钪

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7001449559070000000♠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（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 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） 钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体） 铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体） 铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体） 钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体） － ↑ 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）
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 （粗体为常见氧化态）	+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 查 论 编
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

化学性质

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（${\displaystyle {\ce {HNO3}}}$）和氢氟酸（${\displaystyle {\ce {HF}}}$）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

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(${\displaystyle {\ce {^45Sc}}}$)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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• 稀土元素