鈧的特性
鈧（scandium）元素符號(hào)是Sc，原子序數(shù)是21。位于第4周期、第Ⅲ副族，原子質(zhì)量:44.96，是一種過(guò)渡金屬。鈧的一個(gè)特征是同位素較多，共有37個(gè)同位素，其中只有1個(gè)同位素(47Sc)在大自然中是穩(wěn)定存在的。主要化合價(jià)為+3價(jià)。
在元素化學(xué)里，鈧與釔、鑭系元素同屬稀土家族（共17種元素）。在這十七種元素里面，鈧的排位是最靠前的，并且它還是過(guò)渡金屬的首位。但鈧往往與其他稀土元素不共同成礦，而與鈦、釩、鐵等組合在一起。
鈧作為稀土家族中最輕的成員，還有密度低，延展性好、催化性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是材料界中的多面手與高能者。因此鈧是一種價(jià)值連城的金屬，歷史最貴時(shí)期曾達(dá)到黃金價(jià)格的10倍。2018年2月，美國(guó)公布了35種關(guān)鍵礦產(chǎn)清單，鈧也作為重要的工業(yè)原料位列其中。是當(dāng)之無(wú)愧的稀土貴族。
化學(xué)特性：
鈧化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，可以和熱水反應(yīng)生成氫氣。置于空氣中很容易與氧氣、二氧化碳、水相化合，因此要填充氬氣密封保存。鈧被空氣氧化時(shí)略帶淺黃色或粉紅色，容易風(fēng)化。能在大多數(shù)稀酸中緩慢溶解，但是在強(qiáng)酸中表面易形成一個(gè)不滲透的鈍化層，因此它不與硝酸（HNO3）和氫氟酸（HF）1:1混合物反應(yīng)。
物理特性：
鈧是一種柔軟質(zhì)輕、銀白色的過(guò)渡金屬，密度2.99 g/cm3，熔點(diǎn)1541℃（比鐵、鎳、稀土鑭、鈰、鐠及釹等還要高），沸點(diǎn)2831℃（僅次于元素錸（5627℃）、鉬（5560℃）和鈷（2870℃））。易溶于水。
鈧的發(fā)現(xiàn)
鈧是排位最靠前的過(guò)渡金屬，原子序數(shù)只有21，不過(guò)就發(fā)現(xiàn)而言，鈧比他在元素周期表上面的左鄰右舍都要晚，即使在稀土里面，鈧的發(fā)現(xiàn)也不是較早的，其發(fā)現(xiàn)較晚的原因很簡(jiǎn)單，含量低，鈧在每一噸地殼物質(zhì)里面僅有5克，比其他輕元素要低不少。另外，稀土元素分離非常困難，想從混生的礦藏中找到鈧并不容易。
1869年：門(mén)捷列夫給出的第一版元素周期表中，就赫然在鈣的后面留有一個(gè)原子量45的空位。后來(lái)門(mén)捷列夫?qū)⑩}之后的元素暫時(shí)命名為類(lèi)硼（Eka-Boron），并給出了這個(gè)元素的一些物理化學(xué)性質(zhì)。
十九世紀(jì)晚期：對(duì)稀土元素的研究成為一股熱潮。在鈧發(fā)現(xiàn)之前一年，瑞士的馬利納克（Marignac）從玫瑰紅色的鉺土中，通過(guò)局部分解硝酸鹽的方式，得到了一種不同于鉺土的白色氧化物，他將這種氧化物命名為鐿土，這就是稀土元素發(fā)現(xiàn)里面的第六名。瑞典烏普薩拉大學(xué)的尼爾森（L.F.Nilson,1840~1899）按照馬利納克的方法將鉺土提純，并精確測(cè)量鉺和鐿的原子量（因?yàn)樗@個(gè)時(shí)候正在專(zhuān)注于精確測(cè)量稀土元素的物理與化學(xué)常數(shù)以期對(duì)元素周期律作出驗(yàn)證）。當(dāng)他經(jīng)過(guò)13次局部分解之后，得到了3.5g純凈的鐿土。但是這時(shí)候奇怪的事情發(fā)生了，馬利納克給出的鐿的原子量是172.5，而尼爾森得到的則只有167.46。尼爾森敏銳地意識(shí)到這里面有可能是什么輕質(zhì)的元素。于是他將得到的鐿土又用相同的流程繼續(xù)處理，最后當(dāng)只剩下十分之一樣品的時(shí)候，測(cè)得的原子量更是掉到了134.75；同時(shí)光譜中還發(fā)現(xiàn)了一些新的吸收線。尼爾森用他的故鄉(xiāng)斯堪的納維亞半島給鈧命名為Scandium。
