鈧的自述

 
2016/11/07 蘇明德 | 嘉義大學應用化學系     1,063
 
我「鈧」(Scandium)的化學符號是Sc,本身是一種柔軟、銀白色的「過渡性金屬」(transition metal)。

我「鈧」在地球上算是儲存量稀少的元素,產量也很少,據估計在地殼中的含量僅約為0.0025%,相當於每一公噸的土壤裡只含25公克的我「鈧」。有趣的是,我「鈧」卻在太陽和其他一些星球上含量頗高。而我「鈧」的主要生產國有中國、俄羅斯、烏克蘭等。

早在我「鈧」元素真正被發現的十年前,俄國化學家門捷列夫(Dmitry Ivanovich Mendeleyev, 1834−1907)在1869年發表的第一版化學元素周期表中,就注意到元素性質在鈣(Ca)和鈦(Ti)之間有一個空隙,於是預言應該還有一個未被發現且性質介於這二元素之間的未知元素。門捷列夫把這一未知元素暫時命名為「似硼」(Eka-Boron),暫取名字為「Eb」,並預測出這個元素的一些物理和化學性質。

不過這個預言就像放在漂流瓶中的信箋一樣,暫時被學術的汪洋大海淹沒了。

門捷列夫的預言在當時沒有得到人們的注意,直到在19世紀晚期,世人對「稀土元素」(rare earth elements)的研究開始成為一股熱潮。附帶一提的是,所謂「稀土元素」並不是說這些元素真的很稀少,而是因為它們很難從地球土壤中提煉出來,且彼此間也很難分離開來,因此稱為「稀土元素」。

在我「鈧」被發現的前一年,瑞士的馬利納克(Jean Charles Galissard de Marignac, 1817−1894)從帶有玫瑰紅顏色的鉺土(Er2O3)裡,利用局部分解的方式得到了一種不同於鉺土的白色氧化物,他把這種氧化物命名為「鐿土」(Yb2O3)。

當時馬利納克手頭樣品沒有多少,就建議手頭有充足「鉺土」的科學家多製備一些鐿土,以研究它的性質。

這時瑞典的烏潑沙拉大學(Uppsala University)的尼爾森(Lars Frederik Nilson, 1840−1899)手頭上正好有鉺土的樣品,他就想按照馬利納克的方法把鉺土做進一步的提煉,並精確測量「鉺」(Er)和「鐿」(Yb)的原子量(因為他這個時候正專注於精確測量稀土元素的物理與化學常數,以期對元素周期律做出驗證)。當他經過13次局部分解之後,得到了3.5 g純淨的鐿土。但是這時候奇怪的事情發生了,馬利納克給出的「鐿」的原子量是172.5,尼爾森得到的則只有167.46。

尼爾森敏銳地意識到可能有其他的元素魚目混珠在裡頭,才使得這個原子量的測定值怪怪的。於是他把得到的鐿土又用相同的流程繼續處理,最後只剩下十分之一樣品時,測得的原子量更是掉到了134.75,光譜中還發現了一些新的吸收光譜線。尼爾森的判斷果然正確,因此也就獲得了給新元素取名的權利,他用他的故鄉「斯堪第納維亞」(Scandinavia)把「鈧」命名為Scandium。

1879年,他正式公布了自己的研究結果,在他的論文中,還提到了鈧鹽和鈧土(Sc2O3)的很多化學性質。不過在這篇論文中,他沒有給出我「鈧」的精確原子量,也還不確定我「鈧」在化學元素周期表中的位置。

尼爾森的好友,也是同在烏潑撒拉大學任教的克利夫(Per Teodor Cleve, 1840-1905)剛好在一起做這個工作。他從鉺土出發,把鉺土一再提煉後,再分出鐿土和鈧土,又從剩餘物中找到了「鈥」(Ho)和「銩」(Tm)兩個新的稀土元素做為副產物,他最後才進一步了解我「鈧」的物理和化學性質。

如此一來,門捷列夫放出的漂流瓶沉睡了十年之後,終於被克利夫撈了起來,他認識到我「鈧」元素正是十年前門捷列夫預測的「似硼」元素。

在那個不但對於元素的電子層結構一無所知(連電子都是1899年才發現的),甚至還有當時化學界權威如杜馬(Jean-Baptiste André Dumas, 1800−1884)這樣的化學家對原子論都持懷疑態度,能把一個未發現元素的性質描述得如此精準,和後來對我「鈧」元素的實驗觀測值吻合,於是全世界科學家開始普遍接受門捷列夫的化學周期表。

我「鈧」質量很輕,熔點很高(攝氏1,541度)且耐腐蝕性強,適合做為飛機材料,因此引發航空工業的很大興趣。我純「鈧」金屬直到1937年才由電解熔化的「氯化鈧」(ScCl3)生產出來,最早期的一些我「鈧」的銀白色樣品是專門為美國空軍製造的。不幸的是,一旦我「鈧」暴露於空氣中,顏色會逐漸變成淡黃色。

我「鈧」元素最常被人們使用於棒球場或足球場照明的金屬鹵化燈中。所謂金屬鹵化燈,就是在發光管內灌入含鈧-鈉(Sc-Na)合金的物質,藉由放電可發出類似太陽光的光芒。這種燈比單純的鹵素燈管還要亮,壽命也更長,耗電量大約只有鹵素燈管的50%,不論用於展示品、電影拍攝時的照明,或做為植物栽培用照明,都獲得相當高的評價。

其實,我「鈧」元素本身幾乎沒有任何商業用途,純元素的我「鈧」多半應用在合金上。

由於我「鈧」密度(2.985 g/cm3)和「鋁」密度(2.70 g/cm3)接近,因此最主要用途是用在和鋁元素混合為鈧鋁合金。如此一來,不僅可以增加合金的金屬強度,還可降低合金晶粒的尺寸大小,進而縮小面積及減輕重量。現在大約已經開發出十多種的鈧鋁合金,在俄羅斯,其中一些應用於航空上。在歐洲和美國,已評估把鈧鋁合金用在飛機結構零件上,因為鈧鋁合金具有高強度、重量輕的優點。這種鈧鋁合金也已經運用在運動器材上,像是棒球棒和壘球棒、自行車架、曲棍球棒,甚至手槍和汽車的引擎!

我「鈧」也是「鐵」的優良添加劑,少量的我「鈧」可顯著提高鑄鐵的強度和硬度。另外,我「鈧」還可做為高溫鎢和鉻合金的添加劑。

鈧-46是我「鈧」的同位素之一,在石油精煉中做為原子追蹤劑。它具有放射性,半衰期是83.8天,在原油精煉過程中加入鈧-46後,可通過放射性跟蹤、監視某些希望了解的石油組成,大幅地提高了把原油分離成不同成分的效率。

至於我「鈧」對人體健康的影響,至今仍不是很清楚。在這種情況下,通常會建議人們小心處理我「鈧」元素及含有我「鈧」元素的相關用品。

據估計,我「鈧」元素在電子儀器、雷射研究和未來的燃料電池中很可能扮演重要的輔佐角色。當然,我「鈧」元素要能夠長期發展及應用,還有賴於能夠穩定地長期供應。相信我「鈧」的鼎盛時期會在不久的將來出現。