鈧(化學元素):理化性質,物理性質,化學性質,化合物,發現簡史,發現歷程,相關人物

鈧是一種化學元素，元素符號是Sc，原子序數是21，是一種柔軟、銀白色的過渡金屬，熔點1541℃，沸點2831℃。易溶於水，可與熱水作用，在空氣中容易變暗，主要化合價為+3價。常跟釓、鉺等混合存在，產量很少，在地殼中的含量約為0.0005%。鈧常用來制特種玻璃、輕質耐高溫合金。

基本介紹

中文名：鈧
外文名：scandium
化學符號：Sc
相對原子質量：44.955912
CAS號：7440-20-2
發現者：尼爾森和克萊夫
管制類型：不受管制
同位素數量：37
元素類型：過渡金屬

理化性質,物理性質,化學性質,化合物,發現簡史,發現歷程,相關人物,提取保存,同位素,套用領域,照明行業,合金工業,陶瓷材料,催化化學,核能工業,燃料電池,農業育種,人體危害,

理化性質

物理性質

熔點：1814 K（1541 °C）

沸點：3103 K（2830 °C）

密度：

性狀：一種柔軟、銀白色的金屬

摩爾體積：

汽化熱：314.2 kJ/mol

熔化熱：14.1 kJ/mol

蒸汽壓：22.1 Pa（1812K）

聲速：無數據（293.15K）

電負性：1.36（鮑林標度）

比熱容：568 J/(kg·K)

電導率：

熱導率：15.8 W/(m·K)

化學性質

元素名稱：鈧

英文名：Scandium

元素符號：Sc

原子序數：21

元素系類：過渡金屬

CAS號：7440-20-2

地殼含量：

相對原子質量：44.955912(6)

原子半徑：160（184）pm

共價半徑：144pm

價電子排布：

電子在每能級的排布：2,8,9,2

常見化合價：+3（弱鹼性）

晶體結構：六方密排晶格

電離性質	電離能
第一電離能	633.1 kJ/mol
第二電離能	1235.0 kJ/mol
第三電離能	2388.6 kJ/mol
第四電離能	7090.6 kJ/mol
第五電離能	8843 kJ/mol
第六電離能	10679 kJ/mol
第七電離能	13310 kJ/mol
第八電離能	15250 kJ/mol
第九電離能	17370 kJ/mol
第十電離能	21726 kJ/mol

化合物

鈧被空氣氧化時略帶淺黃色或粉紅色，容易風化並在大多數稀酸中緩慢溶解。但是在強酸中表面易形成一個不滲透的鈍化層，因此它不與硝酸（HNO3）和氫氟酸（HF）1:1混合物反應。

鈧土Sc₂O₃，其比重3.86，鹼性強於氧化鋁，弱於氧化釔和氧化鎂，與氯化銨不反應。

鹽類無色，與氫氧化鉀和碳酸鈉形成膠體沉澱，各種鹽類均難以完好結晶。鈧鹽無色，與氫氧化鉀和碳酸鈉形成膠體沉澱，硫酸鹽極難結晶。

碳酸鹽不溶於水，可能形成鹼式碳酸鹽沉澱。碳酸鈧不溶於水，並容易脫掉二氧化碳。

硫酸復鹽可能不形成礬。鈧的硫酸復鹽不成礬。

無水氯化物ScCl₃揮發性低於氯化鋁，比氯化鎂更容易水解。 ScCl₃升華溫度850℃，AlCl₃則為100℃，在水溶液中水解。

發現簡史

鈧是排位最靠前的過渡金屬，原子序數只有21，不過就發現而言，鈧比他在元素周期表上面的左鄰右舍都要晚，即使在稀土裡面，鈧的發現也不是較早的，其發現較晚的原因很簡單，含量低，鈧在地殼里的含量只有

