1f区镧系和锕系元素习题

稀土元素化学习题答案1．简要回答下列问题：(1)什么叫稀土元素？什么叫镧系元素？答：稀土元素：镧系元素以及与镧系密切相关的钪(Sc)、钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。

镧系元素：镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）等15种元素。

(2) 何谓“镧系收缩”，说明其产生的原因。

答：镧系收缩是指从镧到镥随着原子序数的增加，它们的原子半径、离子半径均逐渐减小的现象。

原因：镧系元素中每增加一个质子，相应的一个电子进入4f轨道，而4f电子对原子核的屏蔽作用与内层电子相比较小，有效核电荷数增加较大，核对最外层电子的吸引力增加。

(3) 为什么镧系元素的电子结构在固态和气态不同？这对元素的特性会造成什么影响？答：金属由气态变为固态，原子间通过金属键的形式结合为金属晶体，该过程价层轨道重叠，由于镧系原子外层轨道的伸展程度是按4f-5d-6s的顺序增大的，即4f轨道的相互重叠比5d、6s轨道困难得多，当镧系元素的原子间形成金属键时，主要是通过6s及5d 轨道的重叠，而4f轨道并不参与。

由于，电子迁跃需要吸收能量（激发能），但迁跃的结果，增加了一个成键电子，可以释放出一份成键能。

对于大多数镧系元素的原子，成键能大于激发能，从而导致4f电子向5d的跃迁。

影响：使镧系金属键的成键电子数除Eu、Yb外其余都为3。

为什么镧系元素彼此间化学性质的差别比锕系元素彼此间的差别要小得多？答：锕系的收缩一般比镧系的收缩要小一些。

(5) 镧系离子的电子光谱同d区过渡金属离子相比有什么不同？为什么？答：镧系离子可以观察到的光谱线大约有30000 条，而具有未充满d电子壳层的过渡金属元素的谱线约有7000条。

镧系离子的电子光谱呈窄的线状，光谱的位移和劈裂受环境的影响较小，而d区过渡金属离子吸收光谱为带状光谱。

第25章f区金属镧系与锕系金属[教学要求]1．掌握镧系和锕系元素的电子构型与性质的关系。

2．掌握镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响。

3．了解镧系和锕系以及与d过渡元素在性质上的异同。

4．一般了解它们的一些重要化合物的性质。

[教学重点]1．镧系和锕系元素的电子构型。

2. 镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响[教学难点]镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响[教学时数]2学时[主要内容]1．镧系元素的通性，镧系金属及其重要化合物的性质。

2．稀土元素的分布、分离及稀土金属的配合物的性质。

3．锕系元素的通性，锕系金属及其重要化合物的性质。

[教学内容]周期表中，IIIB族有32个元素，包括钪、钇、镧和锕，其中镧这一格代表15种镧系元素（Z=51-71），锕这一格代表着15个锕系元素(Z＝89-l03)。

下面分别讨论镧系元素和锕系元素。

25-1 镧系元素一、 镧系元素的通性镧系元素：镧在基态时不存在f电子，但镧与它后面的14种元素性质很相似，所以把从57号La到71号Lu的15种元素作为镧系元素.价电子构型通式：4f0-145d0-16s21、电子构型原子序数元素符号价电子层结构4f05d16s257 镧 La4f1 5d16s258 铈 Ce4f36s259 镨 Pr4f46s260 钕 Nd4f56s261 钷 Pm62 钐 Sm 4f 6 6s 2 63 铕 Eu 4f 7 6s 2 64 钆 Gd 4f 7 5d 6s 2 65 铽 Tb 4f 9 6s 2 66 镝 Dy 4f 10 6s 2 67 钬 Ho 4f 11 6s 2 68 铒 Er 4f 12 6s 2 69 铥 Tm 4f 13 6s 270 镱 Yb 4f 14 6s 2 71镥 Lu 4f 14 5d 1 6s 22. 氧化态+III 氧化态是所有镧系元素的特征氧化态。

它们失去三个电子所需的电离势较低，即能形成稳定的+III 氧化态。

第二十三章镧系元素和锕系元素周期表中，ⅢB 族有32 种元素，包括钪、钇、镧、锕，其中镧这一格代表15 种镧系元素（ 71 ~ 57 = Z ），锕这一格代表15 种锕系元素（ 103 ~ 89 = Z ），下面分别讨论镧系和锕系元素。

23-1 镧系元素1、通性：（1）概念：镧系包括从Lu La ~ 的15 种元素，用Ln 表示，又由于Y 在矿物中的与镧系共生，其原子半径和离子半径与镧系元素接近，所以又把Y 和镧系元素合称希土元素，用RE 表示。

