钪 （元素周期表中第21位的元素）

简介

钪的熔点为1541℃，沸点为2836℃，在-273 °C到熔点的 温度区间内为顺磁性物质。钪在地壳的分布极为分散，很少在地质作用过程中形成高含量的独立矿物和矿床。金属钪及其化合物具有优良的理化性质，在燃料电池、半导体、金属冶炼、医疗等行业领域中都有非常重要的应用价值。

发现历史

1869年，俄罗斯化学家德米特里-门捷列夫（Dmitri Mendeleev）根据周期律预测了一种原子质量在40和48之间的元素的存在，他称之为“准硼”（ekaboron），该元素排序位于铝和钇之间。1879年，拉斯-弗雷德里克-尼尔森（Lars Fredrik Nilson）在黑稀金矿和硅铍钇矿进行光谱分析时检测到钪的存在，并成功制备了2克高纯度的氧化钪，经过性质的比较和检测，证实了钪正是门捷列夫所预测的元素。他将该元素命名为scandium，来源于拉丁语Scandia，意为 "斯堪的纳维亚"。1937年，德国化学家菲谢尔（Emil FischerFischer）通过在700-800℃下电解钾、锂和氯化钪的共晶混合物，首次生产出了金属钪。1973年，美国科学家斯佩丁 (F.H.Spedding)制得纯度99.9％的钪。

分布情况

尽管被归类为17种稀土元素之一，但钪在自然界分布广泛，在地壳中丰度为22ppm，排在所有元素的第35位，与钴含量类似。钪在地壳的分布极为分散，很少在地质作用过程中形成高含量的独立矿物和矿床，限制了其的开采及应用，给人留下不常见的印象。据资料显示，目前已探明的钪储量为200万吨，分布在俄罗斯、乌克兰、美国、中国、澳大利亚、菲律宾、马达加斯加、挪威、意大利和哈萨克斯坦等国家。

由于特殊的地球化学性质，钪的独立钪矿物较为稀少，截至2020年仅发现18种（有3种来源于陨石），但是含钪的矿物种类却多达800多种，在自然界中以正三价形式主要赋存于基性岩和超基性岩的铁镁质矿物、富高场强元素矿物、表生风化矿物及部分稀土矿物中。含钪独立矿物主要发育于花岗伟晶岩和碳酸岩中。

土壤中的钪可被植物吸收，而后通过食物链进入动物和人体，陆地植物平均含钪8×10%，脊椎动物平均含钪4.5×10%，蠕虫和软体动物含钪量较高，可达2×10。钪在人的大脑中也有分布，含量约为10μg／kg。

理化性质

原子结构

钪的元素符号为Sc，其原子序数为21，原子量为44.9559，属于第四周期第ⅢB族元素，原子核内有 21个质子和 19-30 个中子，核外有21个电子，分布在 K，L，M和N四个电子层上。钪的电子结构非常特殊，具体排布为：[Ar]3ds（1s2s2p3s3p3d4s）。尽管最外层仅有两个电子，但由于存在能级交错，实际上钪容易失去三个电子，形成Sc，因此其部分性质与铝较为类似。钪也存在少数非三价态的化合物，如CsScCl₃等_。在自然界中，钪只有一种稳定的同位素 Sc，此外还有11种人工放射性同位素。

物理性质

钪是一种银白色的、中等硬度的金属，是元素周期表中最轻的过渡族元素。它在空气中相当稳定，但由于在表面形成Sc₂O₃氧化物，它的颜色会慢慢从银白色变为淡黄色。钪能够溶解于各类酸中（氢氟酸除外），在水溶液中均为无色。钪的熔点为1541℃，沸点为2836℃，在-273 °C到熔点的温度区间内为顺磁性物质，温度降至-273.1°C（186KPa）时成为超导。

钪与钇（原子序号39，Y）和15种镧系元素（原子序号57-71）被划分为稀土元素，因常以氧化物或含氧酸盐物种伴生，且天然丰度较低而得名。然而，由于钪的离子半径与其余的稀土元素相差较大，钪与其余16种元素的性质并不类似，某些研究并没有把钪纳入稀土元素的讨论中。

钪有两种晶型。 α-Sc在标准状态下为六方密集晶格 (hcp)结构，当温度升高至1337°C以上则转变为体心立方晶格(bcc)的 β-Sc。

化学性质

• 钪的化学性质与铝相似，易与空气中的氧、二氧化碳和水等化合，常温下能够稳定存在，这是因为在常温下空气中的氧气氧化，在表面上形成致密的薄膜，在200℃时仍能够稳定存在，将金属大部与空气隔离。

• 金属钪能够与多种非金属单质反应，但所需的条件有所区别。钪与卤素气体在常温下即可反应，生成钪的三价卤化物；与氮气的反应则需要在 600℃以上才能进行；与碳、硅、硼等非金属固体需要更高的温度。

• 在500~800℃的温度下，钪在空气中可被氧化，生成氧化钪（Sc₂O₃）。

• 钪原子容易失去电子，形成三价阳离子，容易形成配合物。

• 钪的某些性质类似于稀土，具有较强的配位性，可生成硫酸复盐，能被草酸和氢氟酸沉淀，生成草酸镜，氟化镜、硫酸镜复盐的沉淀物。

• 钪能与所有无机酸反应，失去电子，形成Sc。由于钪具有较强的配位性，Sc主要以络离子的形式存在。例如，在过氯酸溶液中，Sc与水分子形成了[Sc[H₂O]₆]水合离子，该离子同时会发生下列作用，生成多种水合离子。

