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钪

原子序數為21的化學元素

钪（kàng）（英语：Scandium），是一种化学元素，化学符号为Sc，原子序数为21，原子量为44.955907 u。钪是一种质轻、柔软的银白色过渡金属，常和钇及镧系元素合称为稀土金属。[5]钪是在1879年由拉尔斯·弗雷德里克·尼尔松的团队，在斯堪的纳维亚半岛的黑稀金矿（英语：euxenite）（euxenite）和硅铍钇矿（英语：gadolinite）（gadolinite）中，使用光谱分析发现的，其名称即源于斯堪的纳维亚半岛的拉丁语：scandia。

钪 21Sc
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
－
↑
钪
↓
钇
钙 ← 钪 → 钛
外观
银白色固态金属
概况
名称·符号·序数钪（Scandium）·Sc·21
元素类别过渡金属
族·周期·区3·4·d
标准原子质量44.955907(4)[1]
电子排布[Ar] 3d1 4s2
2，8，9，2
钪的电子层（2，8，9，2）
钪的电子层（2，8，9，2）
历史
预测德米特里·门捷列夫（1871年）
发现拉斯·弗雷德里克·尼尔森（1879年）
分离拉斯·弗雷德里克·尼尔森
物理性质
物态固态
密度（接近室温）
2.985 g·cm−3
熔点1814 K，1541 °C，2906 °F
沸点3109 K，2836 °C，5136 °F
熔化热14.1 kJ·mol−1
汽化热332.7 kJ·mol−1
比热容25.52 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1645 1804 （2006） （2266） （2613） （3101）
原子性质
氧化态+3,+2[2],+1[3],0[4]
（两性）
电离能第一：633.1 kJ·mol−1
第二：1235.0 kJ·mol−1
第三：2388.6 kJ·mol−1
（更多）
原子半径162 pm
共价半径170±7 pm
范德华半径211 pm
钪的原子谱线
杂项
晶体结构六方密堆积
磁序顺磁性
电阻率(α,poly)（预测）（25 ℃）562 n Ω·m
热导率15.8 W·m−1·K−1
热膨胀系数(α,poly)（25 ℃）10.2 µm/(m·K)
杨氏模量74.4 GPa
剪切模量29.1 GPa
体积模量56.6 GPa
泊松比0.279
布氏硬度750 MPa
CAS号7440-20-2
同位素
主条目：钪的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
44Sc 人造 4.0421 小时 β+ 2.631 44Ca
45Sc 100% 稳定，带24粒中子
46Sc 人造 83.757 天 β− 2.366 46Ti

钪是周期表中第四周期的第一个d区过渡元素。钪属于3族，就像其他第三族的元素，钪的主要氧化数为+3。钪化合物的性质介于同族的钇和13族的铝之间，钪的性质和镁之间也存在着对角线关系，就如同铍和铝。

钪存在于大多数稀土矿物和铀化合物矿床中。钪在地壳中并不稀有，其估计丰度与钴相当，然而钪分布非常稀散，在许多矿物中都仅以微量存在，全球只有少数矿场的含钪矿石有提取价值，由于钪不易取得且制备困难，所以直到1937年才首次取得其单质，而它的应用直到1970年代才被研发出来。在1970年代人们发现钪对于铝合金具有增益效果，此应用目前仍是其主要用途，氧化钪的全球贸易量约为每年15~20吨。[6]

性质

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化学性质

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钪是银色的柔软金属，被空气氧化时略带浅黄色或粉红色。钪容易风化，在大多数稀酸中缓慢溶解。它不与硝酸（ ）和氢氟酸（ ）的1:1混合物反应，可能是由于形成了一个不渗透的钝化层。钪粉在空气中点燃，放出明亮的黄色火焰，形成氧化钪。[7]

同位素

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主条目：钪的同位素

钪共有37个同位素，其中只有一种同位素( )是稳定的。25种钪的放射性同位素已获得表征，其中最稳定的是46Sc，半衰期为 83.8天；接着是半衰期3.35天的47Sc；半衰期43.7小时的48Sc；以及会放出正电子的44Sc，它的半衰期为4小时。剩下的放射性同位素的半衰期都小于4小时，大部分都小于2分钟。钪也有五种同核异构体，其中最稳定的是半衰期58.6小时的44m2Sc。[8]

钪已发现的同位素在36Sc 到60Sc之间。比45Sc轻的钪同位素的主要衰变方式为电子捕获成钙的同位素，而比45Sc重的同位素则主要通过β衰变成钛的同位素。[8]

存在

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钪在地球中是第50常见的元素，但在太阳中是第23常见的元素。在地球地壳中，钪并不稀有，是地壳中第35常见的元素，其丰度估计在18至25 ppm之间，和钴（20–30 ppm）相当。[9]然而，钪在地壳中分布极为分散，在许多矿物中都仅以痕量存在。[10]来自斯堪的纳维亚[11]和马达加斯加[12]的稀有矿物如钪钇石（英语：thortveitite）、黑稀金矿（英语：euxenite）和硅铍钇矿是目前唯一已知的高浓度钪元素来源，其中钪钇石可包含高达45%的钪，以氧化钪的形式存在。[11]

