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钪

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钪 21Sc
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
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－
↑
钪
↓
钇
钙 ← 钪 → 钛
外观
银白色固态金属
概况
名称·符号·序数钪（Scandium）·Sc·21
元素类别过渡金属
族·周期·区3·4·d
标准原子质量44.955907(4)[1]
电子排布[Ar] 3d1 4s2
2，8，9，2
钪的电子层（2，8，9，2）
钪的电子层（2，8，9，2）
历史
预测德米特里·门捷列夫（1871年）
发现拉斯·弗雷德里克·尼尔森（1879年）
分离拉斯·弗雷德里克·尼尔森
物理性质
物态固态
密度（接近室温）
2.985 g·cm−3
熔点1814 K，1541 °C，2906 °F
沸点3109 K，2836 °C，5136 °F
熔化热14.1 kJ·mol−1
汽化热332.7 kJ·mol−1
比热容25.52 J·mol−1·K−1
蒸气压
压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 1645 1804 （2006） （2266） （2613） （3101）
原子性质
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
杂项
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
热导率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） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
44Sc 人造 4.0421 小时 β+ 2.631 44Ca
45Sc 100% 稳定，带24粒中子
46Sc 人造 83.757 天 β− 2.366 46Ti

钪（kàng）（英语：Scandium），是一种化学元素，化学符号为Sc，原子序数为21，原子量为44.955907 u。钪是一种质轻、柔软的银白色过渡金属，常和钇及镧系元素合称为稀土金属。[5]钪是在1879年由拉尔斯·弗雷德里克·尼尔松的团队，在斯堪的纳维亚半岛的黑稀金矿（英语：euxenite）（euxenite）和硅铍钇矿（英语：gadolinite）（gadolinite）中，使用光谱分析发现的，其名称即源于斯堪的纳维亚半岛的拉丁语：scandia。

钪是周期表中第四周期的第一个d区过渡元素。钪属于3族，就像其他第三族的元素，钪的主要氧化数为+3。钪化合物的性质介于同族的钇和13族的铝之间，钪的性质和镁之间也存在着对角线关系，就如同铍和铝。

钪存在于大多数稀土矿物和铀化合物矿床中。钪在地壳中并不稀有，其估计丰度与钴相当，然而钪分布非常稀散，在许多矿物中都仅以微量存在，全球只有少数矿场的含钪矿石有提取价值，由于钪不易取得且制备困难，所以直到1937年才首次取得其单质，而它的应用直到1970年代才被研发出来。在1970年代人们发现钪对于铝合金具有增益效果，此应用目前仍是其主要用途，氧化钪的全球贸易量约为每年15~20吨。[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

钪共有37个同位素，其中只有一种同位素()是稳定的。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，其丰度估计在18至25 ppm之间，和钴（20–30 ppm）相当。[9]然而，钪在地壳中分布极为分散，在许多矿物中都仅以痕量存在。[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浓度钪元素来源，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克的高纯度氧化钪。[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。

价格

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根据美国地质调查局的报告显示，从2015年至2019年的美国，少量钪锭的价格为每克107至134美元，而氧化钪的价格为每克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。

金属卤化物灯，寿命长，消耗电力少，用作运动场照明灯和高级车的车灯。

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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    5    Me
    4    )SiMe
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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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外部链接

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