1879年：尼爾森正式公布了自己的研究結(jié)果，在他的論文中，還提到了鈧鹽和鈧土的很多化學(xué)性質(zhì)。不過(guò)在這篇論文中，他沒(méi)有能給出鈧的精確原子量，也還不確定鈧在元素周期中的位置。尼爾森的好友，也是同在烏普薩拉大學(xué)任教的克利夫（P.T.Cleve,1840~1905）也在一起做這個(gè)工作。他從鉺土出發(fā)，將鉺土作為大量組分排除掉，再分出鐿土和鈧土之后，又從剩余物中找到了鈥和銩這兩個(gè)新的稀土元素。做為副產(chǎn)物，他提純了鈧土，并進(jìn)一步了解了鈧的物理和化學(xué)性質(zhì)。這樣一來(lái)，門(mén)捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之后，終于被克利夫撈了起來(lái)。
鈧就是門(mén)捷列夫當(dāng)初所預(yù)言的"類(lèi)硼"元素。他們的發(fā)現(xiàn)再次證明了元素周期律的正確性和門(mén)捷列夫的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。
1937年：鈧金屬才由電解熔化的氯化鈧生產(chǎn)出來(lái)。
鈧的來(lái)源
湖南含鈧的“紅土”
鈧不僅在地殼中含量很少，約為0.0005%，相當(dāng)于每一噸地殼物質(zhì)里面含5克鈧，而且自然界中形成鈧獨(dú)立礦物的概率極低，僅為0.4%。鈧在地殼中的平均豐度與鈹、硼、鍶、錫、鍺、砷、硒和鎢的豐度相當(dāng)，但其分布卻極為分散，是典型的稀散親石元素。已知含鈧的礦物多達(dá)800多種，但作為鈧的獨(dú)立礦物卻只有鈧釔礦、水磷鈧礦、硅鈧礦和鈦硅酸稀金礦等少數(shù)幾種，且礦源較小，在自然界中罕見(jiàn)。另一方面，鈧的化學(xué)活性很高，很難制得高純度金屬。目前的調(diào)查結(jié)果顯示，這些稀少的獨(dú)立礦物主要分布在歐洲的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家和非洲的馬達(dá)加斯加。
鈧的用途
鈧鈉燈
鈧的應(yīng)用被人們廣泛關(guān)注也只是近30年來(lái)的事情。因?yàn)橄∩偾颐F，鈧及其化合物在工業(yè)應(yīng)用方面好像大廚手中的鹽、糖或味精，只需要一星半點(diǎn)，就有畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。鈧因其自身特殊物理、化學(xué)性質(zhì)，已用于制備鋁鈧合金、燃料電池、鈧鈉鹵燈、示蹤劑、激光晶體等產(chǎn)品，在特種鋼鐵、特種玻璃、有色合金、高性能陶瓷、催化劑等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。當(dāng)前眾多應(yīng)用中，鋁鈧合金、燃料電池和鈧鈉鹵燈對(duì)鈧產(chǎn)品的需求量最大。
體育場(chǎng)照明鈧鈉燈
照明行業(yè)
鈧鈉燈：在燈泡中充入碘化鈉和碘化鈧，同時(shí)加入鈧和鈉箔，在高壓放電時(shí)，鈧離子和鈉離子分別發(fā)出他們的特征發(fā)射波長(zhǎng)的光，鈉的譜線為589.0和589.6nm兩條著名的黃色光線，而鈧的譜線為361.3~424.7nm的一系列近紫外和藍(lán)色光發(fā)射，因?yàn)榛檠a(bǔ)色，產(chǎn)生的總體光色就是白色光。相同照度的鈧鈉燈比普通白熾燈節(jié)電約80%，使用壽命長(zhǎng)達(dá)5000~25000h，正是由于鈧鈉燈具有發(fā)光效率高、光色好、節(jié)電、使用壽命長(zhǎng)和破霧能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其可廣泛用于電視攝像和廣場(chǎng)、體育館、馬路照明，被稱為第三代光源。在中國(guó)這種燈還是作為新技術(shù)被逐漸推廣的，而在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，這種燈早在80年代初就被廣泛使用了。