，也就相當於每一噸地殼物質裡面有5克，比其他輕元素相比要低不少。另外呢，稀土元素分離非常困難，這樣一來，想從混生的礦藏中找到鈧，其實並不容易。不過雖然一直沒被發現，這個元素的存在卻已經有人作出過預言。在門捷列夫1869年給出的第一版元素周期表中，就赫然在鈣的後面留有一個原子量45的空位。後來門捷列夫將鈣之後的元素暫時命名為類硼（Eka-Boron），並給出了這個元素的一些物理化學性質。

發現歷程

十九世紀晚期，對稀土元素的研究成為一股熱潮。在鈧發現之前一年，瑞士的馬利納克（de Marignac）從玫瑰紅色的鉺土中，通過局部分解硝酸鹽的方式，得到了一種不同於鉺土的白色氧化物，他將這種氧化物命名為鐿土，這就是稀土元素髮現裡面的第六名。瑞典烏普薩拉大學的尼爾森（L.F.Nilson,1840~1899）按照馬利納克的方法將鉺土提純，並精確測量鉺和鐿的原子量（因為他這個時候正在專注於精確測量稀土元素的物理與化學常數以期對元素周期律作出驗證）。當他經過13次局部分解之後，得到了3.5g純淨的鐿土。但是這時候奇怪的事情發生了，馬利納克給出的鐿的原子量是172.5，而尼爾森得到的則只有167.46。尼爾森敏銳地意識到這裡面有可能是什麼輕質的元素。於是他將得到的鐿土又用相同的流程繼續處理，最後當只剩下十分之一樣品的時候，測得的原子量更是掉到了134.75；同時光譜中還發現了一些新的吸收線。尼爾森用他的故鄉斯堪的納維亞半島給鈧命名為Scandium。1879年，他正式公布了自己的研究結果，在他的論文中，還提到了鈧鹽和鈧土的很多化學性質。不過在這篇論文中，他沒有能給出鈧的精確原子量，也還不確定鈧在元素周期中的位置。

尼爾森的好友，也是同在烏普薩拉大學任教的克利夫（P.T.Cleve,1840~1905）也在一起做這個工作。他從鉺土出發，將鉺土作為大量組分排除掉，再分出鐿土和鈧土之後，又從剩餘物中找到了鈥和銩這兩個新的稀土元素。做為副產物，他提純了鈧土，並進一步了解了鈧的物理和化學性質。這樣一來，門捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之後，終於被克利夫撈了起來。

鈧就是門捷列夫當初所預言的"類硼"元素。他們的發現再次證明了元素周期律的正確性和門捷列夫的遠見卓識。

而鈧金屬在1937年才由電解熔化的氯化鈧生產出來。

提取保存

在被發現後相當長一段時間裡，因為難於製得，鈧的用途一直沒有表現出來。隨著對稀土元素分離方法的日益改進，如今用於提純鈧的化合物，已經有了相當成熟的工藝流程。因為鈧比起釔和鑭系元素來，氫氧化物的鹼性是最弱的，所以包含了鈧的稀土元素混生礦，經過處理轉入溶液後用氨處理時，氫氧化鈧將首先析出，故套用"分級沉澱"法可比較容易地把它從稀土元素中分離出來。另一種方法是利用硝酸鹽的“分級分解”進行分離，由於硝酸鈧最容易分解，可以達到分離出鈧的目的。另外，在鈾、釷、鎢、錫等礦藏中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來源之一。

獲得了純淨的鈧的化合物之後，將其轉化為ScCl₃，與KCl、LiCl共熔，用熔融的鋅作為陰極進行電解，使鈧就會在鋅極上析出，然後將鋅蒸去可以得到金屬鈧。

鈧是一種輕質的銀白色金屬，化學性質也非常活潑，可以和熱水反應生成氫氣。所以圖片中大家看到的金屬鈧被密封在瓶子裡，用氬氣加以保護，否則鈧會很快生成一個暗黃色或者灰色的氧化層，失去那種閃亮的金屬光澤。

