鈧（英語：Scandium，化學符號：Sc，原子序數：21），是一種質地柔軟的銀白色 d 區過渡金屬，化學性質與釔及鑭系元素相近，因此通常被歸類為稀土金屬。鈧於 1879 年在斯堪的納維亞半島的礦物中被發現，名稱即源自當地的拉丁語稱呼「Scandia」。

鈧在地殼中的豐度與鈷相若，約為 18 至 25 ppm，但分布極為分散，絕大多數以痕量存在於其他礦物中，鮮有獨立富礦，因此提取難度高、產量稀少。其金屬單質遲至 1937 年才首次成功製備，而工業應用則到 1970 年代才隨鋁鈧合金的開發逐步推廣。時至今日，鋁合金強化仍是鈧最主要的應用領域，全球每年氧化鈧的貿易量約為 15 至 20 噸。

歷史

1869 年俄國化學家門捷列夫提出元素周期表時，便預言了原子量介於 40 至 48 之間的未知元素「類硼」（eka-boron）的存在。1879 年，瑞典化學家拉斯・弗雷德里克・尼爾森與其團隊，在分析來自斯堪的納維亞的黑稀金礦與矽鈹釔礦時，透過光譜分析發現了新元素的特徵譜線，並成功製備出 2 克高純度氧化鈧。

尼爾森將該元素命名為「Scandium」，以紀念發現地所在的斯堪的納維亞半島。其後化學家佩爾・特奧多爾・克萊韋確認了該元素與門捷列夫預言的「類硼」性質完全吻合，並通知了門捷列夫本人。

儘管鈧的氧化物在 1879 年已被分離，但純金屬鈧的製備難度極高。直到 1937 年，科學家才透過電解氯化鉀、氯化鋰與氯化鈧的低共熔混合物，在 700–800 °C 的條件下首次獲得金屬鈧。1960 年，首批磅級、純度 99% 的金屬鈧成功生產。1971 年美國取得鋁鈧合金的專利，開啟了鈧的工業規模應用；同期蘇聯也開發了相關合金技術，用於軍事航空領域。

性質

物理性質

鈧是質地偏軟的銀白色金屬，在空氣中氧化後表面會略帶淺黃或粉紅色色澤。其密度僅 2.985 g/cm³，遠低於鈦金屬，兼具輕質與耐高溫特性。晶體結構為六方最密堆積，常溫下為順磁性物質。

金屬鈧的延展性隨純度提升而增加，含有雜質時會變脆。鈧屑與細粉在空氣中可被點燃，發出明亮的黃色火焰，生成氧化鈧。其核心力學與熱學參數包括：楊氏模量 74.4 GPa、布氏硬度約 750 MPa、熱導率 15.8 W/(m・K)、室溫電阻率約 562 nΩ・m。

化學性質

鈧的化學性質活潑，易風化，可緩慢溶於多數稀酸。值得注意的是，它不溶於硝酸與氫氟酸的 1:1 混合液，推測是因為表面生成了緻密的鈍化層，阻止反應繼續進行。

如同多數第 3 族元素，鈧最常見的氧化態為 + 3 價，其化合物性質介於鋁與釔之間，同時與鎂存在對角線規律的相似性。三價鈧的氧化物與氫氧化物均具兩性，既可與酸反應生成鹽，也可溶於強鹼形成鈧酸根離子。

除 + 3 價外，鈧的其他氧化態化合物極為罕見但已被證實，例如呈藍黑色的 CsScCl₃中鈧為 + 2 價；在有機金屬化合物中，也觀察到 0、+1、+2 等低氧化態的存在。

同位素

鈧在自然界中僅存在一種穩定同位素 ——⁴⁵Sc，豐度為 100%。目前已發現的放射性同位素共 30 餘種，質量數範圍從 ³⁶Sc 到⁶⁰Sc 不等，其中最穩定的是⁴⁶Sc，半衰期為 83.76 天；其次是⁴⁷Sc（半衰期 3.35 天）、⁴⁸Sc（半衰期 43.7 小時）與⁴⁴Sc（半衰期 4.04 小時），其餘放射性同位素半衰期多短於 4 小時。

衰變規律方面，質量數小於⁴⁵Sc 的同位素主要以電子捕獲或正電子發射方式衰變為鈣的同位素；質量數大於⁴⁵Sc 的則主要透過 β 衰變生成鈦的同位素。此外，鈧還存在多種同核異構體，其中最穩定的是⁴⁴ᵐ²Sc，半衰期達 58.6 小時。

自然界中的存在

鈧在地殼中並非稀有元素，豐度約 18–25 ppm，與鈷相當，是地殼中含量第 35 位的元素；但在太陽中更為常見，位列第 23 位。然而鈧的分布極度分散，絕大多數以痕量形式存在於稀土礦、鈾礦、鈦鐵礦等礦床中，獨立的高品位礦物極其稀少。

目前已知的高濃度鈧礦物僅有鈧釔石、黑稀金礦、矽鈹釔礦等少數幾種，主要分布於斯堪的納維亞與馬達加斯加，其中鈧釔石中氧化鈧含量可高達 45%，但礦床規模極小，不具商業開採價值。

