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3族元素
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3族元素（又称钪族元素）是指元素周期表上第3族（ⅢB族）的金属元素，包含钪（Sc）、钇（Y）、镥（Lu）、铹（Lr），其中钪、钇和镥为稀土元素，铹则是具有放射性的人造元素。
本族的元素皆为质地较软的银白色金属，硬度随原子序数增大而增加。它们在空气中会很快失去光泽，常温下能与水发生反应，不过其表面的氧化层能够延缓反应的进行。在3族元素中，钪、钇和镥都在大自然中存在，它们不但彼此间具有相似的化学性质（尤其是钇和镥），和其他镧系元素的性质亦高度相似，因此这些元素在成矿时总是一同共生于同一种矿物中，造成分离和提取上的困难，因而被称作稀土元素。至于铹则具有高度的放射性，半衰期较短，不存在于自然界中，必须通过人工合成的方式生产，其在实验中被观察到的特性和理论上预测的一致，表现为镥的较重同族元素。
历史上，3族元素所包含的成员及个数曾有过不小的争议。除了钪和钇始终被列为3族成员外，有些周期表将镧（La）和锕（Ac）列为3族的第三和第四个元素，这是由于早期许多稀土元素的电子排布被错误测量所致。如今仍有许多教科书中的周期表将镧和锕列为3族元素，从而遭致大多数关注该主题的学者批评，因为物理、化学和电子证据皆表明3族的正确成员应是钪、钇、镥和铹。还有一些作者为了规避此争议而将本族钇下方的位置留空，将全部镧系及锕系元素单独列出（包括镥和铹），但这种列法将导致表中f区块的宽度包含了15个元素，而非事实上的14个元素（原子的f轨道至多只能容纳14个电子，镥和铹应属于d区元素）。
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定义
历史上，3族元素所包含的成员及个数在不同的周期表中会根据排列方式的不同而有所变动。由于IUPAC未规定周期表有一个指定的格式，因此有几种不同的周期表，同时也影响了3族元素的成员及个数。不论是依哪一种周期表，以下这两种d区的过渡金属都是列入3族元素中的：
而其他元素的归属就会依照周期表的不同，而分为以下的四种：
- 有些周期表[1]将镧（La）和锕（Ac）（分别为镧系元素及锕系元素的第一个元素）列为3族元素。这二个元素和钪、钇一样主要形成+3价的离子，且这二个元素的f轨道没有任何电子，其特性也比较类似d区元素。
- 有些周期表[2]将镥（Lu）和铹（Lr）（分别为镧系元素及锕系元素的最后一个元素）列为3族元素，这二个元素和钪、钇一样主要形成+3价的离子，且这二个元素的f轨道电子全满，和钪、钇一样被归于d区元素。
- IUPAC的周期表[3]将所有镧系元素及锕系元素均视为3族元素，因为镧系元素、锕及重锕系元素都容易形成+3价的离子，彼此之间的化学性质非常接近，也和钇、钪有许多相似之处。
- 第四种周期表[4]则是将镧系元素及锕系元素独立列出，不列入3族元素中。其原因是镧系及锕系元素的f轨道有部分电子填充，会有一些钪、钇没有的特性。且较轻的锕系元素（钍、镤、铀等）彼此之间的特性（如氧化态）变化很大，和钪、钇两元素没有可比性，其性质反而和过渡金属更为接近。
3族元素：钪、钇、镧、锕 
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如今，压倒性的物理、化学和电子证据表明3族的正确成员应是钪、钇、镥和铹[5][6][7][8][9][10]，大多数探讨过本议题的学者最终都采用此种分法。[5]本分法在1988年的一份报告中亦得到IUPAC的支持[6]，并在2021年得到重申。[11]然而，仍有许多教科书中的周期表将镧和锕列为3族元素，而这种分法是基于早期对这些元素的电子排布的错误测量结果[7]，列夫·朗道和叶夫根尼·利夫希茨在1948年便已提出该结果是“不正确的”。[8]另外，有些周期表则将3族钇下方的位置留空，将全部镧系及锕系元素单独列出（包括镥和铹），这种列法可能表示第3族仅包含钪和钇两个元素，抑或者表示3族包含了钪、钇和所有镧系及锕系元素，即上述的第三和第四种分法。[11][12][13][14][15]无论如何，这种排列方式都与量子物理学相矛盾，因为该列法将导致周期表中f区块的宽度包含了15个元素，而非事实上的14个元素（原子的f轨道至多只能容纳14个电子）。[11]
