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钪

原子序數為21的化學元素

鈧（kàng）（英語：Scandium），是一種化學元素，化學符號为Sc，原子序數为21，原子量為44.955907 u。鈧是一種質輕、柔軟的銀白色過渡金屬，常和釔及鑭系元素合稱為稀土金屬。[5]鈧是在1879年由拉爾斯·弗雷德里克·尼爾松的團隊，在斯堪地那維亞半島的黑稀金礦（英语：euxenite）（euxenite）和矽鈹釔礦（英语：gadolinite）（gadolinite）中，使用光譜分析發現的，其名稱即源于斯堪地那維亞半島的拉丁語：scandia。

钪 21Sc
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
－
↑
钪
↓
钇
钙 ← 钪 → 钛
外觀
银白色固态金属
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概況
名稱·符號·序數钪（Scandium）·Sc·21
元素類別过渡金属
族·週期·區3·4·d
標準原子質量44.955907(4)[1]
电子排布[Ar] 3d1 4s2
2，8，9，2
钪的电子層（2，8，9，2）
钪的电子層（2，8，9，2）
歷史
預測德米特里·门捷列夫（1871年）
發現拉斯·弗雷德里克·尼尔森（1879年）
分離拉斯·弗雷德里克·尼尔森
物理性質
物態固态
密度（接近室温）
2.985 g·cm−3
熔点1814 K，1541 °C，2906 °F
沸點3109 K，2836 °C，5136 °F
熔化热14.1 kJ·mol−1
汽化热332.7 kJ·mol−1
比熱容25.52 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1645 1804 （2006） （2266） （2613） （3101）
原子性質
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
雜項
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
熱導率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） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
44Sc 人造 4.0421 小时 β+ 2.631 44Ca
45Sc 100% 穩定，帶24粒中子
46Sc 人造 83.757 天 β− 2.366 46Ti

鈧是週期表中第四週期的第一個d區過渡元素。鈧屬於3族，就像其他第三族的元素，鈧的主要氧化數為+3。鈧化合物的性質介於同族的釔和13族的鋁之間，鈧的性質和鎂之間也存在著對角線關係，就如同鈹和鋁。

鈧存在於大多數稀土礦物和鈾化合物礦床中。鈧在地殼中並不稀有，其估計豐度與鈷相當，然而鈧分布非常稀散，在許多礦物中都僅以微量存在，全球只有少數礦場的含鈧礦石有提取價值，由於鈧不易取得且製備困難，所以直到1937年才首次取得其單質，而它的應用直到1970年代才被研發出來。在1970年代人們發現鈧對於鋁合金具有增益效果，此應用目前仍是其主要用途，氧化鈧的全球貿易量約為每年15~20噸。[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

鈧共有37個同位素，其中只有一种同位素( )是穩定的。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，其丰度估計在18至25 ppm之间，和钴（20–30 ppm）相當。[9]然而，钪在地壳中分布极为分散，在许多矿物中都僅以痕量存在。[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濃度钪元素来源，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克的高纯度氧化鈧。[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。

價格

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根據美國地質調查局的報告顯示，從2015年至2019年的美國，少量鈧錠的價格為每克107至134美元，而氧化鈧的價格為每克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。

金屬鹵化物燈，壽命長，消耗電力少，用作運動場照明燈和高級車的車燈。

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）. 
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    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
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外部連結

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