第08章 镧系元素的性质及其性质变化规律性

镧系元素镧系元素的电子层结构和通性镧系元素(以通用符号Ln表示)的电子构型具有相同的6s2和占有情况不同的4f亚层，虽然元素镧本身在基态时没有f电子，但和它后面各元素极为相似，所以将它作为镧系元素对待。

人们历来称它们为稀土元素，也叫做内过渡元素，这是因为在这些原子中，5s、5p和6s填满电子后才在第四电子层中的4f上逐渐填充电子。

由于电子数的变化是在这种内层，所以这些元素在化学性质上非常相似。

表11-1 镧系元素名称符号Z 电子构型丰度/ppm镧La 57 5d16s218.3铈Ce 58 4f15d16s246.1镨Pr 59 4f26s2 5.5钕Nd 60 4f36s223.9钷Pm 61 4f46s20.0钐Sm 62 4f56s2 6.5铕Eu 63 4f66s2 1.1钆Gd 64 4f76s2 6.4铽Tb 65 4f75d16s20.9镝Dy 66 4f96s2 4.5钬Ho 67 4f106s2 1.1铒Er 68 4f116s2 2.5铥Tm 69 4f126s20.2镱Yb 70 4f136s2 2.7镥Lu 71 4f145d16s20.8它们性质上的微小差别，主要是由“镧系收缩”引起的。

因为核内每增加一个质子，相应进入4f亚层的电子却太分散，不象定域程度更高的内层电子那样能有效地屏蔽核电荷，所以随着镧系元素原子序数的增加，原子核对最外层电子的引力就不断地增大，这就使得原子体积从镧到镥依次减小。

三价阳离子的收缩是十分规则的，从La3+的106pm收缩到Lu3+的35pm。

图11.1A所示金属半径，虽然总的趋向是减小，但Eu和Yb的半径比其余原子的要大得多。

它们是形成二价阳离子的倾向最大的两个镧系元素。

在固体中，这两种原子可能只将两个电子给予导带，而所形成的2+离子和其余镧系金属的3+离子相比，其半径较大、离子间的结合力较弱。

金属铕（Eu）和镱（Yb），与表中相邻的金属比，显然具有较低的密度，较低的熔点(图11.1B)和较低的升华能。

镧系元素和锕系元素知识总结
镧系元素是指的是镧（La）和镝（Dy）之间的元素，包括了镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒和铥。

锕系元素是指镤（Pa）和铀（U）之间的元素，包括了镤、铀、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹和八氦。

这两个系列的元素都是内过渡金属元素，具有一些共同的特点和性质。

1. 化学性质：
- 镧系元素和锕系元素都具有较高的原子序数和较复杂的电子结构，因此在化学反应中表现出多样的化学性质。

- 这些元素的氧化态多种多样，一般有+2到+4的氧化态，也有较高的氧化态。

- 镧系元素和锕系元素都具有较强的还原性和氧化性。

2. 物理性质：
- 镧系元素和锕系元素都是铁磁性金属，具有较强的磁性。

- 这些元素的原子半径和离子半径较大，因此在金属中常以+3价状态存在。

- 镧系元素和锕系元素的原子核比较稳定，存在较多的同位素，包括放射性同位素。

3. 应用：
- 镧系元素和锕系元素在工业上有广泛的应用，尤其是镧、钇和铀等元素。

- 镧系元素广泛应用于电子产业、催化剂产业、照明产业等领域，如镧系金属在气体燃料电池中的应用和镧系氧化物作为催化剂的应用等。

- 锕系元素主要应用于核能产业，如铀和镅等元素被用作核燃料和核燃料后处理等。

镧系元素在周期系中，你知道什么是镧系元素？什么是稀土元素吗？它们的电子层结构和性质有什么特点？它们在科学技术和生产中扮演了什么样的角色？“镧系元素”在周期表中从原子序数为57号的镧到原子序数为71号的镥共15种元素，它们的化学性质十分相似，都位于周期表中第ⅢB族，第6周期镧的同一格内，但它们不是同位素。