（2）电子层结构镧系内，自La 以后，增加的电子填充在f 4 亚层上， f 有t 个轨道，共可容纳14个电子，所以La 后出现14 种元素，称为第一内过渡系。

锕系后14 种元素称第二内过渡元素，92 号U 以后的元素又叫超铀元素。

镧系元素原子的最外面两层的电子结构相似，不同在于f 4 内层，因此化学性质非常相似，在周期表中占一格。

（3）氧化态：主要价态为+Ⅲ，+Ⅳ，但不及+Ⅱ稳定，+Ⅱ价态为很强的还原剂+ 2 Sm （钐），+Ⅳ为很强的氧化剂如： + 4 Ce （铈）（能存在于溶液中）， + 2 Eu （铕）， + 2 Yb （镱）能存在于溶液中。

它们的氧化态与电子层的构型有关，如14 7 0 , , f f f 特别稳定，另外还与其热力学和动力学因素有关。

（4）原子半径和离子半径：镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。

随着原子序数的增加，电子填入f 4 层，而f 4 电子对核的屏蔽不如内层电子，因而随着原子序数的增加，对外层电子吸引力增加，原子半径、离子半径逐渐减小。

其中铕（Eu ）和镱（Yb ）的原子半径变化趋势反常，是因为它们分别具有7 4 f 和14 4 f 的稳定结构，对原子核有较大的屏蔽作用。

另外，在它们的金属晶体中它们仅能给出2 个s 电子形成金属键，原子之间的结合力不像其他镧系元素那样强，所以金属铕和镱的密度较低，熔点也较低，升华能也比相邻的元素低。

习题解答：1. 什么叫做“镧系收缩”？讨论出现这种现象的原因和它对第6周期中镧系后面各个元素的性质所发生的影响。

答：镧系元素的原子半径和离子半径，其总的趋势是随着原子序数的增大而缩小，这种现象称为“镧系收缩”。

由于镧系收缩的存在，使镧后面元素铪（Hf）、钽（Ta）、钨（W）等原子和离子半径，分别与同族上一周期的锆（Zr）、铌（Nb）、钼（Mo）等几乎相等，造成Zr-Hf、Nb-Ta、Mo-W化学性质非常相似，以致难以分离。

另外，在VIII族九种元素中，铁系元素（Fe、Co、Ni）性质相似，轻铂系元素（Ru、Rh、Pd）和重铂系元素（Os、Ir、Pt）性质相似，而铁系元素与铂系元素性质差别较大，这也是镧系收缩造成的结果。

镧系收缩的另一结果是使钇（Y3+）离子半径正好处于镧系正三价离子的范围之内，与Er3+（88.1 pm）的半径十分接近，因而在自然界中钇常同镧系元素共生，成为稀土元素的成员。

2. 镧系元素三价离子中，为什么La3+、Gd3+ 和Lu3+ 等是无色的，而Pr3+ 和Sm3+等却有颜色？答：镧系元素离子的颜色主要由4f轨道中的电子的跃迁即f-f跃迁所引起。

当4f轨道未充满时，可以出现多种能级，不同能级间的跃迁就会发生对电磁辐射的吸收。

镧系离子的颜色与f轨道中的未成对电子数有关。

La3+、Gd3+ 和Lu3+分别为f 0，f7，f 14离子，其4f轨道为全空、半充满和全充满的稳定结构，遇到可见光时，没有电子激发或者电子很难被激发，所以这些离子是无色。

而其它具有4f n（n = 2，3，4，5，9，10，11，12）电子的Ln3+都显示不同的颜色。

这里面就包括Pr3+（4f 2）和Sm3+（4f 5）离子。

3. 镧系元素的特征氧化态为＋3，为什么铈、镨、铽、镝常呈现＋4氧化态，而钐、铕、铥、镱却能呈现＋2氧化态？答：镧系中有些元素还存在着除＋3以外的稳定氧化态，即铈、镨、铽、镝常呈现＋4氧化态，而钐、铕、铥、镱却能呈现＋2氧化态，这是因为它们的离子电子结构保持或接近全空、半满或全充满的稳定状态。

第九章稀土元素【习题答案】9.1 什么叫内过渡元素？什么叫镧系元素？什么叫稀土元素？解：内过渡元素：指镧系和锕系元素，位于f区，也称为内过渡元素。

镧系元素：从57号元素镧到第71号元素镥，共15种元素，用Ln表示。

稀土元素：是15个镧系元素加上钪（Sc）和钇（Y），共计17个元素。

9.2 从稀土元素的发现史，你能得到何种启示？解：请阅读“9.1.1 稀土元素的发现”一节的内容，体会科学研究的精神。

9.3 稀土元素在地壳中的丰度如何？主要的稀土矿物有哪些？世界和我国的稀土矿藏分布情况如何？解：稀土元素在地壳中的丰度如下表所示：元素名称Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm 丰度/g·t－1 5 28.1 18.3 64.1 5.53 23.9 4.5×10－20 6.47元素名称Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 丰度/g·t－1 1.06 6.36 0.91 4.47 1.15 2.47 0.20 2.66 0.75主要的稀土矿物有独居石、氟碳铈矿、磷酸钇矿等。

