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神奇的调料-钪 |
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| 钪的一些应用，因为价格高昂，考虑到成本在工业产品里很少会用到很大 数量钪和钪的化合物，都是像灯泡里那样薄薄的一层钪箔之类的用法。而在更多一些领域 ，钪和钪的化合物更是被作为神奇的调料使用，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。 在无机化学里，掺杂是一个非常重要的手段。在一个作为基体的晶体结构中掺入少量的其 他化合物，因为被掺杂物质在化学性质上和原有基体的不同，晶格结构会出现各种各样的 变化和缺陷，从而或者提升原有基体的性质，或者增添原来不具有的活性。比如大家最耳 熟能详的P型和N型半导体原料，就是分别在导通能力很差的单晶硅里面，添加了因为缺少 价电子导致空穴的硼，和因为富余价电子而产生自由电子的磷获得的。我们的钪也是一个 重要的掺杂原料，很多材料就是因为掺入了钪获得了意料之外的性质。 单质形式的钪，已经被大量应用于铝合金的掺杂。在铝中只要加入千分之几的钪就会生成 Al3Sc新相，对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。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150~200oC，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。高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金 、新型高温铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等，在航天、航空、舰船、核反应堆以及 轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。钪也是铁的优良改化剂，少量钪可 显著提高铸铁的强度和硬度。另外，钪还可用作高温钨和铬合金的添加剂。当然，除了为 他人做嫁衣裳之外，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，但是这样的稀罕东西恐怕只有航天飞机和火箭上才舍 得用了，要是拿来做自行车架子，这个价值摆出去恐怕一天能被偷上二三十次。 单质的钪一般应用于合金，而钪的氧化物也是物以类聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作 用。像可以用作固体氧化物燃料电池电极材料的四方相氧化锆陶瓷材料有一种很特别的性 质，在这种电解质的电导会随着温度和环境中氧的浓度增高而增大。但是这种陶瓷材料的 晶体结构本身不能稳定存在，不具有工业价值；必须要在其中掺杂一些能够将这种结构固 定下来的物质才能够保持原有的性质。掺入6-10%的氧化钪就好像混凝土结构一样，让氧 化锆能够稳定在四方形的晶格上。还有像给高强度，耐高温的工程陶瓷材料氮化硅做增密 剂和稳定剂。氧化钪作为增密剂，可以在细小颗粒的边缘生成难熔相Sc2Si2O7，从而减小 工程陶瓷的高温变形性，与添加其它氧化物相比能更好改善氮化硅的高温机械性能。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。 在有机化学上钪也并非默默无闻，不过在有机反应里面钪的作用虽然同样是一种调料，却 和在无机材料里面用于掺杂不同，而是被作为催化剂使用。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。 从尼尔森注意到原子量数据的亏欠到今天，钪进入人们的视野不过一百年二十多年，却差 不多坐了一百年的冷板凳，直到上个世纪后期材料科学的蓬勃发展才给他带来了生机。到 今天，连同钪在内的稀土元素都已经成为了材料科学中炙手可热的明星，在成千上万的体 系中发挥着千变万化的作用，每天都在给我们的生活带来多一点的便利，创造的经济价值 更是难以计量。按阴阳五行的说法，土生金，其信然乎？ 附录：钪的性质（转载自维基百科http://zh.wikipedia.org/，希望大家有时间去浏览一 下这个网站，并在您闲暇之时积极参与到这个科学的公益事业中，谢谢！） |
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