同位素的原子序数是相同的，只是质量数不同。

而这15种元素，不仅质量数不同，原子序数也不同。

称这15种元素为镧系元素，用Ln表示。

它们组成了第一内过渡系元素。

“稀土元素”镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的、在镧系元素格子上方的钇和钪，共17种元素总称为稀土元素，用RE表示。

按照稀土元素的电子层结构及物理和化学性质，把钆以前的7个元素：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Eu称为轻稀土元素或铈组稀土元素；钆和钆以后的7个元素：Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，再加上Sc和Y共10个元素，称为重稀土元素或钇组稀土元素。

“稀土”的名称是18世纪遗留下来的。

由于当时这类矿物相当稀少，提取它们又困难，它们的氧化物又和组成土壤的金属氧化物Al2O3很相似，因此取名“稀土”。

实际上稀土元素既不“稀少”，也不像“土”。

它们在地壳中的含量为0.01534，其中丰度最大的是铈，在地壳中的含量占0.0046，其次是钇、钕、镧等。

铈在地壳中的含量比锡还高，钇比铅高，就是比较少见的铥，其总含量也比人们熟悉的银或汞多，所以稀土元素并不稀少。

这些元素全部是金属，人们有时也叫它们稀土金属。

我国稀土矿藏遍及18个省（区），是世界上储量最多的国家。

内蒙包头的白云鄂博矿是世界上最大的稀土矿。

在我国，具有重要工业意义的稀土矿物有氟碳铈矿Ce(CO3)F，独居石矿RE(PO4)，它们是轻稀土的主要来源。

磷钇矿YPO4和褐钇铌矿YNbO4是重稀土的主要来源。

我们从以下几个方面来讨论镧系元素的通性：1、价电子层结构2、氧化态3、原子半径和离子半径4、离子的颜色5、离子的磁性6、标准电极7、金属单质电子层结构这是目前根据原子光谱和电子束共振实验得到的镧系元素原子的电子层结构：根据电子填充的一般规律，由于4f能级的能量介于6s和5d之间，由表Ln-1中可见，从第57号元素镧开始，新增加的电子填充在4f能级上，应该4f能级充满后再填充到5d能级上去。

内容提要、重点难点、本章要求1.内容提要(1)镧系、锕系元素的名称、符号、电子层构型、氧化态及变化规律；(2)镧系收缩及后果；(3)镧系元素化合物；(4)稀土元素；(5)习题与测试；2.重点难点(1)镧系元素原子半径及离子半径变化规律；(2)镧系收缩及后果；3.本章要求(1)掌握镧系元素名称、符号、价电子构型及半径变化规律；(2)掌握镧系收缩及后果；(3)了解镧系元素性质；(4)了解稀土元素的用途；4.建议学时－－－－2学时15.1 镧系、锕系元素的名称、符号、电子层构型、氧化态及变化规律1.名称和符号周期表中有两个系列的内过渡元素，即第六周期的镧系和第七周期的锕系。

镧系包括从镧（原子序数57）到镥（原子序数为71）的15种元素；锕系包括从锕（原子序数89）到铹（原子序数103）的15种元素。

2.电子层构型镧系、锕系电子层构型比较复杂，第三层4f、5f轨道上。

表15-1 镧系元素原子的电子层结构57镧La58铈Ce59镨Pr60钕Nb61钷Pm62钐Sm63铕Eu64钆Gd65铽Tb66镝Dy67钬Ho68铒Er69铥Tm70镱Yb71镥Lu从表15－1可知，除镧原子外，其余镧系元素原子的基态电子层结构中都有f电子。

