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鈧

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鈧 21Sc
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
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－
↑
鈧
↓
釔
鈣 ← 鈧 → 鈦
外觀
銀白色固態金屬
概況
名稱·符號·序數鈧（Scandium）·Sc·21
元素類別過渡金屬
族·週期·區3·4·d
標準原子質量44.955907(4)[1]
電子組態[Ar] 3d1 4s2
2，8，9，2
鈧的電子層（2，8，9，2）
鈧的電子層（2，8，9，2）
歷史
預測迪米崔·門得列夫（1871年）
發現拉斯·弗雷德里克·尼爾森（1879年）
分離拉斯·弗雷德里克·尼爾森
物理性質
物態固態
密度（接近室溫）
2.985 g·cm−3
熔點1814 K，1541 °C，2906 °F
沸點3109 K，2836 °C，5136 °F
熔化熱14.1 kJ·mol−1
汽化熱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
氧化態+3,+2[2],+1[3],0[4]
（兩性）
游離能第一：633.1 kJ·mol−1
第二：1235.0 kJ·mol−1
第三：2388.6 kJ·mol−1
（更多）
原子半徑162 pm
共價半徑170±7 pm
范德華半徑211 pm
鈧的原子譜線
雜項
晶體結構六方密堆積
磁序順磁性
電阻率(α,poly)（預測）（25 ℃）562 n Ω·m
熱導率15.8 W·m−1·K−1
熱膨脹係數(α,poly)（25 ℃）10.2 µm/(m·K)
楊氏模量74.4 GPa
剪切模量29.1 GPa
體積模量56.6 GPa
泊松比0.279
布氏硬度750 MPa
CAS編號7440-20-2
同位素
主條目：鈧的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
44Sc 人造 4.0421 小時 β+ 2.631 44Ca
45Sc 100% 穩定，帶24粒中子
46Sc 人造 83.757 天 β− 2.366 46Ti

鈧（ㄎㄤˋ）（英語：Scandium），是一種化學元素，化學符號為Sc，原子序數為21，原子量為44.955907 u。鈧是一種質輕、柔軟的銀白色過渡金屬，常和釔及鑭系元素合稱為稀土金屬。[5]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（英語：euxenite）（euxenite）和矽鈹釔礦（英語：gadolinite）（gadolinite）中，使用光譜分析發現的，其名稱即源於斯堪地那維亞半島的拉丁語：scandia。

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

化學性質

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

主條目：鈧的同位素

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

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（英語：thortveitite）、黑稀金礦（英語：euxenite）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

主條目：鈧化合物

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。

離子半徑 (pm)
Al Sc Y La Lu
53.5 74.5 90.0 103.2 86.1

氧化物和氫氧化物

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

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

主條目：有機鈧化合物

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

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

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

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

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

米格-29部分由鈧鋁合金製成。[27]

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

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（英語：Intraperitoneal injection））。[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

參考文獻

  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 （英語）. 
  2. ^ 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. ^ 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. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ IUPAC Recommendations, NOMENCLATURE OF INORGANIC CHEMISTRY
  6. ^ Mineral Commodity Summaries 2020 (PDF). US Geological Survey Mineral Commodities Summary 2020. US Geological Survey. [10 February 2020]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-05-09）. 
  7. ^ "Scandium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）." Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-07-17.
  8. ^ 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 可免費查閱. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. （原始內容存檔於2021-11-04）. 
  9. ^ Lide, David R. CRC Handbook of Chemistry and Physics需要免費註冊. Boca Raton: CRC Press. 2004: 4–28. ISBN 978-0-8493-0485-9. 
  10. ^ 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. ^ 11.0 11.1 Kristiansen, Roy. Scandium – Mineraler I Norge (PDF). Stein. 2003: 14–23 [2021-10-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-02-28） （挪威語）. 
  12. ^ von Knorring, O.; Condliffe, E. Mineralized pegmatites in Africa. Geological Journal. 1987, 22: 253. doi:10.1002/gj.3350220619. 
  13. ^ Cameron, A.G.W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis (PDF). CRL-41. June 1957 [2021-10-02]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-08-19）. 
  14. ^ Cotton, Simon. Lanthanide and actinide chemistry. John Wiley and Sons. 2006: 108– [2011-06-23]. ISBN 978-0-470-01006-8. （原始內容存檔於2021-08-21）. 
  15. ^ 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 可免費查閱. 
  16. ^ Shapiro, Pamela J.; et al. Model Ziegler-Natta α-Olefin Polymerization Catalysts Derived from [{(η5−C
    5    Me
    4    )SiMe
    2    (η1−NCMe
    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
    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.     
  17. ^ 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. 
  18. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  19. ^ 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. 
  20. ^ 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. 
  21. ^ 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. 
  22. ^ 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. 
  23. ^ Nilson, Lars Fredrik. Sur l'ytterbine, terre nouvelle de M. Marignac. Comptes Rendus. 1879, 88: 642–647 [2019-06-26]. （原始內容存檔於2021-04-28） （法語）. 
  24. ^ Nilson, Lars Fredrik. Ueber Scandium, ein neues Erdmetall. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1879, 12 (1): 554–557. doi:10.1002/cber.187901201157 （德語）. 
  25. ^ 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 （德語）. 
  26. ^ Mineral Commodity Summaries. USGS. [2020-09-13]. （原始內容存檔於2018-06-29）. 
  27. ^ 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. 
  28. ^ Horovitz, Chaim T.; Birmingham, Scott D. Biochemistry of Scandium and Yttrium. Springer. 1999 [2021-10-02]. ISBN 978-0-306-45657-2. （原始內容存檔於2022-01-02）. 
  29. ^ 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

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