鈧

鈧（kong3）（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7001449559070000000♠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，在斯堪的納維亞半島的黑稀金礦（英語：euxenite）（euxenite）和矽鈹釔礦（gadolinite）中，使用光譜分析發現的，其名稱即源於斯堪的納維亞半島的拉丁語：scandia。

鈧 ₂₁Sc

氫（非金屬） 氦（貴氣體） 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（貴氣體） 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（貴氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體） 鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體） － ↑ 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]
電子排布	[Ar] 3d1 4s2 2，8，9，2 鈧的電子層（2，8，9，2）
歷史
預測	迪米崔·門捷列夫（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）
電離能	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 閱 論 編
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着對角線關係，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（${\displaystyle {\ce {HNO3}}}$）和氫氟酸（${\displaystyle {\ce {HF}}}$）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(${\displaystyle {\ce {^45Sc}}}$)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；接着是半衰期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體，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]來自斯堪的納維亞^[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

鈧與環戊二烯基配體 (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配合物。^[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，門捷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」（斯堪的納維亞半島）。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

• 稀土元素