稳定的钪是在超新星中通过R-过程产生的。[13]它也可以通过更常见的铁原子核的宇宙射线散裂而生成。

  • 28Si + 17n → 45Sc（R-过程）
  • 56Fe + p → 45Sc + 11C + n（宇宙射线散裂）

化合物

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主条目：钪化合物

钪化学几乎被三价钪离子 Sc3+主宰。M3+ 离子半径在下表中列出，表明钪离子的化学性质与钇离子的共同点多于与铝离子的共同点。部分由于这种相似性，钪通常被归类为类镧系元素。

离子半径 (pm)
Al Sc Y La Lu
53.5 74.5 90.0 103.2 86.1

氧化物和氢氧化物

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钪的氧化物Sc
2O
3和氢氧化物 Sc(OH)
3 都是两性的：[14]

Sc(OH)
3 + 3 OH−
 → [Sc(OH)
6]3−
（钪酸根）
Sc(OH)
3 + 3 H+
 + 3 H
2O → [Sc(H
2O)
6]3+

α- 和γ-ScOOH 的结构类似碱式氧化铝。[15]Sc3+
 的水溶液由于水解呈酸性。

卤化物

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钪的卤化物 ScX
3在 X= Cl、Br或I时，它们极易溶于水，但ScF
3不溶于水。在这四种卤化物中，钪都是六配位的。这些卤化物都是路易斯酸：举个例子，ScF
3 在有过量氟离子的溶液里会形成 [ScF
6]3−。

有机钪化合物

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主条目：有机钪化合物

钪与环戊二烯基配体 (Cp) 形成一系列有机金属化合物，这类似于镧系元素。一个例子是含氯桥键的 [ScCp
2Cl]
2，以及相关的五甲基环戊二烯基配合物。[16]

不寻常氧化态

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除+3以外的氧化态的钪化合物很少见，但已得到很好的表征。蓝黑色的 CsScCl
3 是其中最简单的。它的材料采用片状结构，在钪(II)中心之间表现出广泛的结合。[17] 氢化钪的性质不太清楚，尽管它似乎不是Sc(II)的氢化物。[2]正如对大多数元素所观察到的那样，双原子的一氢化钪已在高温气相下通过光谱观察到。[3] 钪的硼化物和碳化物是非整比化合物，这是它的相邻元素的典型特征。[18]

在有机钪化合物中也观察到较低的氧化态 (+2、+1、0)。[19][20][21][22]

历史

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1869年，门捷列夫曾预测一种称为“类硼”的未发现元素。1879年拉斯·弗雷德里克·尼尔森和他的团队从黑稀金矿（euxenite）和硅铍钇矿（gadolinite）中通过光谱分析发现这个新的元素。尼尔森制备了2克的高纯度氧化钪。[23][24]他把这新元素命名为“Scandium”，源自拉丁文“Scandia”（斯堪的纳维亚半岛）。1937年，钪单质首次从钾、锂和氯化钪的共晶混合物于700–800 °C电解出来。[25]

生产

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全球产量约每年15吨（三氧化二钪化合物），需求比供应量高50%。每年供需均在增长。

价格

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根据美国地质调查局的报告显示，从2015年至2019年的美国，少量钪锭的价格为每克107至134美元，而氧化钪的价格为每克4至5美元。[26]

应用

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米格-29部分由钪铝合金制成。[27]

钪用来制特种玻璃、轻质耐高温合金。

金属卤化物灯，寿命长，消耗电力少，用作运动场照明灯和高级车的车灯。

健康与安全

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钪元素被认为无毒，尽管人们尚未对钪化合物进行广泛的动物试验。[28]氯化钪的半数致死量已被确定为4克/千克（口服）和755毫克/千克（腹腔注射（英语：Intraperitoneal injection））。[29]从这些结果看来，钪化合物应处理为中度毒性化合物。

