DIUM：历史，性质，反应，风险和用途 - 化学 - 2025

所述钪是一种过渡金属，其化学符号为Sc是第一周期表的过渡金属的，但也最不常见的稀土类元素中的一个; 尽管其性质可能类似于镧系元素，但并非所有作者都赞成以这种方式对其进行分类。

在流行的水平上，它是一种化学元素，却没有引起人们的注意。它的名字来自斯堪的纳维亚半岛的稀土矿，可能紧随铜，铁或金之后流传。但是，它仍然令人印象深刻，其合金的物理性能可以与钛相媲美。

超纯元素scan样品。来源：化学元素的高分辨率图像

而且，在技术领域，尤其是在照明和激光方面，正在采取越来越多的步骤。任何观察过灯塔发出类似于太阳光的灯塔的人，都将间接地目睹of的存在。否则，这对于飞机制造来说是有希望的项目。

dium市场面临的主要问题是它的分散程度很高，没有矿物或丰富的来源。因此，即使它不是地壳中丰度较低的金属，也要进行昂贵的提取。在自然界中，它被发现是其氧化物，是一种不易还原的固体。

在其大部分化合物（无机或有机）中，它以+3的氧化数参与键合；即，假设存在Sc ³⁺阳离子。dium是一种相对强的酸，可以与有机分子的氧原子形成非常稳定的配位键。

历史

879在1879年被瑞士化学家拉斯·尼尔森（Lars F. Nilson）识别为化学元素。他与矿物埃塞石和辉石一起工作，目的是获得其中所含的钇。由于对光谱分析（原子发射光谱）的研究，他发现其痕迹中存在未知元素。

他和他的团队从这些矿物中成功获得了各自的氧化oxide，这个名字的肯定是因为它确实从斯堪的纳维亚半岛收集了样品。那时被称为稀土的矿物。

然而，八年前的1871年，德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）曾预测of的存在。但是以ekaboro命名，这意味着它的化学性质与硼相似。

实际上是瑞士化学家Per Teodor Cleve将who归因于ekaboro，因此是相同的化学元素。具体而言，是元素周期表中开始过渡金属块的元素。

1937年，沃纳·菲舍尔（Werner Fischer）和他的合作者通过电解钾，锂和氯化mixture的混合物设法分离出金属but（但不纯），已经过去了很多年。直到1960年，它才最终以99％左右的纯度获得。

结构和电子配置

元素scan（天然的和纯的）可以结晶成两种结构（直链）：紧密的六边形（hcp）和体心立方（bcc）。第一个通常称为α相，第二个通常称为β相。

致密的六角形α相在环境温度下稳定；而密度较小的立方β相在1337ºC以上稳定。因此，在该最后温度下，在两个相或同素异形体之间发生转变（对于金属）。

请注意，尽管scan通常会结晶为六氯苯酚固体，但并不能使其成为非常致密的金属。至少，是铝以外的。从其电子结构可以知道哪些电子通常参与其金属键：

3d ¹ 4s ²

因此，3d和4s轨道的三个电子以Sc原子位于晶体中的方式介入。

为了压缩成六边形晶体，其原子核的吸引力必须使得被内壳电子弱屏蔽的这三个电子不会偏离Sc原子太远，因此它们之间的距离变窄。

高压相

α相和β相与温度变化有关。但是，存在类似于金属铌Nb的四方相，当金属scan承受的压力大于20 GPa时会产生四方相。

氧化数

dium最多可失去其三个价电子（3d ¹ 4s ²）。理论上，第一个“走”的是那些在4s轨道上的。

因此，假设化合物中存在Sc ⁺阳离子，则其氧化数为+1; 这与说他从4s轨道（3d ¹ 4s ¹）失去电子一样。

如果是Sc ²⁺，则其氧化数将为+2，并且将失去两个电子（3d ¹ 4s ⁰）；如果它是Sc ³⁺，则是最稳定的阳离子，其氧化数为+3，与氩气等电子。

简而言之，它们的氧化数为：+ 1，+ 2和+3。例如，在Sc ₂ O _3中，because的氧化数为+3，因为假定存在Sc ³⁺（Sc ₂ ³⁺ O ₃ ^2-）。