宇宙學層面，穩定的⁴⁵Sc 主要透過超新星爆發的快中子捕獲過程（r – 過程）生成，也可由鐵族原子核經宇宙射線散裂作用產生。

生產與價格

生產方式

全球鈧的供應幾乎全部來自其他礦產冶煉的副產品，並非獨立開採。主要生產來源包括：烏克蘭的鈾礦與鐵礦、中國白雲鄂博的稀土礦、俄羅斯科拉半島的磷灰石礦，以及菲律賓的鎳礦等，最終產品多為氧化鈧。

從氧化物製備金屬鈧的標準工藝為：先將三氧化二鈧與氫氟酸反應生成氟化鈧，再以金屬鈣為還原劑，在高溫真空條件下還原得到海綿鈧，進一步精煉獲得高純鈧錠。

產量與價格

全球每年氧化鈧的產量約 15–20 噸，需求長期略高於供應，且供需均呈逐年增長趨勢。

根據美國地質調查局數據，2015 至 2019 年間美國市場上，小批量鈧錠價格為每克 107 至 134 美元，氧化鈧價格約為每克 4 至 5 美元。長期以來，穩定、可靠的供應鏈缺失，是限制鈧大規模商業應用的主要因素。

化合物

鈧的化學行為幾乎完全由三價陽離子 Sc³⁺主導，其離子半徑（74.5 pm）介於鋁（53.5 pm）與釔（90.0 pm）之間，因此化學性質與釔更為相似，這也是鈧被歸為稀土元素的重要原因。

氧化物與氫氧化物

三氧化二鈧（Sc₂O₃）與氫氧化鈧（Sc (OH)₃）均為兩性化合物：

• 與強酸反應生成鈧鹽與水，水溶液中 Sc³⁺會發生水解使溶液呈酸性；
• 與過量強鹼反應生成六羥合鈧 (III) 酸根（[Sc (OH)₆]³⁻）。

此外還存在 α- 與 γ- 型的鹼式氧化鈧（ScOOH），結構與對應的鋁的化合物同晶型。

鹵化物

鈧可形成四種三鹵化物 ScX₃（X=F、Cl、Br、I）。其中氯化鈧、溴化鈧、碘化鈧易溶於水，而氟化鈧難溶於水。四種鹵化物中鈧均為六配位，且均為路易斯酸，例如氟化鈧可在過量氟離子溶液中形成六氟合鈧 (III) 酸根（[ScF₆]³⁻）。

三氟甲磺酸鈧是有機化學中常用的路易斯酸催化劑。

有機鈧化合物

鈧可與環戊二烯基配體形成一系列有機金屬化合物，性質與鑭系元素的有機金屬物類似，例如含氯橋鍵的二聚體 [ScCp₂Cl]₂，以及五甲基環戊二烯基的衍生物。

應用

鈧的應用集中在高端材料領域，用量雖少但作用關鍵，其中鋁鈧合金佔據了絕大部分的消費份額。

鋁鈧合金

這是鈧最核心的商業用途。在鋁合金中添加 0.1%–0.5% 的鈧，會析出納米級的 Al₃Sc 顆粒，可顯著細化晶粒，提升合金的強度、耐熱性、抗腐蝕性與焊接性能，同時保持質輕的優勢。

該類合金最早用於蘇聯軍用飛機，例如米格 – 21 與米格 – 29 的部分結構件。現今廣泛應用於：

• 航空航天領域的輕量化結構件；
• 高端體育器材，如棒球棒、自行車架、長曲棍球桿；
• 槍械製造，例如美國史密斯威森的鈧合金槍架手槍；
• 金屬 3D 列印領域，如空巴子公司開發的 Scalmalloy 合金，兼具高強度與高延展性。

照明光源

由碘化鈧與碘化鈉製成的金屬鹵化物燈（又稱鈧鈉燈），屬於高強度氣體放電燈，具有發光效率高、顯色指數高、色光接近陽光的特點，適用於運動場、大型廣場、碼頭等戶外大功率照明場景，也用於部分高端車輛的車頭燈。全球每年約有 80 公斤鈧用於製造此類燈泡。

新能源與電子材料

氧化鈧穩定的氧化鋯（ScSZ）是固態氧化物燃料電池（SOFC）的核心電解質材料，其離子導電性能優於傳統的釔穩定氧化鋯，可降低電池工作溫度、提升發電效率，是清潔能源領域的重要材料。

此外，摻鈧的激光晶體（如釓鈧鎵石榴石 GSGG）可用於醫療與工業激光設備；放射性同位素⁴⁶Sc 可作為示蹤劑用於煉油廠管線檢測；鈧的核能躍遷特性也被研究用於超高精度時鐘領域。

健康與安全

金屬鈧本身被認為無明顯急性毒性，但相關化合物的動物實驗數據有限。以氯化鈧為例，大鼠口服半數致死量（LD₅₀）約為 4 g/kg，腹腔注射則為 755 mg/kg，整體屬於中等毒性化合物。

長期吸入鈧粉塵可能對呼吸道造成刺激，並在肺部與肝臟累積。鈧在人體內的代謝行為與鎵類似，其難溶的氫氧化物可能帶來潛在健康風險，工業操作中需做好粉塵防護與廢棄物處理。