参见

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参考文献

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  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英语）. 
  2. ^ 2.0 2.1 McGuire, Joseph C.; Kempter, Charles P. Preparation and Properties of Scandium Dihydride. Journal of Chemical Physics. 1960, 33: 1584–1585. doi:10.1063/1.1731452. 
  3. ^ 3.0 3.1 Smith, R. E. Diatomic Hydride and Deuteride Spectra of the Second Row Transition Metals. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1973, 332 (1588): 113–127. doi:10.1098/rspa.1973.0015. 
  4. ^ F. Geoffrey N. Cloke; Karl Khan & Robin N. Perutz. η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II). J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, (19): 1372–1373. doi:10.1039/C39910001372. 
  5. ^ IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
  6. ^ Mineral Commodity Summaries 2020 (PDF). US Geological Survey Mineral Commodities Summary 2020. US Geological Survey. [10 February 2020]. （原始内容存档 (PDF)于2021-05-09）. 
  7. ^ "Scandium （页面存档备份，存于互联网档案馆）." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
  8. ^ 8.0 8.1 Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik. The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties. Nuclear Physics A. 2003, 729 (1): 3–128 [2021-10-02]. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. CiteSeerX 10.1.1.692.8504  . doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. （原始内容存档于2021-11-04）. 
  9. ^ Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics . Boca Raton: CRC Press. 2004: 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9. 
  10. ^ Bernhard, F. Scandium mineralization associated with hydrothermal lazurite-quartz veins in the Lower Austroalpie Grobgneis complex, East Alps, Austria. Mineral Deposits in the Beginning of the 21st Century. Lisse: Balkema. 2001. ISBN 978-90-265-1846-1. 
  11. ^ 11.0 11.1 Kristiansen, Roy. Scandium – Mineraler I Norge (PDF). Stein. 2003: 14–23 [2021-10-02]. （原始内容存档 (PDF)于2021-02-28） （挪威语）. 
  12. ^ von Knorring, O.; Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa. Geological Journal. 1987, 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619. 
  13. ^ Cameron, A.G.W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis (PDF). CRL-41. June 1957 [2021-10-02]. （原始内容存档 (PDF)于2021-08-19）. 
  14. ^ Cotton, Simon. Lanthanide and actinide chemistry. John Wiley and Sons. 2006: 108– [2011-06-23]. ISBN 978-0-470-01006-8. （原始内容存档于2021-08-21）. 
  15. ^ Christensen, A. Nørlund; Stig Jorgo Jensen. Hydrothermal Preparation of α-ScOOH and of γ-ScOOH. Crystal Structure of α-ScOOH. Acta Chemica Scandinavica. 1967, 21: 1121–126. doi:10.3891/acta.chem.scand.21-0121  . 
  16. ^ Shapiro, Pamela J.; et al. Model Ziegler-Natta α-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η5−C
    5    Me
    4    )SiMe
    2    (η1−NCMe
    3    )}(PMe
    3    )Sc(μ2−H)]
    2     and [{(η5−C
    5    Me
    4    )SiMe
    2    (η1−NCMe
    3    )}Sc(μ1−CH
    2    CH
    2    CH
    3    )]
    2    . Synthesis, Structures and Kinetic and Equilibrium Investigations of the Catalytically active Species in Solution. Journal of the American Chemical Society. 1994, 116 (11): 4623. doi:10.1021/ja00090a011.     
  17. ^ Corbett, J. D. Extended metal-metal bonding in halides of the early transition metals. Accounts of Chemical Research. 1981, 14 (8): 239–246. doi:10.1021/ar00068a003. 
  18. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  19. ^ Polly L. Arnold; F. Geoffrey; N. Cloke; Peter B. Hitchcock & John F. Nixon. 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. Journal of the American Chemical Society. 1996, 118 (32): 7630–7631. doi:10.1021/ja961253o. 
  20. ^ F. Geoffrey N. Cloke; Karl Khan & Robin N. Perutz. η-Arene complexes of scandium(0) and scandium(II). Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 1991, (19): 1372–1373. doi:10.1039/C39910001372. 
  21. ^ Ana Mirela Neculai; Dante Neculai; Herbert W. Roesky; Jörg Magull; Marc Baldus; et al. Stabilization of a Diamagnetic ScIBr Molecule in a Sandwich-Like Structure. Organometallics. 2002, 21 (13): 2590–2592. doi:10.1021/om020090b. 
  22. ^ Polly L. Arnold; F. Geoffrey; N. Cloke & John F. Nixon. The first stable scandocene: synthesis and characterisation of bis(η-2,4,5-tri-tert-butyl-1,3-diphosphacyclopentadienyl)scandium(II). Chemical Communications. 1998, (7): 797–798. doi:10.1039/A800089A. 
  23. ^ Nilson, Lars Fredrik. Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac. Comptes Rendus. 1879, 88: 642–647 [2019-06-26]. （原始内容存档于2021-04-28） （法语）. 
  24. ^ Nilson, Lars Fredrik. Ueber Scandium, ein neues Erdmetall. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1879, 12 (1): 554–557. doi:10.1002/cber.187901201157 （德语）. 
  25. ^ Fischer, Werner; Brünger, Karl; Grieneisen, Hans. Über das metallische Scandium. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1937, 231 (1–2): 54–62. doi:10.1002/zaac.19372310107 （德语）. 
  26. ^ Mineral Commodity Summaries. USGS. [2020-09-13]. （原始内容存档于2018-06-29）. 
  27. ^ Ahmad, Zaki. The properties and application of scandium-reinforced aluminum. JOM. 2003, 55 (2): 35. Bibcode:2003JOM....55b..35A. doi:10.1007/s11837-003-0224-6. 
  28. ^ Horovitz, Chaim T.; Birmingham, Scott D. Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer. 1999 [2021-10-02]. ISBN 978-0-306-45657-2. （原始内容存档于2022-01-02）. 
  29. ^ Haley, Thomas J.; Komesu, L.; Mavis, N.; Cawthorne, J.; Upham, H. C. Pharmacology and toxicology of scandium chloride. Journal of Pharmaceutical Sciences. 1962, 51 (11): 1043–5. PMID 13952089. doi:10.1002/jps.2600511107. 

外部链接

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