 국가와 아프리카의 마다가스카르에 분포되어 있다.

스칸듐의 용도 사진 스칸듐 램프
스칸듐의 응용이 사람들의 광범위한 주목을 받은 것도 최근 30년 동안의 일이다.희소하고 진귀하기 때문에, 그 화합물은 공업 응용 방면에서 마치 요리사의 손에 있는 소금, 설탕 또는 조미료와 같으며, 조금도 필요하지 않으면 화룡점정의 작용을 한다.스칸듐은 그 자체의 특수한 물리, 화학 성질로 인해 이미 알루미늄 합금, 연료 전지, 스칸듐나트륨 할로겐 램프, 추적제, 레이저 결정 등 제품을 제조하는 데 사용되었으며, 특수 강철, 특수 유리, 유색 합금, 고성능 세라믹, 촉매 등 분야에서 광범위한 응용을 가지고 있다.현재 많은 응용 중 알루미늄 합금, 연료 전지, 스칸듐 나트륨 할로겐 램프는 스칸듐 제품에 대한 수요량이 가장 크다.





경기장 조명 스나트륨 램프

조명업


나트륨 램프: 전구에 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 충전하고 동시에 스칸듐과 나트륨박을 첨가하여 고압 방전할 때 스칸듐 이온과 나트륨 이온은 각각 그들의 특징으로 파장의 빛을 발사한다. 나트륨의 스펙트럼은 589.0과 589.6nm 두 개의 유명한 노란색 광선이고 스칸듐의 스펙트럼은 361.3~424.7nm의 일련의 근자외선과 파란색 광선이 서로 발사되기 때문에 흰색을 보충한다.같은 조도의 나트륨등은 일반 백열등보다 약 80% 절전하고 사용수명은 5000~25000h에 달한다. 바로 나트륨등은 발광효률이 높고 광색이 좋으며 절전, 사용수명이 길고 파무능력이 강한 등 특점이 있어 텔레비죤촬영과 광장, 체육관, 도로조명에 널리 사용할수 있어 제3세대 광원으로 불리운다.중국에서는 이런 등이 여전히 신기술로 점차 보급되고있는데 일부 선진국에서는 이미 80년대초에 이런 등이 널리 사용되였다.


태양광전지: 태양전지에 사용되는데 금속-절연체-반도체규소광전지와 태양전지에서 스칸듐은 가장 좋은 금속저지로서 그 효률이 10~15% 에 달한다.


감마선원: 스스로 빛을 크게 방출할수 있지만 이런 빛을 우리는 육안으로 접수할수 없으며 고에네르기의 광자류이다.우리가 평소에 광물에서 추출해낸것은 45Sc이다. 이는 스칸듐의 유일한 천연동위원소로서 매 45Sc의 원자핵에는 21개의 양성자와 24개의 중성자가 있다.만약 우리가 원숭이를 태상노군의 연단로에 7749일을 단련하듯이 원자로에 넣어 중성자 복사를 흡수하게 한다면 원자핵에 중성자가 하나 더 많은 46Sc가 탄생할 것이다.46Sc라는 인공방사성동위원소는 감마선원이나 표적원자로 사용할수 있으며 악성종양에 대한 방사선치료에도 사용할수 있다.


기타: 갈륨 가넷 레이저, 불화 스칸듐 유리 적외선 광섬유, 텔레비전에 코팅된 음극선관 등은 스칸듐과 광명의 인연을 목격했다.





러시아 MIG29 전투기 꼬리 날개는 스칸듐 금속을 함유하고 있다

합금 공업


알루미늄합금의 혼합: 알루미늄 및 알루미늄합금의 성능을 최적화하는 데 가장 효과적인 원소로, 0.2~0.4% 의 Sc (이 비율도 정말 집에서 볶은 요리에 소금을 넣는 비율과 차이가 많지 않다. 그것만 있으면 된다) 를 첨가하면 합금의 재결정 온도를 150~200 ℃ 높일 수 있으며, 고온 강도, 구조 안정성, 용접 성능과 부식 방지 성능이 모두 뚜렷하게 향상되고, 고온에서 장기간 작업할 때 쉽게 바삭해지는 현상을 피할 수 있다.알루미늄 합금은 차세대 경질 구조재로 항공, 우주, 함선의 용접 하중 구조물 및 알칼리성 부식 매체 환경용 관재, 철도 탱크, 경차, 고속열차 핵심 구조물 부품 등에서 광범위하게 응용된다.


