스칸듐

3. 존재

스칸듐은 지각에서 희귀한 원소는 아니지만, 광물에 다량 함유되어 있는 경우는 드물다. 지각에 18~25ppm 정도 포함되어 있는데, 이는 코발트(20~30ppm)와 비슷한 수치이다. 지구 전체에서는 50번째, 지각 속에는 35번째, 태양에는 23번째로 많은 원소이다.^[11] 스칸디나비아반도^[14]와 마다가스카르^[15]에서 주로 발견되는 토르베이트광, 육세나이트, 가돌리나이트 등에 포함되어 있다. 현재 주 생산국은 우크라이나, 중국, 러시아 등이며, 마다가스카르, 노르웨이 등지에도 상당량 매장되어 있다.

우주에서는 초신성에서 R-과정을 통해 생성된다.^[16]

4. 생산

전 세계 스칸듐 생산량은 연간 15~20톤 규모로, 스칸듐 산화물 형태로 생산된다. 수요는 이보다 약간 높으며, 생산량과 수요 모두 계속 증가하고 있다.^[17] 2003년에는 우크라이나 조브티 보디의 우라늄 및 철 광산, 중국 바얀오보의 희토류 광산, 러시아 콜라 반도의 인회석 광산 등 단 3곳에서만 스칸듐을 생산했다. 그 이후, 니켈 아시아 코퍼레이션과 스미토모 금속 광산이 필리핀에서 연간 5톤(Sc₂O₃ 7.5톤)을 생산하는 등, 다른 많은 국가에서도 스칸듐 생산 시설을 건설했다.^[18][19]

미국에서는 니오코프 개발이 2020년 2월 현재 동남부 네브래스카주 엘크 크릭 부지에 있는 니오브 광산 개발을 위해 10억달러를 모금할 계획이며, 연간 최대 95톤의 스칸듐 산화물을 생산할 수 있을 것으로 예상한다. 이 경우, 스칸듐은 다른 원소 추출의 부산물로 생산되며, 스칸듐 산화물 형태로 판매된다.^[23][24][25]

금속 스칸듐을 생산하기 위해, 산화물을 스칸듐 불화물로 변환한 다음 금속 칼슘으로 산화환원한다.^[26]

마다가스카르와 노르웨이의 이벨란드-에비예 지역에는 토르트베이트광과 같이 스칸듐 함량이 높은 광물이 매장되어 있지만, 아직 개발되지 않고 있다.^[24]

5. 역사

드미트리 멘델레예프는 1869년 자신의 주기율표에서 원자량 40~48 사이의 새로운 원소(에카붕소)가 존재할 것이라고 예측했다. 이후 스웨덴의 라르스 닐손(Lars Fredrik Nilson)과 그의 연구팀은 육세나이트와 가돌리나이트에서 새로운 원소를 발견하였고, 닐손은 고순도의 산화 스칸듐 2g을 추출하는데 성공하였다.^[39][40] 또, 스칸디나비아의 라틴어 이름인 ‘스칸디아’에서 이름을 따 ‘스칸듐’이라는 이름을 붙였다. 닐손은 멘델레예프의 에카붕소 예측은 전혀 몰랐지만 이후 스웨덴의 페르 테오도르 클레베(Per Teodor Cleve)가 ‘에카붕소’와 ‘스칸듐’이 동일한 것임을 밝혔다.^[41][42]

순수한 스칸듐은 1937년에 최초로 분리되었다.^[43] 1971년에는 미국에서 알루미늄과 스칸듐의 합금을 사용하기 시작했으며, 이는 나중에 소련에서도 개발되었다.^[44][45]

가돌리늄-스칸듐-갈륨 가넷(GSGG)의 레이저 결정은 1980년대와 1990년대에 전략 방위 구상 (SDI)을 위해 개발된 전략 방위 응용 분야에 사용되었다.^[46][47]

6. 용도

스칸듐은 반응성이 높고 가격도 비싸서 화합물의 응용에 관한 연구 개발은 별로 진전되지 않았다. 이전에는 유기 화학의 제한된 분야에서 촉매로 조금 사용되는 정도였지만, 현재는 용도가 확대되면서 신소재로 주목받고 있다.