物产

外观

它是纯白色和元素形式的银白色金属，质地柔软光滑。当开始被一层氧化物（Sc ₂ O ₃）覆盖时，它会获得淡黄色的粉红色调。

摩尔质量

44.955克/摩尔

熔点

1541℃。

沸点

2836℃。

摩尔热容

25.52 J /（mol·K）。

熔化热

14.1 kJ /摩尔

汽化热

332.7 kJ /摩尔

导热系数

在20°C时为66 µΩ·cm。

密度

固体2.985 g / mL，液体2.80 g / mL。请注意，其固态密度接近铝（2.70 g / mL），这意味着两种金属都很轻。但是scan的熔点更高（铝的熔点为660.3ºC）。

电负性

在鲍林量表上为1.36。

电离能

首先：633.1 kJ / mol（Sc ⁺气态）。

第二：1235.0kJ / mol（Sc ²⁺气态）。

第三：2388.6kJ / mol（Sc ³⁺气体）。

原子无线电

162下午

磁性顺序

顺磁性。

同位素

在所有all同位素中，⁴⁵ Sc几乎占总丰度的100％（这反映在其原子量非常接近45 u）。

其他由具有不同半衰期的放射性同位素组成。例如⁴⁶ Sc（t _1/2 = 83.8天），⁴⁷ Sc（t _1/2 = 3.35天），⁴⁴ Sc（t _1/2 = 4小时）和⁴⁸ Sc（t _1/2 = 43.7小时）。其他放射性同位素的t _1/2少于4小时。

酸度

Sc ³⁺阳离子是一种相对强的酸。例如，在水中它可以形成³⁺水性复合物，进而将pH值降低到7以下，因为它会生成H ₃ O ⁺离子作为其水解产物：

³⁺（水溶液）+ H ₂ O（l）<=> ²⁺（水溶液）+ H ₃ O ⁺（水溶液）

dium的酸度也可以根据路易斯的定义来解释：它很容易接受电子，因此形成配位络合物。

协调号

dium的重要性质是，在大多数无机化合物，结构或有机晶体中，coordination的配位数为6 ；;的配位数为6。这意味着Sc被六个邻居包围（或形成六个键）。上面，最复杂的水溶液是³⁺。

在晶体中，Sc的中心是八面体。与其他离子（在离子固体中）或与共价键合的中性原子（在共价固体中）相互作用。

我们有后者的一个例子，它形成一个链结构，其中AcO基团（乙酰氧基或乙酰氧基）充当Sc原子之间的桥。

命名法

由于几乎默认情况下，大多数化合物中of的氧化数为+3，因此认为unique是唯一的，因此显着简化了命名。与碱金属或铝本身非常相似。

例如，考虑其氧化物Sc ₂ O ₃。相同的化学式预先表示for的+3氧化态。因此，为了称呼这种化合物scan，和其他化合物一样，使用了系统的，常规的和常规的术语。

然后，根据库存命名法，Sc ₂ O ₃为氧化，省去了（III）（尽管它不是唯一可能的氧化态）；氧化oxide，根据传统命名法，在名称末尾带有-ico。和三氧化二die，遵循系统命名法的希腊数字前缀规则。

生物作用

目前，缺乏明确的生物学作用。也就是说，人体如何积累或吸收Sc ³⁺离子尚不清楚。如果它对细胞产生与Ca ²⁺或Fe ³⁺离子相似的影响，则哪种特定的酶可以将其用作辅因子。

然而，已知Sc ³⁺离子可能通过干扰Fe ³⁺离子的代谢而发挥抗菌作用。

医学上的一些统计研究可能将其与胃部疾病，肥胖症，糖尿病，脑软脑膜炎和其他疾病联系起来；但没有足够的启发性结果。

同样，植物通常不会在其叶或茎中而是在其根部和根瘤中积累大量amounts。因此，可以说它在生物质中的浓度很低，表明它很少参与其生理功能，因此，最终它在土壤中的积累更多。

在哪里找到和生产

矿物和星星

dium可能不像其他化学元素那样丰富，但是它在地壳中的存在超过了汞和某些贵金属的存在。实际上，它的丰度接近于钴和铍的丰度。对于每吨岩石，可以提取22克of。

问题在于它们的原子不是位于而是分散的。也就是说，没有任何一种矿物的质量组成中富含precisely。因此，据说没有任何典型的形成矿物质的阴离子（例如碳酸根，CO ₃ ^2-或硫化物，S ^2-）优先。