镧虽然没有f电子，但它与其余镧系元素在化学性质上十分相似。

镧系元素最外两个电子层对4f轨道有较强的屏蔽作用，尽管4f能级中电子数不同，它们的化学性质受4f电子数的影响很小，所以它们的化学性质很相似。

【问题】为什么La最外层电子构型不是4f16s2，而是4f05d16s2; Gd最外层电子构型不是4f86s2，而是4f75d16s2？根据洪特规则，电子处于半满、全空时较为稳定。

表15-2 锕系元素原子的电子层结构原子序数元素名称元素电子层结构89锕Ac90钍Th91镤Pa92铀U93镎Np94钚Pu95镅Am96锯Cm97锫Bk98锎Cf99锿Es100镄Fm101钔Md102锘No103铹Lr3.氧化态镧系元素前三级电离势之和是比较低的，比某些过渡元素要低。

第08章镧系元素的性质及其性质变化规律性镧系元素是指周期表中镧（La）至镥（Lu）这15个元素。

镧系元素有着独特的性质和变化规律，下面将从电子结构、原子半径、价态、化合价、化学性质等方面进行详细介绍。

1.电子结构镧系元素的电子结构特点是4f电子壳层中的电子数逐渐增加。

由于4f电子层的能级非常接近，4f电子在填充过程中伴随着能量的微弱变化，因此镧系元素往往具有相似的化学性质。

2.原子半径镧系元素原子半径逐渐减小，从镧到镥，原子半径减小的原因是由于原子核电荷数增加，对外层电子的吸引力增强。

3.价态和化合价镧系元素有两种主要的价态：+3和+4、镧系元素的+3价态是最常见的，这是由于具有4f电子的能级较高，它们不容易被电子接受或失去。

然而，一些较重的镧系元素，如镪（Dy）和钆（Gd），在特定条件下可以形成+4价。

由于4f电子的特殊电子结构和能级分布，镧系元素的化合价多样性较大。

镧系元素可以表现出不同的氧化态和配位数，使得它们具有多种化学性质。

4.化学性质镧系元素有着丰富的化学性质。

它们是典型的两性元素，既能形成阳离子（+3价）也能形成阴离子（-3价）。

镧系元素的(+3)氧化态在水溶液中显示出附加物、配位和光谱活性的特征。

镧系元素与非金属元素形成的化合物通常是共价化合物，显示出较高的稳定性。

而与金属元素形成的化合物通常是离子化合物，可以参与氧化还原反应。

另外，镧系元素也表现出强氧化性和催化性。

镧系元素具有活性较高的表面，并能形成氧化物薄膜，在催化剂中能促进化学反应的进行。

5.性质变化规律镧系元素的性质随着原子序数的增加而变化。

随着电荷核吸引力的增加，原子半径减小，化合能增加，原子或离子的极化能力增强，离子半径、配位数和价态的多样性增加。

此外，由于4f电子的屏蔽效应较弱，导致外层电子有较强的相互作用，形成金属键或共价键。

镧系元素的金属性和金属结构成分是由4f电子的非常特殊的能带结构所决定的。

总而言之，镧系元素在周期表中具有独特的性质和变化规律。

镧系元素的光学性质镧系元素的光学性质一、镧系离子的电子吸收光谱和离子的颜色镧系离子的颜色来源于:①荷移跃迁电荷从配体的分子轨道向金属离子空轨道跃迁。

其光谱的谱带具有较大的强度和较短的波长，且受配体及金属离子的氧化还原性所影响。

②f－d(u→g)跃迁光谱选律所允许的跃迁。

因而谱线强度大,一般出现在紫外区，其中+2价离子也可能出现在可见区。

③f－f(u→u)跃迁光谱选律所禁阻的跃迁。

然而,由于中心离子与配体的电子振动偶合、晶格振动和旋－轨偶合使禁阻产生松动，从而使f－f跃迁得以实现。

可以发现:除La3＋和Lu3＋的4f亚层为全空或全满外，其余+3价离子的4f 电子都可以在7条4f轨道之间任意配布，从而产生多种多样的电子能级，这种能级不但比主族元素多，而且也比d区过渡元素多，因此，+3价镧系元素离子可以吸收从紫外、可见到红外光区的各种波长的辐射。