스칸듐은 주로 고기능 소재인 알루미늄-스칸듐 합금 형태로 사용되지만, 가볍고 강도가 비슷한 티타늄이 더 많이 이용된다.^[77]

2008년 도쿄 대학 생산 기술 연구소의 오카베 토오루 연구실에서는 금속 열환원법과 용융염 전해법을 이용한 스칸듐 제조 프로세스를 검증했다. 금속 열환원법에서는 산화 스칸듐(III)을 칼슘으로 환원시켜 1,273K의 낮은 온도에서 알루미늄-스칸듐 합금을 생성했지만, 칼슘 화합물이 잔류하여 순도가 낮았다. 반면, 용융염 전해법에서는 칼슘 화합물이 잔류하지 않아 고순도의 알루미늄-스칸듐 합금을 얻을 수 있었다.^[93]

6. 1. 알루미늄 합금

6. 2. 광원

6. 3. 연료 전지

6. 4. 기타

7. 화합물

스칸듐 화학은 거의 전적으로 3가 이온인 Sc³⁺에 의해 지배된다. 아래 표는 M³⁺ 이온의 반지름을 나타낸 것으로, 스칸듐 이온의 화학적 특성이 알루미늄 이온보다 이트륨 이온과 더 유사하다는 것을 보여준다. 이러한 유사성 때문에 스칸듐은 종종 란타넘족 유사 원소로 분류된다.^[29]

산화 스칸듐(Sc₂O₃)과 수산화물 Sc(OH)₃은 양쪽성을 띤다.^[30]

: Sc(OH)₃ + 3OH^- → [Sc(OH)₆]³⁻ (스칸데이트 이온)

: Sc(OH)₃ + 3H⁺ + 3H₂O → [Sc(H₂O)₆]³⁺

α- 및 γ-ScOOH는 수산화 알루미늄과 유사한 구조를 가진다.^[31] 물에 녹인 Sc³⁺ 용액은 가수분해로 인해 산성을 띤다.

할로젠화물(ScX₃) (X = Cl, Br, I)은 물에 매우 잘 녹지만, ScF₃는 녹지 않는다. 네 가지 할로젠화물 모두에서 스칸듐은 6배위이다. 할로젠화물은 루이스 산이다. 예를 들어 ScF₃는 과량의 플루오린 이온을 포함하는 용액에 녹아 [ScF₆]³⁻를 형성한다. 배위수 6은 Sc(III)에 전형적이다. 더 큰 Y³⁺ 및 La³⁺ 이온에서는 배위수 8 및 9가 일반적이다. 트리플레이트 스칸듐은 때때로 유기 화학에서 루이스 산 촉매로 사용된다.^[32]

스칸듐은 사이클로펜타다이엔일 리간드(Cp)를 갖는 일련의 유기금속 화합물을 형성하며, 이는 란타넘족의 거동과 유사하다. 한 예로는 염소-가교 이합체 [ScCp₂Cl]₂와 펜타메틸사이클로펜타다이엔일 리간드의 관련 유도체가 있다.^[33]

스칸듐이 +3 이외의 산화 상태를 갖는 화합물은 드물지만 잘 특성화되어 있다. 푸른 검은색 화합물인 CsScCl₃는 가장 간단한 화합물 중 하나이다. 이 물질은 스칸듐(II) 중심 사이의 광범위한 결합을 나타내는 판상 구조를 갖는다.^[34] 스칸듐 수소화물은 잘 알려져 있지 않지만, Sc(II)의 염류 수소화물은 아닌 것으로 보인다. 대부분의 원소에서 관찰되는 바와 같이, 이원자 스칸듐 수소화물은 기체 상태에서 고온에서 분광학적으로 관찰되었다. 스칸듐 붕소화물과 탄소화물은 인접 원소에서 전형적인 것처럼 비화학량론적 화합물이다.^[35]

더 낮은 산화 상태(+2, +1, 0)도 유기 스칸듐 화합물에서 관찰되었다.^[36][37][38]

스칸듐은 일반적으로 +3의 산화수를 가지며, 주요 화합물은 다음과 같다.

• 산화 스칸듐(III)(Sc₂O₃)
• 염화 스칸듐(III)(ScCl₃)
• 질산 스칸듐(III)(Sc(NO₃)₃)
• 플루오린화 스칸듐(III)(ScF₃)

8. 주의사항

순수한 스칸듐은 무해한 것으로 알려져 있으나, 현재까지 동물 실험은 거의 시행되지 않았다. 일부 스칸듐 화합물은 약한 독성이 있는 것으로 추정된다.^[69] 스칸듐 클로라이드의 반수 치사량(LD₅₀)은 쥐에게 복강 내 투여 시 755mg/kg, 경구 투여 시 4g/kg으로 측정되었다.^[70] 이러한 결과에 비추어 볼 때, 스칸듐 화합물은 중간 정도의 독성을 가진 화합물로 취급해야 한다. 스칸듐은 체내에서 갈륨과 유사한 방식으로 처리되는 것으로 보이며, 용해도가 낮은 수산화 스칸듐(III)과 관련된 유사한 위험이 있다.^[71]

