| 21Sc 스칸듐 Scandium | |||
| 분류 | 전이 원소 | 상태 | 고체 |
| 원자량 | 44.955908 | 밀도 | 2.985 g/cm3 |
| 녹는점 | 1541 °C | 끓는점 | 2836 °C |
| 용융열 | 14.1 kJ/mol | 증발열 | 332.7 kJ/mol |
| 원자가 | 2 | 이온화에너지 | 633.1, 1235.0, 2388.6 kJ/mol |
| 전기음성도 | 1.36 | 전자친화도 | 18.1 kJ/mol |
| 발견 | L. F. Nilson (1879) | ||
| CAS 등록번호 | 7440-20-2 | ||
| 이전 원소 | 칼슘(Ca) | 다음 원소 | 티타늄(Ti) |
1. 개요
영어: Scandium / 중국어: 钪 / 일본어: スカンジウム주기율표 제3족에 속하는 희토류 원소의 하나로, 원소 기호는 Sc이다. 이름의 유래는 스칸디나비아반도.
2. 역사
주기율표의 작성자 멘델레예프는 칼슘(원자량 40)과 티타늄(원자량 48) 사이에 새로운 원소가 있다고 예언했고, 이에 에카 붕소라는 가명을 붙였다. 그것이 스칸듐이다.1879년, 스웨덴의 학자 닐슨은 가돌리나이트의 성분 중에 섞여 있는 새로운 원소를 발견했고, 여기에 스칸듐이라는 이름을 붙였다. 다만 그는 이 새로운 원소가 에카 붕소라는 것을 알아차리지 못했고, 그것을 밝혀낸 사람은 닐슨의 동료인 테오도르 클레베였다.
3. 소개
산화 스칸듐을 주성분으로 하는 광물로 토르트바이타이트가 있다. 이 광물은 1910년 노르웨이의 페그마타이트에서 발견된 것으로, 산출량이 아주 한정되어 있다. 사실 스칸듐은 수많은 금속 산화물과 고용체를 이루므로 많은 광물에 극미량이 포함되어 있지만, 상업적으로 채취할 수 있을 정도로 함량이 높은 광석은 거의 없다시피 하다. 따라서 다른 희토류 원소와는 다르게 정해진 산출지 역시 없다.[1] 따라서 가격은 kg당 $2,000 ~ $4,000 정도로 비싸고 가격도 불안정하다. 공업적으로는 우라늄이나 텅스텐을 정제할 때 부산물로서 얻을 수 있다.스칸듐은 야구장의 조명에도 쓰이는 메탈 할라이드 램프에 이용된다. 메탈 할라이드 램프란 발광관에 스칸듐/나트륨 등의 금속을 넣고 방전하는 것으로 태양광과 비슷한 빛을 발하는 것이다. 이 램프는 할로겐 램프에 비해 밝고 수명도 길다. 게다가 소비 전력도 50% 정도 적기 때문에 전시물 혹은 영화 촬영용 조명이나 식물 재배용 조명으로도 높이 평가된다.
알루미늄과 합금하면 알루미늄의 가벼운 성질을 유지하면서도 강도와 내구성을 비약적으로 개선시키기 때문에[2], 총기나 인라인스케이트, 자전거의 프레임 등에도 사용된다. 특히 250도 이상의 고온에서도 강도를 유지하므로 엔진의 구조재 등 종래의 티타늄 합금이나 니켈계의 합금이 쓰이던 곳에 훨씬 가볍고 싸게 대체할 수 있어서 항공기용 부품재로 사용이 늘고 있다. 알루미늄 야구 배트에도 쓰이는데 강도가 커져 무게가 가벼워지고 반발력이 커진다. 단, 배트 내부 판의 두께를 두껍게 만드는 경우가 잦아서 오히려 무거워지는 경우가 많다. 특히 총기 시장에서 선풍적인 바람을 일으키고 있는데, 스미스 & 웨슨이 스칸듐을 애용하기 시작한 회사. 무게가 지나치게 가벼워지다 보니 스칸듐 합금 프레임을 쓴 총기는 가벼워서 휴대는 좋지만 무게가 줄어서 반동이 강해져서 좀 불편하다는 소리까지 나올 정도다. 알루미늄-스칸듐 합금은 아연, 마그네슘, 구리 등 7000계 알미늄 합금에 여러 금속을 합금하면서 스칸듐이 2%~0.1% 이하로 포함된다.
다만 스칸듐은 알루미늄 합금으로 사용할 때만 이런 우수한 성능을 발휘하기 때문에[3], 기존에 알루미늄을 쓰지 않던 부품에는 스칸듐을 사용하지 못한다. 즉 총신과 슬라이드, 노리쇠 같은 강철로만 만든 강해야 하는 부품에는 스칸듐도 소용없다.
4. 여담
여기서부터 전자껍질이 층 순서대로 채워지지 않는다.[4][5][6][7]전이 원소 중 원자 번호가 가장 작은 원소이다.
[1] 우크라이나의 조우티보디(Zhovti Vody)에는 한때 스칸듐 광산이 있어 소련이 붕괴 직전에 MiG-29의 제작에 활용하려 하였지만, 현재는 광산이 침수되어 운영이 사실상 중단되었다고 한다.[2] The Properties and Application of Scandium-Reinforced Aluminum, Ahmad, Z., JOM Feb. 2003[3] 알루미늄 합금은 석출 경화를 통해 강도를 증신시키는데, 이 과정에서 미량 첨가된 스칸듐은 미세한 Al3Sc 결정을 생성하여 알루미늄 결정의 지나친 성장과 알루미늄 결정 내부/결정 간 경계를 지나는 전위(Dislocation)의 이동을 동시에 막는다. 즉, 석출 경화를 통해 얻으려는 모든 효과를 크게 증대시킨다. (Ibid., 37-38.) 다른 합금은 원자 간 거리 문제 혹은 강도 증진 방식의 차이로 인해 스칸듐이 포함되어도 별다른 이득을 보지 못한다.[4] 칼륨은 2-8-8-1이고, 칼슘은 2-8-8-2인데, 스칸듐은 2-8-9-2이다. 이는 헬륨 이후부터의 다전자 원자의 오비탈 준위에 의한 현상인데, 4s 오비탈의 바로 위 단계가 3d 오비탈이다. 4s 오비탈에 2개가 채워지고 3d 오비탈에 1개가 채워진다. 스칸듐부터 아연까지는 원자핵에서 가장 가까운 전자층 기준으로 3번째 층에 9~18까지 채워지고, 갈륨은 최외곽 전자가 2->3이 되고, 저마늄이 4, 비소가 5, 이런 식으로 크립톤이 8이 된다. 5주기 원소들도(루비듐~제논) 이런 식이다.[5] 이 특성으로 인해 모든 2 ~ 12족 원소의 원자가 전자는 2개가 된다. 원자가 전자는 가장 바깥 전자껍질을 기준으로 보기 때문이다.[6] 이것이 중 2 때 스칸듐부터는 안 외우고(물론 Cu, Fe, Ag, As, Sn, Zn, Au, Hg, Pb 등 외워야 하는 것도 있다.) 칼슘까지만 외우는 이유라고 할 수 있다. 사실 스칸듐은 서적에서의 언급 빈도가 매우 낮은 원소라서 일반인들은 거의 들을 일이 없다.[7] 차근차근 알다 보면 금속이 산소와 만나 산화하는 것을 이해할 수 있다. FeO(산화 철), CuO(산화 구리), ZnO(산화 아연), AgO(산화 은), CdO(산화 카드뮴), MnO(산화 망가니즈) 등등의 산화물들을 이런 식으로 정의할 수 있다.