据报导，具有未充满f电子轨道的原子或离子的光谱约有3万条可以观察到的谱线。

先看为什么镧系离子的基态光谱项呈周期性变化？参看左表示出的Ln3＋离子的电子排布和基态光谱项。

以4f7的Gd3＋为中心，两边具有fx和f14－x组态的离子的角动量量子数、自旋量子数相同，基态光谱项对称分布。

这是因为4f轨道上未成对电子数目在Gd3＋两边是等数目递减之故。

再看为什么镧系离子的具有fx与f14－x结构的离子颜色相同。

这是因为半满的4f7结构的Gd把镧系其余14个元素分成了具有fx与f14－x 结构的两个小周期。

具有fx与f14－x结构的离子的未成对f电子数相同，电子跃迁需要的能量相近，故颜色相同。

所以，镧系元素的性质只要是和原子或离子的电子层结构密切相关的，则随着原子序数的增加，电子依次充填周期性地组成了相似的结构体系。

因而其性质就都应呈现周期性变化。

二、镧系离子的电子吸收光谱上图示出Pr3＋和Eu3＋的部分谱项能级图和Pr3+水溶液的电子吸收光谱。

其中Pr3+的电子组态为4f2，基态谱项为3H4，其他支谱项有3H5、3H6，3F2、3F3、3F4，1G4，1D2和3P0、3P1、3P2等。

镧系元素差别全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：镧系元素是指周期表中镧系元素组成的一组元素，其包括镧、铈、镨、钕、钷、镝、钐、铕、钷、钬、铥、镱和镨等共十五个元素。

镧系元素通常被放在元素周期表中的f区，其中的元素性质和化学特性有着一些共性，但也存在着一些差别。

镧系元素的原子序数逐渐增加，由镧元素的原子序数为57一直到镨元素的原子序数为71，随后又从镱元素的原子序数为89一直到镨元素的原子序数为103，这段包含15个元素的区域在元素周期表的下部，有时也被称为镧系锶内区。

这些元素的原子序数从最小的额镧元素依次增加到最大的镨元素，所以它们的电子结构和化学性质也会随之有所变化。

镧系元素在化学性质上有着一些共性。

它们的物理性质相似，都是银白色的金属，常温下多为固态，有较高的熔点和沸点，同时也具有良好的导电性能。

在化学性质上，镧系元素通常表现出较强的还原性和活泼性，容易与氧等其他元素形成化合物，形成二价和三价态的化合物，同时它们的离子半径比较接近，容易发生磁性相互作用。

镧系元素还具有较强的放射性，这也是它们在科学研究和技术应用中被广泛关注的原因之一。

虽然镧系元素之间有着一些共性，但也存在着一些差别。

镧系元素的原子序数逐渐增加，其电子结构也会发生变化，因此在化学性质上也会有所不同。

镨元素和镧元素的化学性质在一些方面会有明显的差别，比如在氧化状态、溶解性以及与其他元素的反应性等方面。

镧系元素的离子半径和电子亲和性也会不同，这也会影响其在化学反应中的表现。

在镧系元素中，由于镱和钔等元素的放射性较强，这些元素的性质和应用也有着一些特殊之处。

钔元素的放射性比较强，因此在核工程和医学诊断中有着特殊的用途，但同时也会带来一定的辐射危害。

镱元素也具有较强的放射性，因此在科学研究和高科技应用中有着重要的角色，比如在医学影像学中的核素扫描等方面。

镧系元素是元素周期表中重要的一组元素，其具有一些共性和差别。

通过了解这些元素之间的相似性和差异性，我们可以更好地理解它们在化学和物理上的性质，同时也可以更好地应用和探索这些元素在科学和工程领域的潜力。