참조

_[1] 서적 Selected Values of the Crystallographic Properties of Elements ASM International 2018
_[2] 서적 CRC, Handbook of Chemistry and Physics Chemical Rubber Company Publishing
_[3] 웹사이트 IUPAC Recommendations, Nomenclature of Inorganic Chemistry http://www.iupac.org[...]
_[4] 간행물 Scandium Springer International Publishing 2016
_[5] 웹사이트 Mineral Commodity Summaries 2020 https://pubs.usgs.go[...] US Geological Survey 2020-02-10
_[6] 웹사이트 Scandium http://periodic.lanl[...]
_[7] 학술지 Discovery of scandium, titanium, mercury, and einsteinium isotopes https://linkinghub.e[...] 2011
_[8] 학술지 Evolution of shell gaps in the neutron-poor calcium region from invariant-mass spectroscopy of ^37,38Sc, ³⁵Ca, and ³⁴K 2024-09-12
_[9] 웹사이트 Latest discovered isotopes https://frib.msu.edu[...]
_[10] 학술지 The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties http://hal.in2p3.fr/[...] 2003
_[11] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics https://archive.org/[...] CRC Press 2004
_[12] 웹사이트 Chemistry for Kids: Elements - Scandium https://www.duckster[...] 2024-06-12
_[13] 서적 Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century Balkema 2001
_[14] 학술지 Scandium – Mineraler I Norge http://www.nags.net/[...] 2003
_[15] 학술지 Mineralized pegmatites in Africa 1987
_[16] 학술지 Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis http://www.fas.org/s[...] 1957-06
_[17] 학술지 Exploring global supply and demand of scandium oxide in 2030 2023-05-15
_[18] 웹사이트 Establishment of Scandium Recovery Operations http://www.smm.co.jp[...] 2018-10-26
_[19] 웹사이트 Commercial Scandium Oxide Production by Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. http://www.programma[...] TMS 2018-10-26
_[20] 뉴스 NioCorp Announces Final Closing of Non-Brokered Private Placement for Aggregate Gross Proceeds of C$1.77 Million https://www.niocorp.[...] 2019-05-18
_[21] 뉴스 Long-discussed niobium mine in southeast Nebraska is ready to move forward, if it gathers $1 billion in financing . http://www.omaha.com[...] 2019-05-18
_[22] 간행물 NioCorp Superalloy Materials The Elk Creek Superalloy Materials Project http://niocorp.com/w[...] 2019-05-18
_[23] 웹사이트 Scandium http://www.mineralin[...] mineralinfo.com 2008-10-21
_[24] 웹사이트 Mineral Commodity Summaries 2015: Scandium http://minerals.usgs[...] United States Geological Survey
_[25] 웹사이트 Scandium http://minerals.usgs[...] USGS
_[26] 학술지 Smelting of Scandium by Microwave Irradiation 2017-09-27
_[27] 학술지 Combined Alloying of Aluminum Alloys with Scandium and Zirconium 2014-09-01
_[28] 웹사이트 Mineral Commodity Summaries https://www.usgs.gov[...] USGS 2020-09-13
_[29] 서적 Biochemistry of Scandium and Yttrium, Part 1: Physical and Chemical Fundamentals https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2012-12-06
_[30] 서적 Lanthanide and actinide chemistry https://books.google[...] John Wiley and Sons 2006
_[31] 학술지 Hydrothermal Preparation of α-ScOOH and of γ-ScOOH. Crystal Structure of α-ScOOH 1967
_[32] 학술지 SYNLETT Spotlight 12: Scandium Triflate
_[33] 학술지 Model Ziegler-Natta α-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η⁵-C₅Me₄)SiMe₂(η¹-NCMe₃)}(PMe₃)Sc(μ₂-H)]₂ and [{(η⁵C₅Me₄)SiMe₂(η¹NCMe₃)}Sc(μ¹CH₂CH₂CH₃)]₂. Synthesis, Structures and Kinetic and Equilibrium Investigations of the Catalytically active Species in Solution 1994
_[34] 학술지 Extended metal-metal bonding in halides of the early transition metals 1981
_[35] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press 2001
_[36] 논문 The First Example of a Formal Scandium(I) Complex: Synthesis and Molecular Structure of a 22-Electron Scandium Triple Decker Incorporating the Novel 1,3,5-Triphosphabenzene Ring 1996
_[37] 논문 Stabilization of a Diamagnetic Sc^IBr Molecule in a Sandwich-Like Structure 2002
_[38] 논문 The first stable scandocene: synthesis and characterisation of bis(η-2,4,5-tri-tert-butyl-1,3-diphosphacyclopentadienyl)scandium(II) 1998
_[39] 논문 Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac http://gallica.bnf.f[...] 1879
_[40] 논문 Ueber Scandium, ein neues Erdmetall https://zenodo.org/r[...] 1879
_[41] 논문 Sur le scandium http://gallica.bnf.f[...] 1879
_[42] 서적 The discovery of the elements https://archive.org/[...] Journal of Chemical Education 1956
