因“散”而贵
然尼尔森在1879年就发现了钪元素，但当时对钪的研究进展却十分缓慢。直到1937年，德国科学家才从钾、锂和氯化钪的混合物中电解出单质钪。纯度超过99%的高纯钪更是直到20世纪60年代才出现。
钪为何成为一种难以获取的罕见元素？钪在地壳中的丰度大约为25 ppm（百万分比浓度），这个含量虽然比它在元素周期表中的左邻右舍少，却比我们熟悉的金（Au）、银（Ag）和汞（Hg）等元素更丰富，算不上特别稀有，但令人惊讶的是，钪把“散”的特点发挥到了极致。
各种元素在地壳中的含量。钪和其他稀土元素（蓝色符号）的含量都远比金和银高。图源：Wikipedia
钪高度分散在800余种矿物当中，但钪含量>0.05%的矿物仅有钪钇矿(Sc2O3含量为33.8%-42.3%)和铍硅钪矿(Sc2O3含量约为14.6%)等少数几种。这些矿物本身在自然界中非常罕见，往往不具备商业开采价值。所以，每年世界各地钪的产量还不足黄金产量的零头，价格也贵得惊人。高纯金属钪历史上曾达到黄金价格的10倍，即便是相对容易获取的氧化钪也能卖出近万元一公斤的价格。
幸运的是，中国是世界上钪资源比较丰富的国家之一，我们主要从含钛白粉废液、铝土矿和离子吸附型稀土矿中回收获取钪。在北美和俄罗斯地区，一些铀矿也是提取钪的重要来源。因为钪的分布非常分散，所以探求有效的分离方法、建立合理的富集工艺，是钪工业生产的关键。
“和而不同”的另类元素
历史上奇高的价格和有限的供应，限制了人们对钪的认识和利用。近年来，伴随着对钪的研究不断深入，人们逐渐发现了这种元素的许多新奇之处。
钪的性质很好地体现了化学分类里常包含有例外，一般规律中又有特殊的”常识”。
图源：参考文献4
根据IUPAC的定义，过渡元素指金属或金属阳离子拥有部分填充d轨道的元素，也就是图中橙红色背景的元素。
钪是周期表中第一个在d轨道有电子填充的元素，所以是排位最靠前的过渡金属，但从钪的物理化学性质中却看不到过渡金属的典型特征。比如，大多数的过渡金属存在多个氧化态，但钪在化合物中通常只显正3价；许多过渡金属的化合物有丰富的颜色，但由于Sc³⁺的d轨道已经是空的，因此钪盐也基本是无色的；和同族元素相比，钪的氢氧化物碱性非常弱，既可以溶于酸，又可以溶于碱。考虑到以上特点，钪的性质似乎与远在第13族的非过渡金属铝元素非常接近。
钪也是周期表中稀土家族的首个元素，但钪被归于稀土很大程度上是由于钪在矿物中常与钇和镧(La)系元素混合在一起出现在矿床中。然而，钪的很多物理和化学性质与其他具有4f型电子结构的稀土元素有较大差别，比较容易从稀土混合物中分离出来。简单概括就是，钪虽然属于稀土家族，却缺少典型的稀土物理化学性质，是家族中的“另类”。
稀土元素又可细分为轻稀土和重稀土。有趣的是，钪虽然从原子量来看是稀土元素中最轻的一种，却不属于“轻稀土”，有些文献把钪单列一章，还有的将钪归到“重稀土”元素里。究其原因，除了成矿特点和化学性质的考量，钪和其他重稀土元素一样，比“轻稀土”资源更稀缺，价格也更昂贵，在航天、国防和新材料等高科技领域有难以替代的重要应用。
元素周期表中的“轻稀土”（浅蓝背景）和“重稀土”（深蓝背景）元素。图源：美国能源部（DOE）
助力人类航天梦
钪的不少性质与铝相近，钪铝联手形成合金也是钪自发现以来首次被派上重要用场 ，开启了钪工业化应用的篇章。
铝因为密度小、成本低，长期以来是航空航天工程的重要基础材料。然而，纯铝的性能在很多场合不能满足航天过程中对强度、韧性和耐腐蚀性的要求，所以人们尝试在纯铝中添加各种合金元素，以提高铝材料的性能。
铜和锌是铝的传统掺杂元素。这两种元素的加入虽然可以提高铝合金的强度，但这样做的坏处也不小。特别是由于它们的原子量都明显比铝大，生成的合金材料也比单纯铝金属增重很多，很难应用在对重量要求非常严苛的航空航天领域。
钪的密度只有2.99 g/cm³，与铝同属于轻金属，而且比其他元素对铝合金产生的强化效应要大得多。只需要添加约0.3%的钪元素，就可以使铝有脱胎换骨的改变。钪能使铝的晶粒细化，从而显著提高铝合金的高温强度、结构稳定性和抗腐蚀性能。作为钪的重要出产国，前苏联自20世纪7０年代研发出多种含钪铝合金，并率先运用在米格2９型战斗机与导弹的导向尾翼上。如今，全世界承载重量最大的安东诺夫运输机，以及中国神州飞船系列的返回舱都使用了铝钪高性能合金。