3D 프린팅 재료: 현재 유행하는 3D 프린팅 기술에서 신형 고강도 알루미늄-마그네슘-합금 재료가 크게 솜씨를 발휘하고 있으며, 대부분의 3D 프린팅용 알루미늄 실리콘 파우더 재료보다 더 견고하다.2015년 에어버스의 자회사인 APWorks는 이 재료로 세계 최초의 3D 프린팅 오토바이를 프린트해 광명기사로 명명했다. 무게는 35kg으로 일반 전기 오토바이보다 30% 가볍다.물론 이런 높은 용도외에 알루미니움합금으로 만든 운동기구, 례를 들면 하키클럽손잡이, 야구방망이, 소프트볼방망이 및 산악자전거, 고급스포츠카 등은 미국 등 선진국에서 이미 비교적 흔히 볼수 있다.


철의 개화제: 소량의 스칸듐은 주철의 강도와 경도를 현저하게 높일 수 있다.스칸듐은 쇳물을 정화하고 흑연 형태를 바꾸며 공정단을 세분화하여 주철의 주조 성능을 높이는 동시에 주철의 상온과 고온 성능을 개선하고 향상시킬 수 있다.


고온 텅스텐과 크롬 합금의 첨가제: 스칸듐은 고온 텅스텐과 크롬 합금의 첨가제로도 사용할 수 있다.


스칸듐 티타늄과 마그네슘 합금: 스칸듐은 비교적 높은 용해점을 가지고 있지만 그 밀도는 알루미늄과 가깝기 때문에 스칸듐 티타늄과 스칸듐 마그네슘 합금과 같은 높은 용해점 경질 합금에도 응용되지만, 가격이 비싸기 때문에 일반적으로 우주 왕복선과 로켓 등 고급 제조업에서만 사용할 수 있다.





산화 스칸듐(Sc2O3)

산화 스칸듐


고체전해질: 고체산화물연료전지는 연료에네르기를 직접 전기에네르기로 전환시킬수 있으며 인산염연료전지와 용융탄산염형연료전지에 이어 발전된 제3세대 전고화전지이다.산화는 안정제로 지르코니아의 고체 전해질에 첨가되어 지르코니아의 전도도를 높일 수 있으며, 이 특성은 고체 산화물 연료 전지의 출력 밀도를 높일 수 있다.매우 유망한 신형 중온 고체 전해질입니다.


레이저 세라믹: 순도 99.9%~99.99% 의 Sc2O3를 갈륨가넷 (GGG) 에 넣어 만든 갈륨가넷 (GSGSS) 은 전자보다 3배 더 높은 출력을 낸다.GSGG는 미사일 방어 시스템, 군사 통신, 잠수함 수중 레이저 및 산업 각 분야에 사용될 수 있다.


질화규소 치밀 보조제: 질화규소에 산화 스칸듐을 증밀제로 첨가하는 것은 다른 산화물을 첨가하는 것과 비교한다.고온 역학적 성능을 높일 수 있다.이 산화 스칸듐의 치밀한 질화규소 (Sc2O3-Si3N4) 는 건조하거나 습한 환경에서도 높은 항산화성을 가지고 있다.산화는 질화규소의 량호한 소결보조제로서 4가금속과 규소의 질소산화물을 쉽게 생성하지 못하여 산화팽창으로 인한 갈라짐을 피면한다.이러한 우수한 고온 내변형성은 미세 입자의 가장자리에 용해하기 어려운 Sc2Si2O7을 생성한 것으로 귀결된다.



