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钪 |
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| 钪(Sc) 在元素化学里，有一系列 性质非常接近的金属元素被称为稀土元素。这一系列中包括了十五个镧系元素--镧（La） 、铈（Ce）、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬 (Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)；以及和这些同族而性质相似的两个更轻的元素 ：钪（Sc）和钇（Y）。这一系列元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，\"土\" 是当时对不溶于水的金属氧化物的统称，因此得名稀土（Rare earth）。在这十七个元素 里面，钪的排位是最靠前的，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了差不多上百年，即使在稀土里面，钪的发现也不是较早的，排列在 钇、铈、镧、铒、铽和镱后面，名列第七。作为最轻的先锋官，他的出场委实晚了一些。 原因很简单，钪在地壳里的含量并不高，只有5*10-6，也就相当于每一吨地壳物质里面有 5克（一小块德芙巧克力或者大白兔奶糖），不但和其他轻元素相比要低不少，在整个稀 土元素中含量也仅属中等，大概只有他最富裕的兄弟铈的1/10。另外呢，稀土元素感觉很 有点集体领导的意思，他们的矿藏仿佛是在开政治局会议一样，只要一开会，这一伙元素 就往往要全部列席会议，这样一来，想从混生的矿藏中找到我们的钪，其实并不容易。 不过虽然一直没被发现，这个元素的存在却已经有人作出过预言。在门捷列夫1869年给出 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 之后的元素暂时定名为类硼（Eka-Boron），并给出了这个元素的一些物理化学性质。不 过这个预言就像放在漂流瓶中的信笺一样，暂时被汪洋的学术大海静静湮没了。 门捷列夫的预言没有得到人们的注意，但是在十九世纪晚期，对稀土元素的研究却成为了 一股热潮。在钪发现之前一年，瑞士的马利纳克（de 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。当时老马手头样品没多少了，就建议手头有 充足铒土的科学家多制备一些镱土，以研究它的性质。当时瑞典乌泼撒拉大学的尼尔森手 头正好有铒土的样品，他就想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鱼目混珠进去，才让这个原子量的测定不再准 斤足两。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。尼尔森的判 断是正确的，因此也就获得了给孩子起名的权利。他用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给钪命 名为Scandium。1879年，他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，也是同在乌泼撒拉大学任教的克利夫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，他认识到，钪 ，就是门捷列夫的类硼。我们来看看钪的一些化学性质和瓶中那张古旧的羊皮纸上写过的 预言是否吻合吧。 Eka-Boron Scandium 原子量 44 45.1（克利夫，1879） 44.955910（IUPAC，现代） 可以形成Eb2O3形式的化合物，其比重3.5，碱性强于氧化铝，弱于氧化钇和氧化镁；是否 能与氯化铵反应还是疑问。钪土Sc2O3，其比重3.86，碱性强于氧化铝，弱于氧 化钇和氧化镁，与氯化铵不反应。 盐类无色，与氢氧化钾和碳酸钠形成胶体沉淀，各种盐类均难以完好结晶。钪盐无 色，与氢氧化钾和碳酸钠形成胶体沉淀，硫酸盐极难结晶。 碳酸盐不溶于水，可能形成碱式碳酸盐沉淀。碳酸钪不溶于水，并容易脱掉二氧 化碳。 硫酸复盐可能不形成矾。 钪的硫酸复盐不成矾。 无水氯化物EbCl3挥发性低于氯化铝，比氯化镁更容易水解。 ScCl3升华温度850oC， AlCl3则为100oC，在水溶液中水解。 Eb不由光谱发现。 Sc不由光谱发现。 在那个不但对于元素的电子层结构一无所知（连电子都是1899年才发现的），甚至还有权 威如杜马这样的化学家对原子论都持怀疑态度。能将一个未发现的元素的性质描述得如此 精准，真是让读者后背泛起一层隐隐的凉意。 钪 门捷列夫 （1834-1907 ） 尼尔森 （1840-1899） 克利夫 （ 1840-1905） 2. 光明之子 在被发现后相当长一段时间里，因为难于制得，钪的用途一直没有表现出来。随着对稀土 元素分离方法的日益改进，如今用于提纯钪的化合物，已经有了相当成熟的工艺流程。因 为钪比起钇和镧系元素来，氢氧化物的碱性是最弱的，所以包含了钪的稀土元素混生矿， 经过处理转入溶液后用氨处理时，氢氧化钪将首先析出，故应用\"分级沉淀\"法可比较容易 地把它从稀土元素中分离出来。另一种方法是利用硝酸盐的分极分解进行分离，由于硝酸 钪最容易分解，可以达到分离出钪的目的。另外，在铀、钍、钨、锡等矿藏中综合回收伴 生的钪也是钪的重要来源之一。 黑稀金矿 独居石 加多林矿 褐帘石 获得了纯净的钪的化合物之后，将其转化为ScCl3，与KCl、LiCl共熔，用熔融的锌作为阴 极进行电解，使钪就会在锌极上析出，然后将锌蒸去可以得到金属钪。这是一种轻质的银 白色金属，化学性质也非常活泼，可以和热水反应生成氢气。所以图片中大家看到的金属 钪被密封在瓶子里，用氩气加以保护，否则钪会很快生成一个暗黄色或者灰色的氧化层， 失去那种闪亮的金属光泽。 比较有趣的是，钪的用途（作为主要工作物质，而不是用于掺杂的）都集中在很光明的方 向，称他为光明之子也不为过。 钪的第一件法宝叫做钪钠灯，可以用来给千家万户带来光明。这是一种金属卤化物电光源 ：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。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。钪的第二件法宝是太阳能光电池，可以将撒落地面的光明收集起来，变成推动 人类社会的电力。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 。他的第三件法宝叫做γ射线源，这个法宝自己就能大放光明，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。还有像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的用途简直不知凡几，看来钪生来就和光明有缘 呢。 |
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