• 钪与铝类似，具有两性性质。

化合物

钪的化学性质比较活泼，能够与多种非金属单质以及酸反应，生成对应的化合物，钪在化合物里呈稳定的三价状态。下面是几种常见的含钪化合物。

生产制备

工业生产

在自然界中，除了钪钇石含钪较富而外，锐通常共伴生在多种矿物中，集中度不高，这给钪的富集和提纯增加了困难。在实际生产中，钪通常是在其他金属（铝、钨、钦、锡、铀和钻）制备过程中作为副产品被回收的。因此，钪的制备一般分为两个阶段：首先是将钪从大量的伴生元素中分离富集，而后提纯。工业中钪的生产可分为以下三类途径：从原生矿物中提取钪，从工业废渣中回收钪以及从工业废液中回收钪。

从原生矿物提取钪

由于钪广泛分布于各类矿物种，因此，可提取钪的原生矿物是比较多的，主要包括稀土矿、钛铁矿、钨矿、钒钛磁铁矿、镍矿和一些放射性矿物（如铀矿）等。从矿物中提取钪通常是依据矿物的特性和钪矿床情况，通过重选、磁选、浮选和电选等方法富集钪，进而用湿法浸出钪精矿，再对浸出液进行萃取、净化和焙烧获得氧化钪产物。例如，在稀土钪中，主要利用的是钪与酸反应生成的盐与其余稀有元素在无水乙醇等有机溶剂中的溶解度不同，将钪从稀土元素中分离出来；在含钛铁矿中，首先通过多次研磨、振动分级、摇床等流程将粗钪矿重选为精钪矿，而后使用盐酸将钪浸出，实现富集的目的；从镍矿回收钪：在高压条件下，采用硫酸浸出得到94%的钪，调节酸碱度使钪沉淀。

从含钪废渣中回收钪

赤泥、钨渣、合金渣、钛铁矿等氯化焙烧时产生的氯化烟尘和粉煤灰中含有较多的钪。从这些废渣中回收钪，一般使用酸进行浸出，使钪沉淀，这个过程可能需要经过反复多次的萃取和沉淀，达到富集的目的，最后对富集物进行煅烧得到氧化钪。

从工业废液中回收钪

采用湿法冶金处理含有伴生钪的矿石时，将钪与目标元素浸出，回收目标元素后，钪随着废液排出。因此，工业废液也是一种回收钪的原料来源。综上所述，截止至今，一般采用溶剂萃取法、沉淀法、离子交换法和液膜萃取法对工业废液中的钪进行提炼处理。

实验室制备

金属钪的制备一般使用氯化钪为原料，采用电解、还原等手段制得单质钪。

• 熔盐电解法：将钪三氧化物溶解在氯化锂-锂氯化物等混合盐熔体中，作为电解液，通过外加电压，在熔融锌阴极中还原出钪金属，阴极处发生的反应方程为：

• 氯化航钙还原法：在高温条件下，使用金属钙与氯化钪发生还原反应，而后使用溶剂浸出钪单质，

• 熔融还原法：将钪三氯化物（气体）和钠金属（气体）按一定的摩尔比例混合，放入惰性气体保护下的高温熔融炉中加热，反应生成钪金属和氯化钠（气体），反应方程式如下：

用途

金属钪及其化合物具有优良的理化性质，在燃料电池、半导体、金属冶炼、医疗等行业领域中都有非常重要的应用价值。

• 在照明行业，钪及其化合物是优异的电光源材料[4-9。钪钠灯是使用碘化钪、金属钠等制成的新一代光源，具有亮度高、节能、使用寿命长等优点，具有优良的破雾能力，在露天开阔场景中广泛使用。

• 在化学电池方面，航在固体氧化物燃料电池中有重要的应用价值，可作为氧化物阴极的激活剂和催化剂，被应用于彩色显像管阴极电子枪和办公自动化机器的阴极射线管。

• 在半导体领域，钪及其可以用作半导体材料中的掺杂剂，提高半导体的导电性能。砷化钪可作为热敏电阻以及热电发生器，钪的合金还可以用于电子发射材料。

• 在冶金领域，钪可以加入合金中，以增强合金的强度和耐腐蚀能力和耐热性能。例如，钪加入铝合金中能够显著提升强度、塑性、耐热性、抗腐蚀性和可焊结性等性能。

• 在化工方面，镜很多化合物等可作为催化剂，应用非常普遍。

• 在农业方面，对玉米、甜菜、及葵花籽等进行硫酸镜处理，可以改善这些种子的发育情况。

安全事项

• 金属钪粉末易燃，有刺激性，在半导体制造行业中，有暴露的风险。

• 目前钪没有已知的生物学作用。它是一种可疑的致癌物。

• 国际放射防护协会 将放射性核素的危险性分为４级，Sc，Sc和Sc都属于C级。钪很少被人的内脏壁吸收，一旦被吸收则排出很慢，容易在肝和肾脏中集积。

• 动物实验表明，钪存在一定的毒性。钪能对家兔视力持续性造成损伤。将氯化钪溶液分别用静脉或内腹膜注射入鼠体内，其 24 小时致死剂量分别为 440 和24mg/kg。