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鈧

原子序數為21的化學元素

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（英語：gadolinite）（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）
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
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，然而鈧分佈非常稀散，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，鈧在地殼中分佈極為分散，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

參考文獻

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    3    )Sc(μ2−H)]
    2     and [{(η5−C
    5    Me
    4    )SiMe
    2    (η1−NCMe
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    2    CH
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外部連結

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