钪(Sc)

在元素化学里,有一系列
性质非常接近的金属元素被称为稀土元素。这一系列中包括了十五个镧系元素--镧(La)
(Ce)、(Pr)、(Nd)、(Pm)、(Sm)、(Eu)、(Gd)、(Tb)、(Dy)、
(Ho)、(Er)、(Tm)、(Yb)、(Lu);以及和这些同族而性质相似的两个更轻的元素
:钪(Sc)和(Y)。这一系列元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的,\"土\"
是当时对不溶于水的金属化物的统称,因此得名稀土(Rare earth)。在这十七个元素
里面,钪的排位是最靠前的,原子序数只有21,不过就发现而言,钪比他在元素周期表上
面的左邻右舍都要晚了差不多上百年,即使在稀土里面,钪的发现也不是较早的,排列在
钇、铈、镧、铒、铽和镱后面,名列第七。作为最轻的先锋官,他的出场委实晚了一些。
原因很简单,钪在地壳里的含量并不高,只有5*10-6,也就相当于每一吨地壳物质里面有
5克(一小块德芙巧克力或者大白兔奶糖),不但和其他轻元素相比要低不少,在整个稀
土元素中含量也仅属中等,大概只有他最富裕的兄弟铈的1/10。另外呢,稀土元素感觉很
有点集体领导的意思,他们的矿藏仿佛是在开政治局会议一样,只要一开会,这一伙元素
就往往要全部列席会议,这样一来,想从混生的矿藏中找到我们的钪,其实并不容易。
不过虽然一直没被发现,这个元素的存在却已经有人作出过预言。在门捷列夫1869年给出
的第一版元素周期表中,就赫然在的后面留有一个原子量45的空位。后来门捷列夫将钙
之后的元素暂时定名为类(Eka-Boron),并给出了这个元素的一些物理化学性质。不
过这个预言就像放在漂流瓶中的信笺一样,暂时被汪洋的学术大海静静湮没了。
门捷列夫的预言没有得到人们的注意,但是在十九世纪晚期,对稀土元素的研究却成为了
一股热潮。在钪发现之前一年,瑞士的马利纳克(de Marignac)从玫瑰红色的铒土中,
通过局部分解硝酸盐的方式,得到了一种不同于铒土的白色氧化物,他将这种氧化物命名
为镱土,这就是稀土元素发现里面的第六名。当时老马手头样品没多少了,就建议手头有
充足铒土的科学家多制备一些镱土,以研究它的性质。当时瑞典乌泼撒拉大学的尼尔森手
头正好有铒土的样品,他就想按照马利纳克的方法将铒土提纯,并精确测量铒和镱的原子
量(因为他这个时候正在专注于精确测量稀土元素的物理与化学常数以期对元素周期律作
出验证)。当他经过13次局部分解之后,得到了3.5g纯净的镱土。但是这时候奇怪的事情
发生了,马利纳克给出的镱的原子量是172.5,而尼尔森得到的则只有167.46。尼尔森敏
锐地意识到这里面有可能是什么轻质的元素鱼目混珠进去,才让这个原子量的测定不再准
斤足两。于是他将得到的镱土又用相同的流程继续处理,最后当只剩下十分之一样品的时
候,测得的原子量更是掉到了134.75;同时光谱中还发现了一些新的吸收线。尼尔森的判
断是正确的,因此也就获得了给孩子起名的权利。他用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给钪命
名为Scandium。1879年,他正式公布了自己的研究结果,在他的论文中,还提到了钪盐和
钪土的很多化学性质。不过在这篇论文中,他没有能给出钪的精确原子量,也还不确定钪
在元素周期中的位置。
尼尔森的好友,也是同在乌泼撒拉大学任教的克利夫也在一起做这个工作。他从铒土出发
,将铒土作为大量组分排除掉,再分出镱土和钪土之后,又从剩余物中找到了钬和铥这两
个新的稀土元素。做为副产物,他提纯了钪土,并进一步了解了钪的物理和化学性质。这
样一来,门捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之后,终于被克利夫捞了起来,他认识到,钪
,就是门捷列夫的类硼。我们来看看钪的一些化学性质和瓶中那张古旧的羊皮纸上写过的
预言是否吻合吧。
Eka-Boron Scandium
原子量 44 45.1(克利夫,1879)
44.955910(IUPAC,现代)
可以形成Eb2O3形式的化合物,其比重3.5,碱性强于氧化,弱于氧化钇和氧化;是否
能与化铵反应还是疑问。钪土Sc2O3,其比重3.86,碱性强于氧化铝,弱于氧
化钇和氧化镁,与氯化铵不反应。
盐类无色,与氧化形成胶体沉淀,各种盐类均难以完好结晶。钪盐无
色,与氢氧化钾和碳酸钠形成胶体沉淀,酸盐极难结晶。
碳酸盐不溶于水,可能形成碱式碳酸盐沉淀。碳酸钪不溶于水,并容易脱掉二氧
化碳。
硫酸复盐可能不形成矾。 钪的硫酸复盐不成矾。
无水氯化物EbCl3挥发性低于氯化铝,比氯化镁更容易水解。 ScCl3升华温度850oC,
AlCl3则为100oC,在水溶液中水解。
Eb不由光谱发现。 Sc不由光谱发现。
在那个不但对于元素的电子层结构一无所知(连电子都是1899年才发现的),甚至还有权
威如杜马这样的化学家对原子论都持怀疑态度。能将一个未发现的元素的性质描述得如此
精准,真是让读者后背泛起一层隐隐的凉意。
钪 门捷列夫 (1834-1907