원자력 산업: 고온 원자로 핵연료에 UO2에 Sc2O3를 소량 첨가하면 UO2에서 U3O8로 전환되어 발생하는 웨이퍼 전환, 부피 증가 및 균열을 피할 수 있습니다.



기타
반도체: 전자공업에서 스칸듐은 각종 반도체 부품으로 사용할 수 있는데, 예를 들면 스칸듐의 아황산염의 반도체에서의 응용은 이미 국내외의 주의를 끌었고, 스칸듐을 함유한 철산소는 컴퓨터 코어에서도 꽤 전도가 있다.



촉매: 화학화학공업에서 흔히 촉매로 사용되는데 Sc2O3는 에탄올이나 이소프로필알코올의 탈수와 탈산소, 에탄산이 분해되는데 CO와 H2제에틸렌 등등에 사용된다.Sc2O3을 함유한 Pt-Al 촉매는 석유 화학 공업에서 중유 수소화 정제, 정제 프로세스의 중요한 촉매로서 더욱 중요하다.이소프로필렌 촉매 분열 반응과 같은 경우 Sc-Y 비석 촉매는 규산 알루미늄보다 활성도가 1000배 큽니다.일부 전통적인 촉매에 비해 스칸듐 촉매의 발전 전망은 매우 밝을 것이다.


특수 유리: 스칸듐을 함유한 특수 유리를 만들 수 있다.


농업 육종: 농업에서 옥수수, 사탕무, 완두콩, 밀, 해바라기 등의 종자를 황산 스칸듐(농도는 보통 10-3~10-8mol/L로 식물에 따라 다를 수 있음) 처리하여 발아 촉진의 실제 효과를 얻을 수 있으며, 8시간 후 뿌리와 싹의 건조 중량은 새싹에 비해 각각 37% 와 78% 증가하지만, 원인 기리는 아직 연구 중이다.

전체적으로 말하자면, 스칸듐은 신소재, 신에너지, 정보기술, 항공우주 및 국방군수공업 등 첨단 분야에서 매우 광범위한 응용 전망을 가지고 있다.

사진 스칸듐의 위해 사진

스칸듐이 사람에게 필수적인 요소인지 아닌지는 아직 결론이 나지 않았다.인체에 스칸듐은 미량으로 존재한다.발암성을 의심하다.스칸듐 화합물의 동물 실험은 이미 완료되었으며, 염화 스칸듐의 치사량의 절반은 복강 4mg/kg과 경구용 755mg/kg으로 확정되었다.이런 결과로 볼 때 스칸듐 화합물은 중도 독성 화합물로 처리해야 한다.

사진 결어
그림
1879년 넬슨에 의해 발견된 이래 오늘날까지 원소는 140여 년의 역사를 가지고 있지만, 이 중 거의 100년 동안 냉대에 앉아 있었다.지난 세기 후반까지 재료 과학의 활발한 발전은 고랭하고 저조해 보이는 이런 요소에 활력을 불어넣었다.스칸듐은 일거에 희토류 가족 중'귀족'으로 발돋움하여'아무도 관심을 갖지 않는다'에서'기이한 물건'으로 화려한 턴어라운드를 이루었다.비록 가격이 비싸기 때문에, 스칸과 스칸의 화합물은 많은 실제 응용에서 셰프의 손에 있는 진귀한 양념처럼 조금도 넣을 수 있을 뿐이지만, 제품의 성능을 배로 최적화하고 향상시킬 수 있어 신기한 공업 조미료라고 할 수 있다.



스칸듐은 묵묵히 우리의 생활에 편리함과 멋을 가져다 주었다.미래 과학 기술의 급속한 발전과 함께 신비롭고 특이한 원소는 반드시 더욱 현란한 빛을 발할 것이다.



현재 많은 국가들이 스칸듐을 핵심 금속 또는 전략 금속으로 분류하여 스칸듐의 채굴, 추출 및 응용 등 방면의 연구를 가속화하고 있으며, 머지않아 스칸듐의 제품은 수많은 가구에 진입할 수 있을 것이라고 믿는다.

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