(英文:scandium),17种
ree之一,IIIB钪是
元素周期表中最轻的过渡族元素,也是
地壳中分布广泛的元素之一,地壳中的
丰度值为22×10-6。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。钪是一种银白色的、中等硬度的金属。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 "
斯堪的纳维亚半岛"。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
ree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
石陨石),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8×10-7%,
脊椎动物平均含钪4.5×10-6%,
植物病原线虫和
软体动物门含钪量较高,可达2×10-3。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]3d14s2(1s22s22p63s23p63d14s2)。尽管最
散逸层仅有两个电子,但由于存在
能级交错,实际上钪容易失去三个电子,形成Sc3+,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 45Sc,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种系元素(原子序号57-71)被划分为
ree,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
立方晶系(bcc)的 β-Sc。
化学性质
(二聚作用)
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、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、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
乙醇等有机
溶剂中的
溶解度不同,将钪从
ree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。
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。
安全事项
参考资料
scandium.The Royal Society of Chemistry.2023-03-12