尼尔森 (1840-1899) 克利夫 (
1840-1905)
2. 光明之子
在被发现后相当长一段时间里,因为难于制得,钪的用途一直没有表现出来。随着对稀土
元素分离方法的日益改进,如今用于提纯钪的化合物,已经有了相当成熟的工艺流程。因
为钪比起钇和镧系元素来,氢氧化物的碱性是最弱的,所以包含了钪的稀土元素混生矿,
经过处理转入溶液后用氨处理时,氢氧化钪将首先析出,故应用\"分级沉淀\"法可比较容易
地把它从稀土元素中分离出来。另一种方法是利用硝酸盐的分极分解进行分离,由于硝酸
钪最容易分解,可以达到分离出钪的目的。另外,在等矿藏中综合回收伴
生的钪也是钪的重要来源之一。
黑稀金矿 独居石

加多林矿 褐帘石

获得了纯净的钪的化合物之后,将其转化为ScCl3,与KCl、LiCl共熔,用熔融的作为阴
极进行电解,使钪就会在锌极上析出,然后将锌蒸去可以得到金属钪。这是一种轻质的
白色金属,化学性质也非常活泼,可以和热水反应生成氢气。所以图片中大家看到的金属
钪被密封在瓶子里,用气加以保护,否则钪会很快生成一个暗黄色或者灰色的氧化层,
失去那种闪亮的金属光泽。
比较有趣的是,钪的用途(作为主要工作物质,而不是用于掺杂的)都集中在很光明的方
向,称他为光明之子也不为过。
钪的第一件法宝叫做钪钠灯,可以用来给千家万户带来光明。这是一种金属卤化物电光源
:在灯泡中充入化钠和碘化钪,同时加入钪和钠箔,在高压放电时,钪离子和钠离子分
别发出他们的特征发射波长的光,钠的谱线为589.0和589.6nm两条著名的黄色光线,而钪
的谱线为361.3~424.7nm的一系列近紫外和蓝色光发射,因为互为补色,产生的总体光色
就是白色光。正是由于钪钠灯具有发光效率高、光色好、节电、使用寿命长和破雾能力强
等特点,使其可广泛用于电视摄像和广场、体育馆、马路照明, 被称为第三代光源。在中
国这种灯还是作为新技术被逐渐推广的,而在一些发达国家,这种灯早在80年代初就被广
泛使用了。钪的第二件法宝是太阳能光电池,可以将撒落地面的光明收集起来,变成推动
人类社会的电力。在金属-绝缘体-半导体光电池和太阳能电池中,钪是最好的阻挡金属
。他的第三件法宝叫做γ射线源,这个法宝自己就能大放光明,不过这种光亮我们肉眼接
收不到,是高能的光子流。我们平常从矿物中提炼出来的是45Sc,这是钪的唯一一种天然
同位素,每一个45Sc的原子核中有21个质子和24个中子。倘若我们像把猴子放到太上老君
的炼丹炉中炼上七七四十九天一样将钪放在核反应堆中,让他吸收中子辐射,原子核中多
一个中子的46Sc就诞生了。46Sc这种人工放射性同位素可以当作γ射线源或者示踪原子,
还可以用来对恶性肿瘤进行放射治疗。还有像钇钪石榴石激光器,化钪玻璃红外光导
纤维,电视机上钪涂层的阴极射线管之类的用途简直不知凡几,看来钪生来就和光明有缘
呢。
3. 神奇的调料
上面说了钪的一些应用,不过,因为价格高昂,考虑到成本在工业产品里很少会用到很大
数量钪和钪的化合物,都是像灯泡里那样薄薄的一层钪箔之类的用法。而在更多一些领域
,钪和钪的化合物更是被作为神奇的调料使用,好像大厨手中的盐、糖或味精,只需要一
星半点,就有画龙点睛的作用。
在无机化学里,掺杂是一个非常重要的手段。在一个作为基体的晶体结构中掺入少量的其
他化合物,因为被掺杂物质在化学性质上和原有基体的不同,晶格结构会出现各种各样的
变化和缺陷,从而或者提升原有基体的性质,或者增添原来不具有的活性。比如大家最耳
熟能详的P型和N型半导体原料,就是分别在导通能力很差的单晶硅里面,添加了因为缺少
价电子导致空穴的硼,和因为富余价电子而产生自由电子的获得的。我们的钪也是一个
重要的掺杂原料,很多材料就是因为掺入了钪获得了意料之外的性质。
单质形式的钪,已经被大量应用于铝合金的掺杂。在铝中只要加入千分之几的钪就会生成
Al3Sc新相,对铝合金起变质作用,使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2%~0.4%的
Sc(这个比例也真的和家里炒菜放盐的比例差不多,只需要那么一点)可使合金的再结晶
温度提高150~200oC,且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高,并
可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金
、新型高温铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等,在航天、航空、舰船、核反应堆以及
轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。钪也是的优良改化剂,少量钪可
显著提高铸铁的强度和硬度。另外,钪还可用作高温钨和合金的添加剂。当然,除了为
他人做嫁衣裳之外,因为钪具有较高熔点,而其密度却和铝接近,也被应用在钪合金和
镁合金这样的高熔点轻质合金上,但是这样的稀罕东西恐怕只有航天飞机和火箭上才舍
得用了,要是拿来做自行车架子,这个价值摆出去恐怕一天能被偷上二三十次。
单质的钪一般应用于合金,而钪的氧化物也是物以类聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作
用。像可以用作固体氧化物燃料电池电极材料的四方相氧化陶瓷材料有一种很特别的性
质,在这种电解质的电导会随着温度和环境中氧的浓度增高而增大。但是这种陶瓷材料的
晶体结构本身不能稳定存在,不具有工业价值;必须要在其中掺杂一些能够将这种结构固
定下来的物质才能够保持原有的性质。掺入6-10%的氧化钪就好像混凝土结构一样,让氧
化锆能够稳定在四方形的晶格上。还有像给高强度,耐高温的工程陶瓷材料化硅做增密
剂和稳定剂。氧化钪作为增密剂,可以在细小颗粒的边缘生成难熔相Sc2Si2O7,从而减小
工程陶瓷的高温变形性,与添加其它氧化物相比能更好改善氮化硅的高温机械性能。在高
温反应堆核燃料中UO2加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8转化发生的晶格转变、体积增大
和出现裂纹。
在有机化学上钪也并非默默无闻,不过在有机反应里面钪的作用虽然同样是一种调料,却
和在无机材料里面用于掺杂不同,而是被作为催化剂使用。Sc2O3可用于乙醇或异丙醇脱
水和脱氧、乙酸分解,由CO和H2制乙烯等等中。含Sc2O3的Pt-Al催化剂更是在石油化工中
作为重油氢化提净,精炼流程的重要催化剂。而在诸如异丙苯催化裂化反应中,Sc-Y沸石
催化剂比硅酸铝的活性大1000倍;和一些传统的催化剂比起来,钪催化剂的发展前景将是
很光明的。
从尼尔森注意到原子量数据的亏欠到今天,钪进入人们的视野不过一百年二十多年,却差
不多坐了一百年的冷板凳,直到上个世纪后期材料科学的蓬勃发展才给他带来了生机。到
今天,连同钪在内的稀土元素都已经成为了材料科学中炙手可热的明星,在成千上万的体
系中发挥着千变万化的作用,每天都在给我们的生活带来多一点的便利,创造的经济价值
更是难以计量。按阴阳五行的说法,土生金,其信然乎?
附录:钪的性质(转载自维基百科http://zh.wikipedia.org/,希望大家有时间去浏览一
下这个网站,并在您闲暇之时积极参与到这个科学的公益事业中,谢谢!)
钪的特性
钙 - 钪 - 钛