_[43] 논문 Über das metallische Scandium 1937
_[44] 특허 Aluminum scandium alloy 1971-11-09
_[45] 논문 Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys 2003
_[46] 웹사이트 Scandium http://www.reehandbo[...] Pro-Edge.com 2012-05-09
_[47] 논문 Star-wars intrigue greets scandium find https://books.google[...] 1987
_[48] 논문 The properties and application of scandium-reinforced aluminum 2003
_[49] 논문 Criteria for developing castable, creep-resistant aluminum-based alloys – A review https://www.hanser-e[...] 2006-03-01
_[50] 논문 Precipitation evolution in Al–0.1Sc, Al–0.1Zr and Al–0.1Sc–0.1Zr (at.%) alloys during isochronal aging http://www.sciencedi[...] 2010-09-01
_[51] 논문 Coarsening resistance at 400°C of precipitation-strengthened Al–Zr–Sc–Er alloys http://www.sciencedi[...] 2011-10-01
_[52] 논문 Mechanical properties and optimization of the aging of a dilute Al-Sc-Er-Zr-Si alloy with a high Zr/Sc ratio 2016-10-15
_[53] 서적 Dekker encyclopédia of nanoscience and nanotechnology https://books.google[...] CRC Press 2004
_[54] 논문 A Novel Low-Density, High-Hardness, High-entropy Alloy with Close-packed Single-phase Nanocrystalline Structures
_[55] 논문 A batty business: Anodized metal bats have revolutionized baseball. But are finishers losing the sweet spot? 2006
_[56] 웹사이트 Easton Technology Report: Materials / Scandium http://www.eastonbik[...] EastonBike.com 2009-04-03
_[57] 서적 Effective handgun defense https://books.google[...] Krause Publications 2011-06-08
_[58] 서적 The Gun Digest Book of Smith & Wesson https://books.google[...] Gun Digest Books 2011-06-08
_[59] 웹사이트 APWORKS' Scalmalloy metal additive manufacturing material approved for use in Formula 1 https://www.tctmagaz[...] TCT 2023-10-11
_[60] 문서
_[61] 서적 Lighting Control: Technology and Applications https://books.google[...] Focal Press 2003
_[62] 간행물 Scandium International Mining https://scandiummini[...]
_[63] 서적 Lasers in Dermatology and Medicine Springer 2011-11-09
_[64] 논문 Green Lewis acid catalysis in organic synthesis http://www.iupac.org[...] 2000
_[65] 논문 Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer ⁴⁵Sc 2023
_[66] 논문 Ternary co-doped ytterbium-scandium stabilized zirconia electrolyte for solid oxide fuel cells
_[67] 논문 SOFC system and technology https://linkinghub.e[...] 2002-12-01
_[68] 논문 Utilization of Thermocatalysts in Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) Fed with Hydrogen-Rich Fuels: A Mini-Review
_[69] 서적 Biochemistry of Scandium and Yttrium https://books.google[...] Springer 1999
_[70] 논문 Pharmacology and toxicology of scandium chloride 1962
_[71] 논문 Metabolism and Possible Health Effects of Aluminum 1986
_[72] 논문 Preparation and Properties of Scandium Dihydride
_[73] 논문 Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals
_[74] 웹사이트 http://www.encyclo.c[...]
_[75] 논문 Sur le scandium http://gallica.bnf.f[...] 1879
_[76] 서적 元素111の新知識 講談社 1998
_[77] 웹사이트 枠にとらわれないスカンジウム http://www.natureasi[...] ネイチャー 2016-12-02
_[78] 웹사이트 Scandium http://periodic.lanl[...] Los Alamos National Laboratory 2013-07-17
_[79] 논문 The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties Atomic Mass Data Center 2003
_[80] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press 2004
_[81] 서적 Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century Balkema 2001
_[82] 논문 Scandium – Mineraler I Norge http://www.nags.net/[...] 2003
_[83] 논문 Mineralized pegmatites in Africa 1987
_[84] 논문 Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis http://www.fas.org/s[...] 1957-06
_[85] 논문 Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac http://gallica.bnf.f[...] 1879
_[86] 논문 Ueber Scandium, ein neues Erdmetall 1879
_[87] 웹사이트 枠にとらわれないスカンジウム http://www.natureasi[...] ネイチャー 2016-12-02
_[88] 논문 Über das metallische Scandium 1937
_[89] 특허 Aluminum scandium alloy 1971-11-09
_[90] 논문 Effect of Scandium on the Structure and Properties of Aluminum Alloys 2003
_[91] 웹사이트 Scandium http://www.reehandbo[...] Pro-Edge.com 2012-05-09
_[92] 논문 Star-wars intrigue greets scandium find https://books.google[...] 1987
_[93] 보고서 電気化学的な手法によるスカンジウムの新しい製造法に関する研究 http://www.jfe-21st-[...] JFE21世紀財団 2016-12-02
_[94] 서적