钪的特性

钪（scandium）元素符号是Sc，原子序数是21。位于第4周期、第Ⅲ副族，原子质量:44.96，是一种过渡金属。钪的一个特征是同位素较多，共有37个同位素，其中只有1个同位素(47Sc)在大自然中是稳定存在的。主要化合价为+3价。

在元素化学里，钪与钇、镧系元素同属稀土家族（共17种元素）。在这十七种元素里面，钪的排位是最靠前的，并且它还是过渡金属的首位。但钪往往与其他稀土元素不共同成矿，而与钛、钒、铁等组合在一起。

钪作为稀土家族中最轻的成员，还有密度低，延展性好、催化性能优异等特点，是材料界中的多面手与高能者。因此钪是一种价值连城的金属，历史最贵时期曾达到黄金价格的10倍。2018年2月，美国公布了35种关键矿产清单，钪也作为重要的工业原料位列其中。是当之无愧的稀土贵族。

化学特性：

钪化学性质非常活泼，可以和热水反应生成氢气。置于空气中很容易与氧气、二氧化碳、水相化合，因此要填充氩气密封保存。钪被空气氧化时略带浅黄色或粉红色，容易风化。能在大多数稀酸中缓慢溶解，但是在强酸中表面易形成一个不渗透的钝化层，因此它不与硝酸（HNO3）和氢氟酸（HF）1:1混合物反应。

物理特性：

钪是一种柔软质轻、银白色的过渡金属，密度2.99 g/cm3，熔点1541℃（比铁、镍、稀土镧、铈、镨及钕等还要高），沸点2831℃（仅次于元素铼（5627℃）、钼（5560℃）和钴（2870℃））。易溶于水。

钪的发现

钪是排位最靠前的过渡金属，原子序数只有21，不过就发现而言，钪比他在元素周期表上面的左邻右舍都要晚，即使在稀土里面，钪的发现也不是较早的，其发现较晚的原因很简单，含量低，钪在每一吨地壳物质里面仅有5克，比其他轻元素要低不少。另外，稀土元素分离非常困难，想从混生的矿藏中找到钪并不容易。

1869年：门捷列夫给出的第一版元素周期表中，就赫然在钙的后面留有一个原子量45的空位。后来门捷列夫将钙之后的元素暂时命名为类硼（Eka-Boron），并给出了这个元素的一些物理化学性质。

十九世纪晚期：对稀土元素的研究成为一股热潮。在钪发现之前一年，瑞士的马利纳克（Marignac）从玫瑰红色的铒土中，通过局部分解硝酸盐的方式，得到了一种不同于铒土的白色氧化物，他将这种氧化物命名为镱土，这就是稀土元素发现里面的第六名。瑞典乌普萨拉大学的尼尔森（L.F.Nilson,1840~1899）按照马利纳克的方法将铒土提纯，并精确测量铒和镱的原子量（因为他这个时候正在专注于精确测量稀土元素的物理与化学常数以期对元素周期律作出验证）。当他经过13次局部分解之后，得到了3.5g纯净的镱土。但是这时候奇怪的事情发生了，马利纳克给出的镱的原子量是172.5，而尼尔森得到的则只有167.46。尼尔森敏锐地意识到这里面有可能是什么轻质的元素。于是他将得到的镱土又用相同的流程继续处理，最后当只剩下十分之一样品的时候，测得的原子量更是掉到了134.75；同时光谱中还发现了一些新的吸收线。尼尔森用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给钪命名为Scandium。

1879年：尼尔森正式公布了自己的研究结果，在他的论文中，还提到了钪盐和钪土的很多化学性质。不过在这篇论文中，他没有能给出钪的精确原子量，也还不确定钪在元素周期中的位置。尼尔森的好友，也是同在乌普萨拉大学任教的克利夫（P.T.Cleve,1840~1905）也在一起做这个工作。他从铒土出发，将铒土作为大量组分排除掉，再分出镱土和钪土之后，又从剩余物中找到了钬和铥这两个新的稀土元素。做为副产物，他提纯了钪土，并进一步了解了钪的物理和化学性质。这样一来，门捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之后，终于被克利夫捞了起来。

钪就是门捷列夫当初所预言的"类硼"元素。他们的发现再次证明了元素周期律的正确性和门捷列夫的远见卓识。

1937年：钪金属才由电解熔化的氯化钪生产出来。

钪的来源

湖南含钪的“红土”