元素周期表

总体特性
名称, 符号, 序号
钪、Sc、21
系列 过渡金属
族, 周期, 元素分区
3族, 4, d
密度、硬度
2985kg/m3、无数据
颜色和外表
银白色

地壳含量
5×10-4 %
原子属性
原子量
44.955910 原子量单位
原子半径(计算值)
160(184)pm
共价半径
144 pm
范德华半径
无数据
价电子排布
[氩]3d14s2

晶体结构:晶胞为六方晶胞。

电子在每能级的排布
2,8,9,2
氧化价(氧化物)
3(弱碱性)
晶体结构
六角形
物理属性
物质状态
固态
熔点
1814 K(1541 °C)
沸点
3103 K(2830 °C)
摩尔体积
15.00×10-6m3/mol
汽化热
314.2 kJ/mol
熔化热
14.1 kJ/mol
蒸气压
22.1 帕(1812K)
声速
无数据(293.15K)
其他性质
电负性
1.36(鲍林标度)
比热
568 J/(kg·K)
电导率
1.77×106/(米欧姆)
热导率
15.8 W/(m·K)
第一电离能
633.1 kJ/mol
第二电离能 1235.0 kJ/mol
第三电离能 2388.6 kJ/mol
第四电离能 7090.6 kJ/mol
第五电离能 8843 kJ/mol
第六电离能 10679 kJ/mol
第七电离能 13310 kJ/mol
第八电离能 15250 kJ/mol
第九电离能 17370 kJ/mol
第十电离能 21726 kJ/mol
最稳定的同位素
同位素
丰度
半衰期
衰变模式
衰变能量
MeV
衰变产物
45Sc 100 % 稳定
46Sc 人造
83.79天 β衰变
2.367 46Ti
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