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更新時間: 2013-07-15

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鈧(舊譯作鉰、鏮)它的化學符號是Sc,是一種柔軟、銀白色的過渡性金屬,熔點1541℃。沸點2831℃。常見化合價+3。第一電離能為6.54電子伏特。易溶於水,可與熱水作用,在空氣中容易變暗。常跟釓、鉺等混合存在,產量很少。鈧在地殼中的含量約為0.0005%,主要礦物為鈧釔石,鈧也存在於核裂變產物中,自然界存在的鈧全部為穩定同位素鈧45。

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1 鈧 -概述

2 鈧 -元素性質

3 鈧 -發現

鈧
發現人:尼爾森 
發現年代:1876年
發現過程
1879年,瑞典的化學教授尼爾森(L.F.Nilson, 1840~1899)和克萊夫(P.T.Cleve, 1840~1905)差不多同時在稀有的礦物硅鈹釔礦和黑稀金礦中找到了一種新元素。他們給這一元素定名為"Scandium"(鈧),鈧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確性和門捷列夫的遠見卓識。隨著鈧以及其他一些稀土元素的發現,完成了發現稀土元素第三階段的另一半。
發現歷史
在元素化學里,有一系列性質非常接近的金屬元素被稱為稀土元素。這一系列中包括了十五個鑭系元素--鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(G d)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu);以及和這些同族而性質相似的兩個更輕的元素:鈧(Sc)和釔(Y)。這一系列元素最初是從瑞典產的比較稀少的礦物中發現的,"土"是當時對不溶於水的金屬氧化物的統稱,因此得名稀土(Rareearth)。在這十七個元素裡面,鈧的排位是最靠前的,原子序數只有21,不過就發現而言,鈧比他在元素周期表上面的左鄰右舍都要晚了差不多上百年,即使在稀土裡面,鈧的發現也不是較早的,排列在釔、鈰、鑭、鉺、鋱和鐿後面,名列第七。
    門捷列夫的預言沒有得到人們的注意,但是在十九世紀晚期,對稀土元素的研究卻成為了一股熱潮。在鈧發現之前一年,瑞士的馬利納克(deMarignac)從玫瑰紅色的鉺土中,通過局部分解硝酸鹽的方式,得到了一種不同於鉺土的白色氧化物,他將這種氧化物命名為鐿土,這就是稀土元素髮現裡面的第六名。當時老馬手頭樣品沒多少 了,就建議手頭有充足鉺土的科學家多製備一些鐿土,以研究它的性質。當時瑞典烏潑撒拉大學的尼爾森手頭正好有鉺土的樣品,他就想按照馬利納克的方法將鉺土提純,並精確測量鉺和鐿的原子量(因為他這個時候正在專註於精確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純凈的鐿土。但是這時候奇怪的事情發生了,馬利納克給出的鐿的原子量是172.5,而尼爾森得到的則只有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魚目混珠進去,才讓這個原子量的測定不再准斤足兩。於是他將得到的鐿土又用相同的流程繼續處理,最後當只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。尼爾森的判斷是正確的,因此也就獲得了給孩子起名的權利。他用他的故鄉斯堪的納維亞半島給鈧命名為Scandium。1879年,他正式公布了自己的研究結果,在他的論文中,還提到了鈧鹽和鈧土的很多化學性質。不過在這篇論文中,他沒有能給出鈧的精確原子量,也還不確定鈧在元素周期中的位置。
    尼爾森的好友,也是同在烏潑撒拉大學任教的克利夫也在一起做這個工作。他從鉺土出發,將鉺土作為大量組分排除掉,再分出鐿土和鈧土之後,又從剩餘物中找到了鈥和銩這兩個新的稀土元素。做為副產物,他提純了鈧土,並進一步了解了鈧的物理和化學性質。這樣一來,門捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之後,終於被克利夫撈了起來,他認識到,鈧,就是門捷列夫的類硼。我們來看看鈧的一些化學性質和瓶中那張古舊的羊皮紙上寫過的預言是否吻合吧。
    Eka-Boron Scandium
  原子量 44 45.1(克利夫,1879)
  原子體積:(立方厘米/摩爾)15.0
  地殼中含量:(ppm)16
  元素在太陽中的含量:(ppm) 0.04
  元素在海水中的含量:(ppm)
  太平洋表面 0.00000035
  44.955910(IUPAC,現代)
  可以形成Eb2O3形式的化合物,其比重3.5,鹼性強於氧化鋁,弱於氧化釔和氧化鎂;是否能與氯化銨反應還是疑問。鈧土Sc2O3,其比重3.86,鹼性強於氧化鋁,弱於氧化釔和氧化鎂,與氯化銨不反應。
  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。鈧鹽無色,與氫氧化鉀和碳酸鈉形成膠體沉澱,硫酸鹽極難結晶。
  碳酸鹽不溶於水,可能形成鹼式碳酸鹽沉澱。碳酸鈧不溶於水,並容易脫掉二氧化碳。
  硫酸復鹽可能不形成礬。 鈧的硫酸復鹽不成礬。
  無水氯化物EbCl3揮發性低於氯化鋁,比氯化鎂更容易水解。 ScCl3升華溫度850oC,AlCl3則為100oC,在水溶液中水解。
  Eb不由光譜發現。 Sc不由光譜發現。
  在那個不但對於元素的電子層結構一無所知(連電子都是1899年才發現的),甚至還有權威如杜馬這樣的化學家對原子論都持懷疑態度。能將一個未發現的元素的性質描述得如此精準,真是讓讀者後背泛起一層隱隱的涼意。