同位素

鈧(原子質量單位:44.955912(6) )的一個特徵是同位素較多，共有37個同位素，其中只有1個同位素(⁴⁷Sc)在大自然中是穩定存在的。

符號	質子	中子	質量	半衰期	核自旋
36Sc	21	15	36.01492(54)#
37Sc	21	16	37.00305(32)#		7/2-#
38Sc	21	17	37.99470(32)#	<300 ns	(2-)#
39Sc	21	18	38.984790(26)	<300 ns	(7/2-)#
40Sc	21	19	39.977967(3)	182.3(7) ms	4-
41Sc	21	20	40.96925113(24)	596.3(17) ms	7/2-
42Sc	21	21	41.96551643(29)	681.3(7) ms	0+
43Sc	21	22	42.9611507(20)	3.891(12) h	7/2-
44Sc	21	23	43.9594028(19)	3.97(4) h	2+
45Sc	21	24	44.9559119(9)	穩定	7/2-
46Sc	21	25	45.9551719(9)	83.79(4) d	4+
47Sc	21	26	46.9524075(22)	3.3492(6) d	7/2-
48Sc	21	27	47.952231(6)	43.67(9) h	6+
49Sc	21	28	48.950024(4)	57.2(2) min	7/2-
50Sc	21	29	49.952188(17)	102.5(5) s	5+
51Sc	21	30	50.953603(22)	12.4(1) s	(7/2)-
52Sc	21	31	51.95668(21)	8.2(2) s	3(+)
53Sc	21	32	52.95961(32)#	>3 s	(7/2-)#
54Sc	21	33	53.96326(40)	260(30) ms	3+#
55Sc	21	34	54.96824(79)	0.115(15) s	7/2-#
56Sc	21	35	55.97287(75)#	35(5) ms	(1+)
57Sc	21	36	56.97779(75)#	13(4) ms	7/2-#
58Sc	21	37	57.98371(86)#	12(5) ms	(3+)#
59Sc	21	38	58.98922(97)#	10# ms	7/2-#
60Sc	21	39	59.99571(97)#	3# ms	3+#

備註:畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括弧括起來的代表數據不確定性。

套用領域

照明行業

比較有趣的是，鈧的用途（作為主要工作物質，而不是用於摻雜的）都集中在很光明的方向，稱他為光明之子也不為過。

鈧的第一件法寶叫做鈧鈉燈，可以用來給千家萬戶帶來光明。這是一種金屬鹵化物電光源：在燈泡中充入碘化鈉和碘化鈧，同時加入鈧和鈉箔，在高壓放電時，鈧離子和鈉離子分別發出他們的特徵發射波長的光，鈉的譜線為589.0和589.6nm兩條著名的黃色光線，而鈧的譜線為361.3~424.7nm的一系列近紫外和藍色光發射，因為互為補色，產生的總體光色就是白色光。正是由於鈧鈉燈具有發光效率高、光色好、節電、使用壽命長和破霧能力強等特點，使其可廣泛用於電視攝像和廣場、體育館、馬路照明，被稱為第三代光源。在中國這種燈還是作為新技術被逐漸推廣的，而在一些已開發國家，這種燈早在80年代初就被廣泛使用了。

鈧的第二件法寶是太陽能光電池，可以將撒落地面的光明收集起來，變成推動人類社會的電力。在金屬-絕緣體-半導體矽光電池和太陽能電池中，鈧是最好的阻擋金屬。

他的第三件法寶叫做γ射線源，這個法寶自己就能大放光明，不過這種光亮我們肉眼接收不到，是高能的光子流。我們平常從礦物中提煉出來的是45Sc，這是鈧的唯一一種天然同位素，每一個45Sc的原子核中有21個質子和24個中子。倘若我們像把猴子放到太上老君的煉丹爐中煉上七七四十九天一樣將鈧放在核反應堆中，讓他吸收中子輻射，原子核中多一個中子的46Sc就誕生了。46Sc這種人工放射性同位素可以當作γ射線源或者示蹤原子，還可以用來對惡性腫瘤進行放射治療。還有像釔鎵鈧石榴石雷射器，氟化鈧玻璃紅外光導纖維，電視機上鈧塗層的陰極射線管之類的用途簡直不知凡幾，看來鈧生來就和光明有緣呢。

