钪

化學物質
钪是一種化學元素,元素符号是Sc,原子序數是21。單質是一種柔軟、銀白色的過渡金屬,常跟钆、铒等混合存在,産量很少,在地殼中的含量約為0.0005%。钪常用來制特種玻璃、輕質耐高溫合金。
  • 中文名:钪
  • 外文名:scandium
  • 别名:
  • 化學式:Sc
  • 分子量:
  • CAS登錄号:
  • EINECS登錄号:
  • 熔點:1541
  • 沸點:2836
  • 水溶性:
  • 密度:2.985
  • 外觀:柔軟、銀白色的金屬
  • 閃點:
  • 應用:
  • 安全性描述:S26;S28;S36/37;S7/9;S36/37/39;S16;S43;S45;S27
  • 危險性符号:R11
  • 危險性描述:
  • UN危險貨物編号:3089
  • CN危險貨物編号:
  • 發現者:尼爾森和克萊夫
  • 管制類型:不受管制
  • 同位素數量:37
  • 相對原子質量:44.955912

理化性質

化學性質

钪(Sc),是銀色的柔軟金屬,被空氣氧化時略帶淺黃色或粉紅色。钪容易風化和大多數稀酸中緩慢溶解。它不與硝酸(HNO3)和氫氟酸(HF)1:1混合物反應,可能是由于形成了一個不滲透的鈍化層。

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

钪可以形成Eb2O3形式的化合物,其比重3.5,堿性強于氧化鋁,弱于氧化钇和氧化鎂;是否能與氯化铵反應還是疑問。

钪土Sc2O3,其比重3.86,堿性強于氧化鋁,弱于氧化钇和氧化鎂,與氯化铵不反應。

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。钪鹽無色,與氫氧化鉀和碳酸鈉形成膠體沉澱,硫酸鹽極難結晶。

碳酸鹽不溶于水,可能形成堿式碳酸鹽沉澱。碳酸钪不溶于水,并容易脫掉二氧化碳。

硫酸複鹽可能不形成礬。钪的硫酸複鹽不成礬。

無水氯化物ScCl3揮發性低于氯化鋁,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

钪是排位最靠前的過渡金屬,原子序數隻有21,不過就發現而言,钪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,钪的發現也不是較早的,其發現較晚的原因很簡單,含量低,钪在地殼裡的含量隻有 ,也就相當于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钪,其實并不容易。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。後來門捷列夫将鈣之後的元素暫時命名為類硼(Eka-Boron),并給出了這個元素的一些物理化學性質。

發現曆程

十九世紀晚期,對稀土元素的研究成為一股熱潮。在钪發現之前一年,瑞士的馬利納克(de Marignac)從玫瑰紅色的铒土中,通過局部分解硝酸鹽的方式,得到了一種不同于铒土的白色氧化物,他将這種氧化物命名為镱土,這就是稀土元素發現裡面的第六名。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将铒土提純,并精确測量铒和镱的原子量(因為他這個時候正在專注于精确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純淨的镱土。但是這時候奇怪的事情發生了,馬利納克給出的镱的原子量是172.5,而尼爾森得到的則隻有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。于是他将得到的镱土又用相同的流程繼續處理,最後當隻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钪命名為Scandium。1879年,他正式公布了自己的研究結果,在他的論文中,還提到了钪鹽和钪土的很多化學性質。不過在這篇論文中,他沒有能給出钪的精确原子量,也還不确定钪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。他從铒土出發,将铒土作為大量組分排除掉,再分出镱土和钪土之後,又從剩餘物中找到了钬和铥這兩個新的稀土元素。做為副産物,他提純了钪土,并進一步了解了钪的物理和化學性質。這樣一來,門捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之後,終于被克利夫撈了起來。