正如2021年IUPAC报告所指出的，“钪、钇、镥、铹”是唯一一种同时满足保留原子序顺序、避免将d区块拆分为“两个比例高度不均的部分”并正确呈现各区块正确宽度（2、6、10、14）的分法。[11]虽然在文献中仍然可以找到支持“钪、钇、镧、锕”方案的论据，但许多作者认为这些论述在逻辑上不一致[7][5]，例如有人认为镧和锕不能算做f区元素，因为它们的原子还没有开始填充f子壳层[16]，然而钍也是如此，但它作为f区元素的身份从未有过争议。[11][7]该论点还忽略了f区另一端的问题：第六、七周期f子壳层完全填满发生的位置为镱及锘（符合“钪、钇、镥、铹”分法），而不是发生在镥及铹（符合“钪、钇、镧、锕”分法）。[17]事实上，诸如此类马德隆规则（Madelung rule）的例外从未被认为与周期表中任何其他元素的位置相关。[12]其代表的事实只有：镧和锕（以及钍）在化学环境中具有空的f轨道可被占据，而镥和铹则没有。[9][18]综上所述，钇和镧、锕之间的关联性纯粹只是元素之间价电子数相同但价轨道类型不同的次要关系，就像铬和铀之间的关系；而钇和镥、铹具有相同的价电子数和价轨道类型，是真正的同族元素。[18]
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物理和原子性质
和元素周期表中的其他族一样，3族元素的电子排布有规律，这导致了它们在化学性质上的趋势。由于高原子序元素受相对论效应的影响愈发显著，基态铹的其中一个价电子反常地填充在7p子壳层，而非预期的6d子壳层[19][20]，但其激发态[Rn]5f146d17s2的能量亦足够低，因此并没有预测或观察到铹的性质和本族其他元素有明显的差异。[21][22]
作为周期表d区的首个族，3族元素的变化趋势和其他前段d区族别的趋势相仿，反映出从第五周期到第六周期的过程中内层的f轨道被电子填满。例如，钪和钇都是柔软的金属。但由于镧系收缩现象的影响，镥的原子半径并没有如预期般比钇原子来得大，反而比钇原子略小，然而镥原子仍具有更大的质量和更高的核电荷[23]，这使得镥金属比钪和钇更加致密且更硬，因为其原子释出电子形成金属键的难度更高。钪、钇和镥具有相近的熔点和沸点。[24]人们目前对铹的性质所之甚少，但理论计算显示它延续了其较轻同族元素密度增加的趋势。[25][26]与大多数金属相比，本族元素并不是很好的热导体和电导体，因为它们可用于形成金属键的电子数量很少。[27]
下表列出了3族元素的物理性质，其中铹的数据主要源自理论计算。[28]
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化学性质
大多数对3族元素的化学性质研究主要针对这一族的前三个元素。铹的化学性质研究尚未透彻，但其展现出的已知特性符合理论预测，表现为镥的更重同族元素。
钪、钇和镥都具有很强的电正性，是较活泼的金属，但其表面会形成稳定的氧化层，阻挡反应进一步进行。本族金属很容易燃烧生成氧化物[33]，其氧化物是白色的高熔点固体。
本族元素最稳定、最寻常的氧化态为+3，和其他镧系元素相似。由于钪、钇、镥和其他镧系元素的原子外层和次外层的电子排布基本相同，表现出的化学性质非常相似，因此它们通常一同被归为稀土元素。[33]
3族元素不具有大多数典型的过渡金属性质，它们常见的氧化态只有一种（+3），且配合物种类亦不多，目前已制备出一些本族元素的低氧化态化合物和茂基配合物。3族元素的化学属性主要通过它们的原子半径差异来展现各自的相异处：[33]原子半径最小的钪是本族中碱性最弱的元素，且具有某些相似于铝的性质[33]，而钇和镥的性质非常相似[34]，也和其他镧系元素的性质高度相仿。钇的碱性介于镧系元素镝与钬之间，而镥则是镧系元素中碱度最低的元素，但仍高于钪。[35]氧化钪是两性的，氧化镥偏碱性，而氧化钇碱性更强。[36]3族元素的强酸盐是可溶的，而弱酸盐（例如氟化物、磷酸盐、草酸盐等）则微溶或不溶于水。[33]
存在
本族元素在地壳中的丰度并不算高，其中最丰富的是钇，丰度约为30ppm，钪的丰度为16ppm，而镥的丰度仅为0.5ppm，是最稀少的稀土元素之一。作为比较，常见的铜丰度为50ppm，铅的丰度为14ppm，锡的丰度为2ppm，银的丰度为0.07ppm。[37]至于铹是半衰期最多只有数小时的放射性人造元素，所以只存在于核实验室中。
钪、钇和镥在地壳中大多和其他镧系元素（短寿命的钷除外）一起出现，形成各种稀土矿物，不过由于这些稀土元素彼此间性质非常相似，因此不易从矿石中提取。