钪不仅在地壳中含量很少，约为0.0005%，相当于每一吨地壳物质里面含5克钪，而且自然界中形成钪独立矿物的概率极低，仅为0.4%。钪在地壳中的平均丰度与铍、硼、锶、锡、锗、砷、硒和钨的丰度相当，但其分布却极为分散，是典型的稀散亲石元素。已知含钪的矿物多达800多种，但作为钪的独立矿物却只有钪钇矿、水磷钪矿、硅钪矿和钛硅酸稀金矿等少数几种，且矿源较小，在自然界中罕见。另一方面，钪的化学活性很高，很难制得高纯度金属。目前的调查结果显示，这些稀少的独立矿物主要分布在欧洲的少数几个国家和非洲的马达加斯加。

钪的用途

钪钠灯

钪的应用被人们广泛关注也只是近30年来的事情。因为稀少且名贵，钪及其化合物在工业应用方面好像大厨手中的盐、糖或味精，只需要一星半点，就有画龙点睛的作用。钪因其自身特殊物理、化学性质，已用于制备铝钪合金、燃料电池、钪钠卤灯、示踪剂、激光晶体等产品，在特种钢铁、特种玻璃、有色合金、高性能陶瓷、催化剂等领域有着广阔的应用。当前众多应用中，铝钪合金、燃料电池和钪钠卤灯对钪产品的需求量最大。

体育场照明钪钠灯

照明行业

钪钠灯：在灯泡中充入碘化钠和碘化钪，同时加入钪和钠箔，在高压放电时，钪离子和钠离子分别发出他们的特征发射波长的光，钠的谱线为589.0和589.6nm两条著名的黄色光线，而钪的谱线为361.3~424.7nm的一系列近紫外和蓝色光发射，因为互为补色，产生的总体光色就是白色光。相同照度的钪钠灯比普通白炽灯节电约80%，使用寿命长达5000~25000h，正是由于钪钠灯具有发光效率高、光色好、节电、使用寿命长和破雾能力强等特点，使其可广泛用于电视摄像和广场、体育馆、马路照明，被称为第三代光源。在中国这种灯还是作为新技术被逐渐推广的，而在一些发达国家，这种灯早在80年代初就被广泛使用了。

太阳能光电池：钪被用于太阳能电池，在金属-绝缘体-半导体硅光电池和太阳能电池中，钪是最好的阻挡金属，其效率可达10%~15%。

γ射线源：钪自己就能大放光明，不过这种光亮我们肉眼接收不到，是高能的光子流。我们平常从矿物中提炼出来的是45Sc，这是钪的唯一一种天然同位素，每一个45Sc的原子核中有21个质子和24个中子。倘若我们像把猴子放到太上老君的炼丹炉中炼上七七四十九天一样将钪放在核反应堆中，让他吸收中子辐射，原子核中多一个中子的46Sc就诞生了。46Sc这种人工放射性同位素可以当作γ射线源或者示踪原子，还可以用来对恶性肿瘤进行放射治疗。

其他：钇镓钪石榴石激光器、氟化钪玻璃红外光导纤维、电视机上钪涂层的阴极射线管之类，见证了钪和光明有不解之缘。

俄罗斯MIG29战斗机尾翼采用含钪金属

合金工业

铝合金的掺杂：钪是优化铝及铝合金性能最有效的元素，加入0.2%~0.4%的Sc（这个比例也真的和家里炒菜放盐的比例差不多，只需要那么一点）可使合金的再结晶温度提高150~200℃，且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。铝钪合金被认为是新一代轻质结构材料，在航空、航天、舰船的焊接荷重结构件以及碱性腐蚀介质环境用的管材、铁路油罐、轻型汽车、高速列车关键结构部件等具有广泛应用。

3D打印材料：当下时髦的3D打印技术中，新型高强度铝-镁-钪合金材料大显身手，它比大多数3D打印用的铝硅粉材料更加坚固。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打印摩托车，命名为光明骑士，其重量仅35千克，比一般电动摩托车轻30%。当然，除了这些高大上的用途外，钪铝合金制作的运动器材，如曲棍球球杆手柄、棒球棒、垒球棒，以及山地自行车、高级跑车等在美国等发达国家已较为常见。

