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钪   21Sc
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
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-



外觀
银白色固态金属
概況
名稱·符號·序數钪(Scandium)·Sc·21
元素類別过渡金属
·週期·3 ·4·d
標準原子質量44.955908(5)
电子排布[] 3d1 4s2
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[1],+1[2],0[3]
(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
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
最穩定同位素
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
45Sc 100% 穩定,帶24個中子
46Sc 痕量 83.79 天 β 0.3569 46Ti
γ 0.889,1.120 -
47Sc 痕量 3.3492 天 β 0.44,0.60 47Ti
γ 0.159 -
48Sc 痕量 43.67 时 β 0.661 48Ti
γ 0.9,1.3,1.0 -

拼音kàng注音ㄎㄤˋ粤拼kong3;英語:Scandium;源于斯堪地那維亞半島拉丁語scandia),是一種化學元素,其化學符號Sc原子序數为21,原子量44.955908 u,是一種柔軟、銀白色的過渡性金屬。它常跟鑭系元素稀土金屬 [4]混合存在。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元素

鈧存在於大多數稀土礦和化合物的沉積物中,但它僅可以從全球某些礦場的礦石萃取,由於鈧不易取得及製備困難,所以直到1937年才首次取得,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。[5]

鈧化合物的性質介於之間。之間也存在著對角線規則,就像的關係。鈧是3族元素,就像其他第三族的元素,鈧的主要氧化數為+3。

性质[编辑]

化学性质[编辑]

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[6]

同位素[编辑]

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。[7]

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的同位素,而比45Sc重的同位素则主要通过β衰变的同位素。[7]

存在[编辑]

地球地壳中,钪并不稀有。钪的丰度预测在18至25 ppm之间,可以和(20–30 ppm)比较。钪是地球上第50常见的元素(地壳中第35常见的元素),但它是太阳中第23常见的元素。[8]然而,钪分布稀疏,在许多矿物中痕量存在。[9]来自斯堪的纳维亚[10]马达加斯加[11]的稀有矿物如:钪钇石英语thortveitite黑稀金矿英语euxenite硅铍钇矿是钪唯一已知的集中来源。钪钇石可以包含高达45%的以氧化钪形式存在的钪。[10]

稳定的钪是在超新星中通过R-过程产生的。[12]它也可以通过更常见的核的宇宙射线散裂而成。

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

化合物[编辑]

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[编辑]

钪的氧化物Sc
2
O
3
和氢氧化物 Sc(OH)
3
都是两性的:[13]

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

α- 和γ-ScOOH 的结构类似碱式氧化铝[14]Sc3+
的水溶液由于水解呈酸性。

卤化物[编辑]

钪的卤化物 ScX
3
在 X= ClBrI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[编辑]

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
2
Cl]
2
,以及相关的五甲基环戊二烯基配合物。[15]

不寻常氧化态[编辑]

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。[16] 氢化钪的性质不太清楚,尽管它似乎不是Sc(II)的氢化物[1]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。[2] 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。[17]

在有机钪化合物中也观察到较低的氧化态 (+2、+1、0)。[18][19][20][21]

历史[编辑]

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[22][23]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,钪单质首次从氯化钪共晶混合物于700–800 °C电解出来。[24]

生产[编辑]

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。

应用[编辑]

米格-29部分由钪铝合金制成。[25]

钪用来制特种玻璃、轻质耐高温合金。

金屬化物燈,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[编辑]

钪元素被认为无,尽管人们尚未对钪化合物进行广泛的动物试验。[26]氯化钪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)。[27]从这些结果看来,钪化合物应处理为中度毒性化合物。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 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. 
  2. ^ 2.0 2.1 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. 
  3. ^ 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.  已忽略未知参数|name-list-style= (帮助)
  4. ^ IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
  5. ^ Mineral Commodity Summaries 2020 (PDF). US Geological Survey Mineral Commodities Summary 2020. US Geological Survey. [10 February 2020]. 
  6. ^ "Scandium." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
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  8. ^ Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. 2004: 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9.  已忽略未知参数|url-access= (帮助)
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  11. ^ von Knorring, O.; Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa. Geological Journal. 1987, 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619. 
  12. ^ Cameron, A.G.W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis (PDF). CRL-41. June 1957. 
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  14. ^ 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可免费查阅. 
  15. ^ Shapiro, Pamela J.; 等. Model Ziegler-Natta α-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η5−C
    5
    Me
    4
    )SiMe
    2
    1−NCMe
    3
    )}(PMe
    3
    )Sc(μ2−H)]
    2
    and [{(η5−C
    5
    Me
    4
    )SiMe
    2
    1−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.
     
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  22. ^ Nilson, Lars Fredrik. Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac. Comptes Rendus. 1879, 88: 642–647 (法语). 
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  25. ^ 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. 
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外部連結[编辑]