钪在地壳中分布非常稀散，在许多矿物中都仅以微量存在。[38]来自斯堪的纳维亚半岛[39]和马达加斯加[40]的硅铍钇矿、黑稀金矿和钪钇石等稀有矿物是当前世界上唯一已知的浓缩钪元素来源，尤其钪钇石中更含有高达45%的钪，以氧化钪的形式存在。[39]
钇存在于大多数稀土矿物中[41]，其地壳丰度在稀土元素中仅次于铈、钕和镧等三种轻稀土（LREE），是重稀土元素（HREE）中丰度最高的。部分稀土矿物以钇为主成分，例如磷钇矿[42]、钇易解石、氟碳钇矿等。钇的主要产地有中国、俄罗斯、印度、马来西亚和澳大利亚等。在美国阿波罗计划中采集到的月球岩石样本中也有发现较高浓度的钇。[43]
镥在矿物中从不作为主要成分存在，而总是以很低的含量和其他稀土共同伴生于矿石中，因此其分离过程非常困难。主要具有商业价值的含镥矿石是独居石，其中含有约0.003%的镥，主要产地有中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚。纯镥金属是最稀有也是最昂贵的稀土金属之一，每公斤售价约为1万美元，即金的四分之一左右。[44][45]
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生产
由于稀土元素在地壳中的稀散性和共生性，本族元素通常是作为提取其他元素时的副产品获得，少有独立成矿可供开采。[46]3族元素中最容易取得的元素是钇，2010年年产量为8900吨。钇主要以氧化钇的形式生产，目前99%的氧化钇都产自中国。[47]镥和钪也主要以氧化物的形式获得，2001年两者的年产量分别约为10吨和2吨。[48]
稀土金属的冶炼是个冗杂繁复且费时费力的过程，将矿石中的3族元素从其他稀土中提纯后，它们以氧化物的形式被分离出来；在与氢氟酸的反应过程中，氧化物会转化为氟化物。生成的氟化物再利用钙等碱土金属或其合金还原，即可得到3族元素金属单质[49]，例如：
- Sc2O3 + 3 HF → 2 ScF3 + 3 H2O
- 2 ScF3 + 3 Ca → 3 CaF2 + 2 Sc
像是铹等超铀元素是在粒子加速器里通过较轻元素的轰击引起核聚变生产的。大部分的铹同位素可以直接合成，但一些较重的铹同位素只能通过原子序更高的元素衰变而成。[50]
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生物作用和毒性
如同其他稀土及锕系元素，3族元素在生物圈中的利用度很低。目前没有发现本族元素在生物体中发挥任何生物学作用。
钪一般来说对人体是无毒的。钪被摄入人体后会集中在肝脏中，过量时可能对其构成威胁。此外，它的一些化合物可能会致癌。[51]钪在食物链中微量存在，人体每天摄入的钪少于0.1微克。[51]一旦钪被排放到环境中，就会在土壤中逐渐积累，从而导致土壤颗粒、动物和人体中的钪浓度增加。钪在工作环境中最为危险，因为钪粉尘会伴随湿气等与空气一同吸入肺部，从而可能导致肺栓塞，尤其在长时间接触下风险更大。钪对水生生物来说危险得多，它会破坏水生动物的细胞膜，对其繁殖和神经系统的功能造成多种负面影响。[51]
钇往往集中在人体的肝脏、肾脏、脾脏、肺和骨骼中[52]，在整个人体中通常只有约0.5毫克，人类母乳含有约4ppm的钇。[53]蔬果等食用植物中的钇含量大多介于20ppm至100ppm（鲜重）之间，其中高丽菜的钇含量最高。[53]木本植物的种子具有植物中最高的钇浓度，高达700ppm。[53]水溶钇化合物具微毒性，但非水溶化合物则不具毒性[53]。动物实验显示，钇及其化合物会造成肝和肺的破坏，但不同化合物的毒性程度各异。老鼠在吸入柠檬酸钇后，产生肺水肿和呼吸困难，吸入氯化钇后则有肝性水肿、胸腔积液及肺充血等症状。[54]吸入钇化合物可能引致肺病。[54]
镥主要累积在骨骼中，少量在肝脏和肾脏中。[55]镥在人体内的含量是所有镧系元素中最低的。[55]并没有数据记录人类的镥摄入量，但经估算约为每年数微克，主要经植物食物进入体内。可溶的镥盐具微毒性，但不可溶的镥盐则没有毒性。[55]
尽管目前对铹的化学特性所知不多，但是由于其高度的放射性可能引发辐射中毒，因此铹肯定具有极高的毒性。但由于铹只存在于核实验室等受管制的辐射区域，因此绝大多数人不可能接触甚至摄入铹元素。
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参考资料
参见
Wikiwand - on
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