太陽(yáng)能光電池：鈧被用于太陽(yáng)能電池，在金屬-絕緣體-半導(dǎo)體硅光電池和太陽(yáng)能電池中，鈧是最好的阻擋金屬，其效率可達(dá)10%~15%。
γ射線源：鈧自己就能大放光明，不過(guò)這種光亮我們?nèi)庋劢邮詹坏?，是高能的光子流。我們平常從礦物中提煉出來(lái)的是45Sc，這是鈧的唯一一種天然同位素，每一個(gè)45Sc的原子核中有21個(gè)質(zhì)子和24個(gè)中子。倘若我們像把猴子放到太上老君的煉丹爐中煉上七七四十九天一樣將鈧放在核反應(yīng)堆中，讓他吸收中子輻射，原子核中多一個(gè)中子的46Sc就誕生了。46Sc這種人工放射性同位素可以當(dāng)作γ射線源或者示蹤原子，還可以用來(lái)對(duì)惡性腫瘤進(jìn)行放射治療。
其他：釔鎵鈧石榴石激光器、氟化鈧玻璃紅外光導(dǎo)纖維、電視機(jī)上鈧涂層的陰極射線管之類(lèi)，見(jiàn)證了鈧和光明有不解之緣。
俄羅斯MIG29戰(zhàn)斗機(jī)尾翼采用含鈧金屬
合金工業(yè)
鋁合金的摻雜：鈧是優(yōu)化鋁及鋁合金性能最有效的元素，加入0.2%~0.4%的Sc（這個(gè)比例也真的和家里炒菜放鹽的比例差不多，只需要那么一點(diǎn)）可使合金的再結(jié)晶溫度提高150~200℃，且高溫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、焊接性能和抗腐蝕性能均明顯提高，并可避免高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)易產(chǎn)生的脆化現(xiàn)象。鋁鈧合金被認(rèn)為是新一代輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、艦船的焊接荷重結(jié)構(gòu)件以及堿性腐蝕介質(zhì)環(huán)境用的管材、鐵路油罐、輕型汽車(chē)、高速列車(chē)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件等具有廣泛應(yīng)用。
3D打印材料：當(dāng)下時(shí)髦的3D打印技術(shù)中，新型高強(qiáng)度鋁-鎂-鈧合金材料大顯身手，它比大多數(shù)3D打印用的鋁硅粉材料更加堅(jiān)固。2015年空客公司的子公司APWorks用此材料打印出世界上第一款3D打印摩托車(chē)，命名為光明騎士，其重量?jī)H35千克，比一般電動(dòng)摩托車(chē)輕30%。當(dāng)然，除了這些高大上的用途外，鈧鋁合金制作的運(yùn)動(dòng)器材，如曲棍球球桿手柄、棒球棒、壘球棒，以及山地自行車(chē)、高級(jí)跑車(chē)等在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已較為常見(jiàn)。
鐵的改化劑：少量鈧可顯著提高鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。鈧可以凈化鐵水，改變石墨形態(tài)，細(xì)化共晶團(tuán)，在提高鑄鐵的鑄造性能的同時(shí)改善和提高鑄鐵的常溫和高溫性能。
高溫鎢和鉻合金的添加劑：鈧還可用作高溫鎢和鉻合金的添加劑。
鈧鈦合金和鈧鎂合金：因?yàn)殁偩哂休^高熔點(diǎn)，而其密度卻和鋁接近，也被應(yīng)用在鈧鈦合金和鈧鎂合金這樣的高熔點(diǎn)輕質(zhì)合金上，但是因?yàn)閮r(jià)格昂貴，一般只有航天飛機(jī)和火箭等高端制造業(yè)才會(huì)使用。
氧化鈧（Sc2O3）
氧化鈧
固體電解質(zhì)：固體氧化物燃料電池可以直接將燃料能轉(zhuǎn)化成電能，是繼磷酸鹽燃料電池和熔融碳酸鹽型燃料電池后發(fā)展起來(lái)的第三代全固化電池。氧化鈧作為穩(wěn)定劑加入到氧化鋯的固體電解質(zhì)中，可以提高氧化鋯的電導(dǎo)率，這一特性可以提高固體氧化物燃料電池的功率密度。是非常有前景的新型中溫固體電解質(zhì)。
