钪
此條目需要擴充。 (2016年4月1日) |
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
[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。[7]
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
[编辑]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、黑稀金矿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
[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。
氧化物和氢氧化物
[编辑]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
[编辑]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
[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
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
[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。[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
[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。[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
[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。
價格
[编辑]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
[编辑]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
[编辑]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)。[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
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 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).
- ^ 2.0 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.
- ^ 3.0 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.
- ^ 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.
- ^ IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
- ^ 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).
- ^ "Scandium (页面存档备份,存于互联网档案馆)." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
- ^ 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).
- ^ Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press. 2004: 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9.
- ^ 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.
- ^ 11.0 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).
- ^ von Knorring, O.; Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa. Geological Journal. 1987, 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619.
- ^ 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).
- ^ 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).
- ^ 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 .
- ^ Shapiro, Pamela J.; et al. Model Ziegler-Natta α-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η5−C
5Me
4)SiMe
2(η1−NCMe
3)}(PMe
3)Sc(μ2−H)]
2 and [{(η5−C
5Me
4)SiMe
2(η1−NCMe
3)}Sc(μ1−CH
2CH
2CH
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. - ^ 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.
- ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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).
- ^ 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).
- ^ 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).
- ^ Mineral Commodity Summaries. USGS. [2020-09-13]. (原始内容存档于2018-06-29).
- ^ 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.
- ^ 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).
- ^ 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.
外部連結
[编辑]- 元素钪在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 钪(英文)
- 元素钪在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素钪在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 钪(英文)
|
|
|