合金工業

單質形式的鈧，已經被大量套用於鋁合金的摻雜。在鋁中只要加入千分之幾的鈧就會生成Al3Sc新相，對鋁合金起變質作用，使合金的結構和性能發生明顯變化。加入0.2%~0.4%的Sc（這個比例也真的和家裡炒菜放鹽的比例差不多，只需要那么一點）可使合金的再結晶溫度提高150~200℃，且高溫強度、結構穩定性、焊接性能和抗腐蝕性能均明顯提高，並可避免高溫下長期工作時易產生的脆化現象。高強高韌鋁合金、新型高強耐蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強度抗中子輻照用鋁合金等，在航天、航空、艦船、核反應堆以及輕型汽車和高速列車等方面具有非常誘人的開發前景。

鈧也是鐵的優良改化劑，少量鈧可顯著提高鑄鐵的強度和硬度。另外，鈧還可用作高溫鎢和鉻合金的添加劑。當然，除了為他人做嫁衣裳之外，因為鈧具有較高熔點，而其密度卻和鋁接近，也被套用在鈧鈦合金和鈧鎂合金這樣的高熔點輕質合金上，但是因為價格昂貴，一般只有太空梭和火箭等高端製造業才會使用。

陶瓷材料

單質的鈧一般套用於合金，而鈧的氧化物也是物以類聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作用。像可以用作固體氧化物燃料電池電極材料的四方相氧化鋯陶瓷材料有一種很特別的性質，在這種電解質的電導會隨著溫度和環境中氧的濃度增高而增大。但是這種陶瓷材料的晶體結構本身不能穩定存在，不具有工業價值；必須要在其中摻雜一些能夠將這種結構固定下來的物質才能夠保持原有的性質。摻入6~10%的氧化鈧就好像混凝土結構一樣，讓氧化鋯能夠穩定在四方形的晶格上。

還有像高強度，耐高溫的工程陶瓷材料氮化矽做增密劑和穩定劑。

氧化鈧作為增密劑，可以在細小顆粒的邊緣生成難熔相Sc₂Si₂O₇，從而減小工程陶瓷的高溫變形性，與添加其它氧化物相比能更好改善氮化矽的高溫機械性能。

催化化學

在化學化工中，鈧常被作為催化劑使用，Sc2O3可用於乙醇或異丙醇脫水和脫氧、乙酸分解，由CO和H2制乙烯等等中。含Sc2O3的Pt-Al催化劑更是在石油化工中作為重油氫化提淨，精煉流程的重要催化劑。而在諸如異丙苯催化裂化反應中，Sc-Y沸石催化劑比矽酸鋁的活性大1000倍；和一些傳統的催化劑比起來，鈧催化劑的發展前景將是很光明的。

核能工業

在高溫反應堆核燃料中UO2加入少量Sc₂O₃可避免因UO₂向U₃O₈轉化發生的晶格轉變、體積增大和出現裂紋。

燃料電池

同樣，在鎳鹼電池中加入2.5%~25%的鈧，會增加使用壽命。

農業育種

在農業上可以對玉米甜菜豌豆小麥向日葵等種子做硫酸鈧（濃度一般為10-3~10-8mol/L 不同的植物會有所不同）處理，已取得促進發芽的實際效果，8小時後根和芽的乾燥重量和幼苗相比，分別增加37%和78%，但原因機理尚在研究中。

從尼爾森注意到原子量數據的虧欠到今天，鈧進入人們的視野不過一百年二十多年，卻差不多坐了一百年的冷板凳，直到上個世紀後期材料科學的蓬勃發展才給他帶來了生機。到今天，連同鈧在內的稀土元素都已經成為了材料科學中炙手可熱的明星，在成千上萬的體系中發揮著千變萬化的作用，每天都在給我們的生活帶來多一點的便利，創造的經濟價值更是難以計量。

人體危害

鈧單質被認為是無毒。鈧化合物的動物試驗已經完成，氯化鈧的半數致死量已被確定為4毫克/公斤腹腔和755毫克/千克口服給藥。從這些結果看來鈧化合物應處理為中度毒性化合物。

鈧(化學元素)