4 鈧 -製取

鈧合金鈧合金

在被發現后相當長一段時間裡,因為難於製得,鈧的用途一直沒有表現出來。隨著對稀土元素分離方法的日益改進,如今用於提純鈧的化合物,已經有了相當成熟的工藝流程。因為鈧比起釔和鑭系元素來,氫氧化物的鹼性是最弱的,所以包含了鈧的稀土元素混生礦,經過處理轉入溶液後用氨(或極稀的鹼)處理時,氫氧化鈧將首先析出,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極分解進行分離,由於硝酸鈧最容易分解,可以達到分離出鈧的目的。
用電解的方法可製得金屬鈧,在煉鈧時將ScCl3、KCl、LiCl共熔,以熔融的鋅為陰極電解之,使鈧在鋅極上析出,然後將鋅蒸去可得金屬鈧。
另外,在加工礦石生產鈾、釷和鑭系元素時易回收鈧。在鈾、釷、鎢、錫等礦藏中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來源之一。

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5 鈧 -應用

6 鈧 -神奇的調料

金屬鈧金屬鈧

上面說了鈧的一些應用,不過因為價格高昂,考慮到成本在工業產品里很少會用到很大數量鈧和鈧的化合物,都是像燈泡里那樣薄薄的一層鈧箔之類的用法。而在更多一些領域,鈧和鈧的化合物更是被作為神奇的調料使用,好像大廚手中的鹽、糖或味精,只需要一星半點,就有畫龍點睛的作用。

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在無機化學里,摻雜是一個非常重要的手段。在一個作為基體的晶體結構中摻入少量的其他化合物,因為被摻雜物質在化學性質上和原有基體的不同,晶格結構會出現各種各樣的變化和缺陷,從而或者提升原有基體的性質,或者增添原來不具有的活性。比如大家最耳熟能詳的P型和N型半導體原料,就是分別在導通能力很差的單晶硅裡面,添加了因為缺少價電子導致空穴的硼,和因為富餘價電子而產生自由電子的磷獲得的。我們的鈧也是一個重要的摻雜原料,很多材料就是因為摻入了鈧獲得了意料之外的性質。

單質形式的鈧,已經被大量應用於鋁合金的摻雜。在鋁中只要加入千分之幾的鈧就會生成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,只需要那麼一點)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,並可避免高溫下長期工作時易產生的脆化現象。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。鈧也是鐵的優良改化劑,少量鈧可顯著提高鑄鐵的強度和硬度。另外,鈧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,因為鈧具有較高熔點,而其密度卻和鋁接近,也被應用在鈧鈦合金和鈧鎂合金這樣的高熔點輕質合金上,但是這樣的稀罕東西恐怕只有太空梭和火箭上才捨得用了,要是拿來做自行車架子,這個價值擺出去恐怕一天能被偷上二三十次。

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單質的鈧一般應用於合金,而鈧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鋯陶瓷材料有一種很特別的性質,在這種電解質的電導會隨著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將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%的氧化鈧就好像混凝土結構一樣,讓氧化鋯能夠穩定在四方形的晶格上。還有像給高強度,耐高溫的工程陶瓷材料氮化硅做增密劑和穩定劑。氧化鈧作為增密劑,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硅的高溫機械性能。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。

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在有機化學上鈧也並非默默無聞,不過在有機反應裡面鈧的作用雖然同樣是一種調料,卻和在無機材料裡面用於摻雜不同,而是被作為催化劑使用。Sc2O3可用於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凈,精鍊流程的重要催化劑。而在諸如異丙苯催化裂化反應中,Sc-Y沸石催化劑比硅酸鋁的活性大1000倍;和一些傳統的催化劑比起來,鈧催化劑的發展前景將是很光明的。

從尼爾森注意到原子量數據的虧欠到今天,鈧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板凳,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,連同鈧在內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著千變萬化的作用,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。按陰陽五行的說法,土生金,其信然乎?

7 鈧 -鈧對人的作用

  鈧對於人來說是不是必需元素,目前尚無定論。人體中鈧微量存在。懷疑其有致癌性。鈧容易與8-羥基喹啉形成絡合物這種絡合物的形成可以用於對鈧的分析。用中子放射性分析法可以測定ng/g以下的鈧定量。

8 鈧 -相關詞條

催化劑二氧化碳
硅酸鋁元素周期表調料

9 鈧 -參考資料

[1]人民教育網http://www.pep.com.cn/czhhx/ystc/200405/t20040521_85189.htm

[2]中國化工網http://www.chem.com.cn/S_Product.aspx?keyword=%EE%D6

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