鈧
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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]
性質
[編輯]化學性質
[編輯]鈧是銀色的柔軟金屬,被空氣氧化時略帶淺黃色或粉紅色。鈧容易風化,在大多數稀酸中緩慢溶解。它不與硝酸()和氫氟酸()的1:1混合物反應,可能是由於形成了一個不滲透的鈍化層。鈧粉在空氣中點燃,放出明亮的黃色火焰,形成氧化鈧。[7]
同位素
[編輯]鈧共有37個同位素,其中只有一種同位素()是穩定的。25種鈧的放射性同位素已獲得表徵,其中最穩定的是46Sc,半衰期為 83.8天;接著是半衰期3.35天的47Sc;半衰期43.7小時的48Sc;以及會放出正電子的44Sc,它的半衰期為4小時。剩下的放射性同位素的半衰期都小於4小時,大部分都小於2分鐘。鈧也有五種同核異構物,其中最穩定的是半衰期58.6小時的44m2Sc。[8]
鈧已發現的同位素在36Sc 到60Sc之間。比45Sc輕的鈧同位素的主要衰變方式為電子捕獲成鈣的同位素,而比45Sc重的同位素則主要通過β衰變成鈦的同位素。[8]
存在
[編輯]鈧在地球中是第50常見的元素,但在太陽中是第23常見的元素。在地球地殼中,鈧並不稀有,是地殼中第35常見的元素,其豐度估計在18至25 ppm之間,和鈷(20–30 ppm)相當。[9]然而,鈧在地殼中分布極為分散,在許多礦物中都僅以痕量存在。[10]來自斯堪地那維亞[11]和馬達加斯加[12]的稀有礦物如鈧釔石、黑稀金礦和矽鈹釔礦是目前唯一已知的高濃度鈧元素來源,其中鈧釔石可包含高達45%的鈧,以氧化鈧的形式存在。[11]
穩定的鈧是在超新星中通過R-過程產生的。[13]它也可以通過更常見的鐵原子核的宇宙射線散裂而生成。
- 28Si + 17n → 45Sc(R-過程)
- 56Fe + p → 45Sc + 11C + n(宇宙射線散裂)
化合物
[編輯]鈧化學幾乎被三價鈧離子 Sc3+主宰。M3+ 離子半徑在下表中列出,表明鈧離子的化學性質與釔離子的共同點多於與鋁離子的共同點。部分由於這種相似性,鈧通常被歸類為類鑭系元素。
氧化物和氫氧化物
[編輯]鈧的氧化物Sc
2O
3和氫氧化物 Sc(OH)
3 都是兩性的:[14]
- Sc(OH)
3 + 3 OH−
→ [Sc(OH)
6]3−
(鈧酸根) - Sc(OH)
3 + 3 H+
+ 3 H
2O → [Sc(H
2O)
6]3+
α- 和γ-ScOOH 的結構類似鹼式氧化鋁。[15]Sc3+
的水溶液由於水解呈酸性。
鹵化物
[編輯]鈧的鹵化物 ScX
3在 X= Cl、Br或I時,它們極易溶於水,但ScF
3不溶於水。在這四種鹵化物中,鈧都是六配位的。這些鹵化物都是路易斯酸:舉個例子,ScF
3 在有過量氟離子的溶液里會形成 [ScF
6]3−。
有機鈧化合物
[編輯]鈧與環戊二烯基配位基 (Cp) 形成一系列有機金屬化合物,這類似於鑭系元素。一個例子是含氯橋鍵的 [ScCp
2Cl]
2,以及相關的五甲基環戊二烯基錯合物。[16]
不尋常氧化態
[編輯]除+3以外的氧化態的鈧化合物很少見,但已得到很好的表徵。藍黑色的 CsScCl
3 是其中最簡單的。它的材料採用片狀結構,在鈧(II)中心之間表現出廣泛的結合。[17] 氫化鈧的性質不太清楚,儘管它似乎不是Sc(II)的氫化物。[2]正如對大多數元素所觀察到的那樣,雙原子的一氫化鈧已在高溫氣相下通過光譜觀察到。[3] 鈧的硼化物和碳化物是非整比化合物,這是它的相鄰元素的典型特徵。[18]
在有機鈧化合物中也觀察到較低的氧化態 (+2、+1、0)。[19][20][21][22]
歷史
[編輯]1869年,門得列夫曾預測一種稱為「類硼」的未發現元素。1879年拉斯·弗雷德里克·尼爾森和他的團隊從黑稀金礦(euxenite)和矽鈹釔礦(gadolinite)中通過光譜分析發現這個新的元素。尼爾森製備了2克的高純度氧化鈧。[23][24]他把這新元素命名為「Scandium」,源自拉丁文「Scandia」(斯堪地那維亞半島)。1937年,鈧單質首次從鉀、鋰和氯化鈧的共晶混合物於700–800 °C電解出來。[25]
生產
[編輯]全球產量約每年15噸(三氧化二鈧化合物),需求比供應量高50%。每年供需均在增長。
價格
[編輯]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]
應用
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鈧用來制特種玻璃、輕質耐高溫合金。
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。
健康與安全
[編輯]鈧元素被認為無毒,儘管人們尚未對鈧化合物進行廣泛的動物試驗。[28]氯化鈧的半數致死量已被確定為4克/公斤(口服)和755毫克/公斤(腹腔注射)。[29]從這些結果看來,鈧化合物應處理為中度毒性化合物。
參見
[編輯]參考文獻
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5Me
4)SiMe
2(η1−NCMe
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2CH
2CH
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外部連結
[編輯]- 元素鈧在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 鈧(英文)
- 元素鈧在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素鈧在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 鈧(英文)
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