钪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确性和門捷列夫的遠見卓識。

而钪金屬在1937年才由電解熔化的氯化钪生産出來。

相關人物

門捷列夫 (1834-1907)預言了钪的存在。

尼爾森 (L.F.Nilson,1840~1899)和克利夫(P.T.Cleve,1840~1905)發現了钪。

提取保存

在被發現後相當長一段時間裡,因為難于制得,钪的用途一直沒有表現出來。随着對稀土元素分離方法的日益改進,如今用于提純钪的化合物,已經有了相當成熟的工藝流程。因為钪比起钇和镧系元素來,氫氧化物的堿性是最弱的,所以包含了钪的稀土元素混生礦,經過處理轉入溶液後用氨處理時,氫氧化钪将首先析出,故應用"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,由于硝酸钪最容易分解,可以達到分離出钪的目的。另外,在鈾、钍、鎢、錫等礦藏中綜合回收伴生的钪也是钪的重要來源之一。

獲得了純淨的钪的化合物之後,将其轉化為ScCl3,與KCl、LiCl共熔,用熔融的鋅作為陰極進行電解,使钪就會在鋅極上析出,然後将鋅蒸去可以得到金屬钪。

钪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钪被密封在瓶子裡,用氩氣加以保護,否則钪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

钪(原子質量單位:44.955912(6) )的一個特征是同位素較多,共有37個同位素,其中隻有1個同位素(47Sc)在大自然中是穩定存在的。

符号

質子

中子

質量

半衰期

核自旋

激發能量

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+#

備注:畫上#号的數據代表沒有經過實驗的證明,隻是理論推測而已,而用括号括起來的代表數據不确定性。

應用領域

照明行業

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

钪的第一件法寶叫做钪鈉燈,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钪,同時加入钪和鈉箔,在高壓放電時,钪離子和鈉離子分别發出他們的特征發射波長的光,鈉的譜線為589.0和589.6nm兩條著名的黃色光線,而钪的譜線為361.3~424.7nm的一系列近紫外和藍色光發射,因為互為補色,産生的總體光色就是白色光。正是由于钪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,使其可廣泛用于電視攝像和廣場、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,而在一些發達國家,這種燈早在80年代初就被廣泛使用了。

钪的第二件法寶是太陽能光電池,可以将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,钪是最好的阻擋金屬。

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,這是钪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将钪放在核反應堆中,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。還有像钇镓钪石榴石激光器,氟化钪玻璃紅外光導纖維,電視機上钪塗層的陰極射線管之類的用途簡直不知凡幾,看來钪生來就和光明有緣呢。

合金工業

單質形式的钪,已經被大量應用于鋁合金的摻雜。在鋁中隻要加入千分之幾的钪就會生成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,隻需要那麼一點)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,并可避免高溫下長期工作時易産生的脆化現象。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。

钪也是鐵的優良改化劑,少量钪可顯著提高鑄鐵的強度和硬度。另外,钪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,因為钪具有較高熔點,而其密度卻和鋁接近,也被應用在钪钛合金和钪鎂合金這樣的高熔點輕質合金上,但是因為價格昂貴,一般隻有航天飛機和火箭等高端制造業才會使用。

陶瓷材料

單質的钪一般應用于合金,而钪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锆陶瓷材料有一種很特别的性質,在這種電解質的電導會随着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将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%的氧化钪就好像混凝土結構一樣,讓氧化锆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。

氧化钪作為增密劑,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,钪常被作為催化劑使用,Sc2O3可用于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,钪催化劑的發展前景将是很光明的。

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,在鎳堿電池中加入2.5%~25%的钪,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钪(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小時後根和芽的幹燥重量和幼苗相比,分别增加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,钪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闆凳,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,連同钪在内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着千變萬化的作用,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

钪單質被認為是無毒。钪化合物的動物試驗已經完成,氯化钪的半數緻死量已被确定為4毫克/公斤腹腔和755毫克/千克口服給藥。從這些結果看來钪化合物應處理為中度毒性化合物。

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