铁的改化剂：少量钪可显著提高铸铁的强度和硬度。钪可以净化铁水，改变石墨形态，细化共晶团，在提高铸铁的铸造性能的同时改善和提高铸铁的常温和高温性能。

高温钨和铬合金的添加剂：钪还可用作高温钨和铬合金的添加剂。

钪钛合金和钪镁合金：因为钪具有较高熔点，而其密度却和铝接近，也被应用在钪钛合金和钪镁合金这样的高熔点轻质合金上，但是因为价格昂贵，一般只有航天飞机和火箭等高端制造业才会使用。

氧化钪（Sc2O3）

氧化钪

固体电解质：固体氧化物燃料电池可以直接将燃料能转化成电能，是继磷酸盐燃料电池和熔融碳酸盐型燃料电池后发展起来的第三代全固化电池。氧化钪作为稳定剂加入到氧化锆的固体电解质中，可以提高氧化锆的电导率，这一特性可以提高固体氧化物燃料电池的功率密度。是非常有前景的新型中温固体电解质。

激光陶瓷：将纯度为99.9%~99.99%的Sc2O3加入到钇镓石榴石（GGG）制得钇镓锐石榴石（GSGSS），后者的发射功率较前者提高了3倍。GSGG可用于反导弹防御系统、军事通讯、潜艇用水下激光器以及工业各领域。

氮化硅致密助剂：在氮化硅中添加氧化钪作为增密剂与添加其他氧化物相比。可以提高其高温力学性能。这种氧化钪致密的氮化硅（Sc2O3-Si3N4）还具有在干燥或潮湿环境中很高的抗氧化性。氧化钪还是氮化硅的良好烧结助剂，它不易生成四价金属和硅的氮氧化物，从而避免了因氧化膨胀而导致的开裂。这种优异的高温抗变形性，可归结于在细小颗粒的边缘生成了难熔相Sc2Si2O7。

核能工业：在高温反应堆核燃料中UO2加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8转化发生的晶格转变、体积增大和出现裂纹。

其他
半导体：在电子工业中，钪可用作各种半导体器件，如钪的亚硫酸盐在半导体中的应用已引起了国内外的注意，含钪的铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途。

催化剂：在化学化工中，钪常被作为催化剂使用，Sc2O3可用于乙醇或异丙醇脱水和脱氧、乙酸分解，由CO和H2制乙烯等等中。含Sc2O3的Pt-Al催化剂更是在石油化工中作为重油氢化提净，精炼流程的重要催化剂。而在诸如异丙苯催化裂化反应中，Sc-Y沸石催化剂比硅酸铝的活性大1000倍；和一些传统的催化剂比起来，钪催化剂的发展前景将是很光明的。

特种玻璃：可以制造含钪的特种玻璃。

农业育种：在农业上可以对玉米、甜菜、豌豆、小麦、向日葵等种子做硫酸钪（浓度一般为10^-3~10^-8mol/L，不同的植物会有所不同）处理，以取得促进发芽的实际效果，8小时后根和芽的干燥重量和幼苗相比，分别增加37%和78%，但原因机理尚在研究中。

整体而言，钪在新材料、新能源、信息技术、航空航天以及国防军工等高精尖领域有着十分广泛的应用前景。

钪的危害

钪对于人来说是不是必需元素，目前尚无定论。人体中钪微量存在。怀疑其有致癌性。钪化合物的动物试验已经完成，氯化钪的半数致死量已被确定为4毫克/千克腹腔和755毫克/千克口服给药。从这些结果看来钪化合物应处理为中度毒性化合物。

结语

自1879年被尼尔森发现到今天，钪元素已拥有140多年历史，但这其中却有近百年的时间是坐在冷板凳上。直到上个世纪后期，材料科学的蓬勃发展为这种看似高冷低调的元素注入了活力。钪一举跻身稀土家族中的“贵族”，实现了从“无人问津”到“奇货可居”的华丽转身。虽然因为价格高昂，钪和钪的化合物在很多实际应用中只能像大厨手中的名贵调料那样加入一星半点，却能使产品性能得到成倍的优化提高，堪称一种神奇的工业调味料。

钪默默地为我们的生活带来便利和精彩。伴随着未来科技的飞速发展，神秘又奇特的钪元素必将散发出更加绚丽的光芒。

目前不少国家将钪列为了关键金属或者战略金属，加快了钪的开采、提取和应用等方面的研究，相信在不久的将来，钪的产品可以走进千家万户。

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