激光陶瓷：將純度為99.9%~99.99%的Sc2O3加入到釔鎵石榴石（GGG）制得釔鎵銳石榴石（GSGSS），后者的發(fā)射功率較前者提高了3倍。GSGG可用于反導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、軍事通訊、潛艇用水下激光器以及工業(yè)各領(lǐng)域。
氮化硅致密助劑：在氮化硅中添加氧化鈧作為增密劑與添加其他氧化物相比?？梢蕴岣咂涓邷亓W(xué)性能。這種氧化鈧致密的氮化硅（Sc2O3-Si3N4）還具有在干燥或潮濕環(huán)境中很高的抗氧化性。氧化鈧還是氮化硅的良好燒結(jié)助劑，它不易生成四價(jià)金屬和硅的氮氧化物，從而避免了因氧化膨脹而導(dǎo)致的開(kāi)裂。這種優(yōu)異的高溫抗變形性，可歸結(jié)于在細(xì)小顆粒的邊緣生成了難熔相Sc2Si2O7。
核能工業(yè)：在高溫反應(yīng)堆核燃料中UO2加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8轉(zhuǎn)化發(fā)生的晶格轉(zhuǎn)變、體積增大和出現(xiàn)裂紋。
其他
半導(dǎo)體：在電子工業(yè)中，鈧可用作各種半導(dǎo)體器件，如鈧的亞硫酸鹽在半導(dǎo)體中的應(yīng)用已引起了國(guó)內(nèi)外的注意，含鈧的鐵氧體在計(jì)算機(jī)磁芯中也頗有前途。
催化劑：在化學(xué)化工中，鈧常被作為催化劑使用，Sc2O3可用于乙醇或異丙醇脫水和脫氧、乙酸分解，由CO和H2制乙烯等等中。含Sc2O3的Pt-Al催化劑更是在石油化工中作為重油氫化提凈，精煉流程的重要催化劑。而在諸如異丙苯催化裂化反應(yīng)中，Sc-Y沸石催化劑比硅酸鋁的活性大1000倍；和一些傳統(tǒng)的催化劑比起來(lái)，鈧催化劑的發(fā)展前景將是很光明的。
特種玻璃：可以制造含鈧的特種玻璃。
農(nóng)業(yè)育種：在農(nóng)業(yè)上可以對(duì)玉米、甜菜、豌豆、小麥、向日葵等種子做硫酸鈧（濃度一般為10-3~10-8mol/L，不同的植物會(huì)有所不同）處理，以取得促進(jìn)發(fā)芽的實(shí)際效果，8小時(shí)后根和芽的干燥重量和幼苗相比，分別增加37%和78%，但原因機(jī)理尚在研究中。
整體而言，鈧在新材料、新能源、信息技術(shù)、航空航天以及國(guó)防軍工等高精尖領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。
鈧的危害
鈧對(duì)于人來(lái)說(shuō)是不是必需元素，目前尚無(wú)定論。人體中鈧微量存在。懷疑其有致癌性。鈧化合物的動(dòng)物試驗(yàn)已經(jīng)完成，氯化鈧的半數(shù)致死量已被確定為4毫克/千克腹腔和755毫克/千克口服給藥。從這些結(jié)果看來(lái)鈧化合物應(yīng)處理為中度毒性化合物。
結(jié)語(yǔ)
自1879年被尼爾森發(fā)現(xiàn)到今天，鈧元素已擁有140多年歷史，但這其中卻有近百年的時(shí)間是坐在冷板凳上。直到上個(gè)世紀(jì)后期，材料科學(xué)的蓬勃發(fā)展為這種看似高冷低調(diào)的元素注入了活力。鈧一舉躋身稀土家族中的“貴族”，實(shí)現(xiàn)了從“無(wú)人問(wèn)津”到“奇貨可居”的華麗轉(zhuǎn)身。雖然因?yàn)閮r(jià)格高昂，鈧和鈧的化合物在很多實(shí)際應(yīng)用中只能像大廚手中的名貴調(diào)料那樣加入一星半點(diǎn)，卻能使產(chǎn)品性能得到成倍的優(yōu)化提高，堪稱一種神奇的工業(yè)調(diào)味料。
鈧默默地為我們的生活帶來(lái)便利和精彩。伴隨著未來(lái)科技的飛速發(fā)展，神秘又奇特的鈧元素必將散發(fā)出更加絢麗的光芒。
目前不少國(guó)家將鈧列為了關(guān)鍵金屬或者戰(zhàn)略金屬，加快了鈧的開(kāi)采、提取和應(yīng)用等方面的研究，相信在不久的將來(lái)，鈧的產(chǎn)品可以走進(jìn)千家萬(wàn)戶。
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