它不是纯粹的状态。其最稳定的氧化物Sc ₂ O ₃也不与其他金属或硅酸盐结合形成矿物质。如苏铁矿，苏木和辉石。

这三种矿物质（本身很少）是）的主要自然来源，在挪威，冰岛，斯堪的纳维亚和马达加斯加等地区都有发现。

否则，Sc ³⁺离子可能会作为杂质掺入某些宝石（例如海蓝宝石）或铀矿中。在天空中，在星空中，该元素的丰度排名为23。如果考虑整个宇宙的话，这个数字很高。

工业废物及废物

刚刚说过scan也可以作为杂质被发现。例如，它存在于TiO ₂颜料中。铀加工产生的废物及其放射性矿物中；以及铝土矿渣中金属铝的生产。

在镍和钴红土中也发现了它，后者将来可能成为promising的有前途的来源。

冶金还原

由于Sc ₂ O ₃难以还原，因此the的提取面临巨大的困难，而extraction的提取需要很长时间才能达到天然或金属状态。甚至比TiO ₂还要多，因为Sc ³⁺与Ti ^4+相比对O ²具有更大的亲和力（假定各自氧化物中的离子特性为100％）。

也就是说，用良好的还原剂（通常是碳或碱金属或碱土金属）比Sc ₂ O ₃脱氧TiO ₂容易。这就是为什么首先将Sc ₂ O ₃转化为还原问题较少的化合物的原因。如氟化scan，ScF ₃。接下来，用金属钙还原ScF ₃：

2ScF ₃（s）+ 3Ca（s）=> 2Sc（s）+ 3CaF ₂（s）

Sc ₂ O ₃要么来自已经提到的矿物，要么是其他元素（例如铀和铁）提取的副产物。它是商业形式的dium，其年产量低（15吨），除了从岩石中提取以外，还反映出高昂的加工成本。

电解

生产scan的另一种方法是首先获得其氯化物盐ScCl ₃，然后对其进行电解。因此，在一个电极（如海绵）中产生金属scan，在另一个电极中产生氯气。

反应

两性主义

dium不仅与铝具有轻金属的特性，而且还具有两性。也就是说，它们的行为像酸和碱。

例如，它像许多其他过渡金属一样，与强酸反应生成盐和氢气：

2Sc（s）+ 6HCl（aq）=> 2ScCl ₃（aq）+ 3H ₂（g）

这样，它的行为就像碱（与HCl反应）。但是，以同样的方式，它会与强碱（例如氢氧化钠）反应：

2Sc（s）+ 6NaOH（aq）+ 6H ₂ O（l）=> 2Na ₃ Sc（OH）₆（aq）+ 3H ₂（g）

现在，它的行为像酸（与NaOH反应），形成a酸盐。Na ₃ Sc（OH）₆与钠，Sc（OH）₆ ^3-。

氧化作用

当暴露于空气中时，scan开始氧化成其各自的氧化物。如果使用热源，则反应被加速并被自动催化。该反应由以下化学方程式表示：

4Sc（s）+ 3O ₂（g）=> 2Sc ₂ O ₃（s）

卤化物

dium与所有卤素反应形成通式为ScX _3的卤化物（X = F，Cl，Br等）。

例如，它根据以下方程式与碘反应：

2Sc（s）+ 3I ₂（g）=> 2ScI ₃（s）

以相同的方式，它与氯，溴和氟反应。

氢氧化物形成

金属scan可溶于水以产生其各自的氢氧化物和氢气：

2Sc（s）+ 6H ₂ O（l）=> 2Sc（OH）₃（s）+ H ₂（g）

酸水解

可以水解³⁺络合物，使其最终形成Sc-（OH）-Sc桥，直至定义具有三个scan原子的簇。

风险性

除了其生物学作用外，dium的确切生理和毒理作用尚不清楚。

除非吸入其细碎的固体，否则认为其元素形式是无毒的，从而对肺造成损害。同样，其化合物被归为零毒性，因此，从理论上讲，摄入其盐不应构成任何风险；只要剂量不高（在大鼠中测试）。

