比黄金还贵重的钪元素

比黄金还贵重的钪元素

钪,元素周期表第21号元素,稀土元素之一。

早在1869年第一版元素周期表中,门捷列夫就预留出了钪元素的位置——在钙的后面,留有一个原子量为45的空格,暂时命名为类硼,并同时给出了这个元素的一些物理化学性质。不过这个空格,却空了很长一段时间,比它的左邻右舍晚了差不多十年,而且被发现也真是颇费周折。

十九世纪晚期,欧洲对稀土元素的研究迎来了一股热潮。瑞士的马利纳克从白色的镱土中测定出了镱的相对原子量,瑞典的尼尔森也用相同的方法制得了镱土,但测出的原子量却不一样,马利纳克测出镱的相对原子量是172.5,而尼尔森测出来的却是167.46。尼尔森对自己的样品进一步分离提纯,随后再测其相对原子量的时候,其数值减少到只有134.75,于是他敏锐地想到有可能还有其他元素,但此时并没有测出钪精确的相对原子质量,无法确定钪在元素周期表中的位置。随后,尼尔森的好友兼同事克利夫在帮助尼尔森提纯钪土时,精准地测定出钪的相对原子质量,最终认识到——钪,就是门捷列夫所预言的类硼。

钪,为什么这么难被发现,是因为它在地球中的含量真的很少,相当于每一吨地壳物质中只含有7克钪。在自然界中几乎找不到具有工业价值钪的独立矿物,因为它总是与其他元素伴生。在研究四川攀枝花铁矿时,人们仅找到了钪与钛、钒、铁的组合矿。钪因为稀少成为了最轻的分布最分散的稀土元素成员。

钪,是稀土家族中最分散的元素,也被称为“稀土家族中的贵族”。国际市场上交易的钪产品主要是金属钪和氧化钪,纯度越高价格就越贵。根据2017年的数据显示,金属钪的价格高达226000美元/千克,是黄金价格5倍。同时钪也被称为是“工业中的维生素”,有了它的铝合金,哪怕只有非常少量的一点点,就能让铝合金更轻、更强、更容易焊接。俄罗斯和美国都注意到了钪元素的这种特性。俄罗斯率先应用在战斗机和导弹的导向尾翼上;而美国则把它应用于3D打印,制作出了更轻的产品,例如,比一般电动摩托车轻30%的3D打印摩托车,还有引起争议的各种比赛球杆、棒球棒、垒球棒等,还能添加到其他合金中,都能显著改善这些金属的性质。

科技给钪派上了更多用途,如钪钠灯能有效地合成白色的光,更节能透雾,成为广场灯的首选;太阳能光电池中,钪成为了最好的阻挡金属,能帮助吸收更多的光源;钪—46能成为γ射线源,用来对恶性肿瘤进行放射治疗……在更多的领域里,钪和钪的化合物更像是大厨手中的调料一样,被加到某些材料中,只需一星半点儿就能起到画龙点睛的改善作用。

(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)

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