但是，关于这些方面的数据非常有限。因此，不能认为任何the化合物都是真正无毒的。如果金属能够在土壤和水中积聚，然后传递给植物，在较小程度上传递给动物，则更少。

目前，与重金属相比，scan仍然没有明显的风险。例如镉，汞和铅。

应用领域

合金类

尽管of的价格比其他金属（如钛或钇本身）高，但其应用最终值得努力和投资。其中之一是将其用作铝合金的添加剂。

这样，Sc-Al合金（和其他金属）可以保持其轻便性，但在高温下（它们不会开裂）变得更加耐腐蚀，并且强度与钛一样。

scan对这些合金的影响是如此之大，以至于足以添加痕量（小于0.5质量％）的for就足以使其性能显着提高而又没有观察到其重量明显增加。据说，如果一天大量使用，可以使飞机的重量减少15-20％。

同样，scan合金已被用于左轮手枪的框架，或用于制造体育用品，例如棒球棍，专用自行车，钓鱼竿，高尔夫球杆等。尽管钛合金由于价格便宜而倾向于替代它们。

在这些合金中，最著名的是Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀，其强度与钛一样强，与铝一样轻，而与陶瓷一样坚硬。

3D打印

Sc-Al合金已用于制作金属3D打印件，以便将它们的层放置或添加到预选的实体上。

体育场照明

体育场内的灯塔由于碘化scan与汞蒸气的作用而模仿了阳光。资料来源：Pexels。

将碘化ScI ₃（与碘化钠一起）添加到汞蒸气灯中，以创建模仿太阳的人造光。这就是为什么在体育馆或某些运动场中，甚至在晚上，它们内部的照明也是如此，它们使人在光天化日之下观看比赛时有一种感觉。

类似的效果已经用于诸如数码相机，电视屏幕或计算机监视器的电气设备。同样，具有这种₃ Hg ScI灯的前灯也已安装在电影和电视演播室。

固体氧化物燃料电池

SOFC的英文缩写（固体氧化物燃料电池）使用氧化物或陶瓷作为电解质介质；在这种情况下，包含scan离子的固体。它在这些设备中的使用是由于其出色的电导率和稳定温度升高的能力。因此它们工作时不会过热。

一种这样的固体氧化物的例子是scan稳定的锆石（再次为Sc ₂ O ₃）。

陶瓷

碳化和钛构成了具有非凡硬度的陶瓷，仅次于钻石。但是，它的使用仅限于具有非常高级应用程序的材料。

有机配位晶体

Sc ³⁺离子可以与多个有机配体配位，特别是如果它们是含氧分子。

这是因为形成的Sc-O键非常稳定，因此最终形成具有惊人结构的晶体，在该晶体的孔中可以触发化学反应，就像多相催化剂一样。或容纳中性分子，表现得像固态存储器。

同样，此类有机scan配位晶体可用于设计感官材料，分子筛或离子导体。

参考文献

1. 伊琳娜（Irina Shtangeeva）（2004）。钪。圣彼得堡国立大学圣彼得堡。从以下来源恢复：researchgate.net
2. 维基百科。（2019）。钪。从以下位置恢复：en.wikipedia.org
3. 大英百科全书的编辑。（2019）。钪。不列颠百科全书。从以下位置恢复：britannica.com
4. 道格·斯图尔特博士。（2019）。dium元素事实。Chemicool。从以下地址恢复：chemicool.com
5. 规模。（2018）。钪。从以下位置恢复：scale-project.eu
6. Helmenstine，Anne Marie博士 （2019年7月3日）。dium概述。从以下资源中恢复：Thoughtco.com
7. Kist，AA，Zhuk，LI，Danilova，EA和Makhmudov，EA（2012）。关于of的生物学作用的问题。从以下位置恢复：inis.iaea.org
8. WAGrosshans，YKVohra和WBHolzapfel。（1982）。钇和scan中的高压相变：与稀土和act系元素晶体结构的关系。磁性与磁性材料学报第29卷，第1-3期，第282-286页doi.org/10.1016/0304-8853(82)90251-7
9. Marina O. Barsukova等。（2018）。dium有机框架：进展和前景。拉斯 修订版87 1139。
10. 投资新闻网。（2014年11月11日）。dium应用：概述。Dig Media Inc.摘自：investingnews.com