我国稀土资源极其丰富，其特点可概括为：储量大、品种全、有价值的元素含量高、分布广。

已在18个省市发现蕴藏各类稀土矿，储量占世界已探明稀土矿藏的55％左右。

南方以重稀土为主，内蒙古以轻稀土为主。

在内蒙古包头市北边白云鄂博，称为“世界稀土之都”，储量占全国储量70％以上。

国外稀土资源集中在美国、印度、巴西、澳大利亚和俄罗斯等国。

9.4 如何从稀土矿物中提取稀土元素？解：从稀土矿物中提取稀土元素主要包括三个阶段：（1）精矿的分解：利用化学试剂与精矿作用使稀土元素富集在溶液或沉淀中，与伴生元素分离开来。

方法可分为干法和湿法。

（2）化合物的分离与纯化：从混合稀土氧化物或混合稀土盐中分离出单一的稀土元素。

方法有分级结晶法、分级沉淀法、选择性氧化还原法、离子交换法、溶剂萃取法等。

（3）稀土金属的制备：通常采用熔融盐电解和热还原法。

元素周期表，元素周期律练习题【知识框架】【基础回顾】一、元素周期表1、元素周期表的编排原则（1）横行：把电子层数相同的元素按原子序数递增的顺序从左至右排成横行。

（2）纵行：把不同横行中最外层电子数相等的元素，按电子层数递增的顺序，由上而下排成纵行。

2、元素周期表的结构（1）周期（七个横行，七个周期）（2）族（18个纵行，16个族）3．元素周期表的分区（★选修）按构造原理最后填入电子的能级的符号可把周期表里的元素划分为5个区，分别为s区、d区、ds、p区、f区，各区分别包括ⅠA、Ⅱ族元素、ⅢB～Ⅷ族元素、ⅠB、ⅡB族元素、ⅢA～ⅦA族和0族元素、镧系和锕系元素，其中s区(H除外)d 区、ds区和f区的元素都为金属。

二、元素周期律1、概念元素的性质随核电荷数递增发生周期性的递变。

2、实质元素周期律的实质是元素原子结构的周期性变化必然引起元素性质的周期性变化。

3、对角线规则在元素周期表中，某些主族元素与右下方的主族元素的某些性质相似，如Li和Mg，Be和Al。

4、元素周期表中同周期、同主族元素性质的递变规律5、电离能（★选修）（1）第一电离能：气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量。

（2）元素第一电离能的意义：元素的第一电离能可以衡量元素的原子失去一个电子的难易程度。

第一电离能数值越小，原子越易失去一个电子，该元素的金属性越强；反之，第一电离能数值越大，原子越难失去一个电子。

（3）变化规律：①同一周期从左到右元素的第一电离能呈增大的趋势，但某些地方出现曲折变化，如Be＞B，N＞O， Mg＞Al，P＞S。

②同一族从上到下元素的第一电离能变小。

6．电负性（★选修）（1）键合电子：原子中用于形成化学键的电子。

（2）电负性：用来描述不同元素的原子对键合电子吸引力的大小。

（3）意义：电负性越大的原子，对键合电子的吸引力越大，非金属性越强。

故电负性的大小可用来衡量元素非金属性和金属性的大小。

第二章原子结构习题解答2.1氢光谱中四条可见光谱线的波长分别为656.3、486.1、434.1和410.2nm（1nm=10-9m）。

根据ν= c /λ，计算四条谱线的频率各是多少？答：因为c=3.0×108m/s，所以：ν1=3.0×108/ (656.3×10－9) ＝4.6×1014 (s-1)ν2=3.0×108/ (486.1×10－9) ＝6.2×1014 (s-1)ν3=3.0×108/ (434.1×10－9) ＝6.9×1014 (s-1)ν4=3.0×108/ (410.2×10－9) ＝7.3×1014 (s-1)2.2区别下列概念（1）线状光谱和连续光谱答：线状光谱：不连续的光谱，光谱上是一条条相隔的线。

连续光谱：波长连续分布的光谱为连续光谱。

（2）基态和激发态答：基态：在正常状态下，原子核外的电子尽可能处于离核较近，能量较低的轨道上，此时原子所处的能量状态为基态。

激发态：当接受外界能量时，基态原子中的电子因获得能量跃迁到能量较高的轨道上，此时原子的这种能量状态称为激发态。

（3）电子的微粒性和波动性答：电子的微粒性：实验证明，电子是具有质量、动量的粒子。

波动性：电子衍射等实验说明电子具有波动性。

（4）几率和几率密度答：几率：电子在核外某一区域出现的机会。

几率密度：电子在原子核外空间某处单位体积内出现的几率,表示微粒波的强度，用电子云表示。

（5）波函数和原子轨道答：波函数：表示原子核外电子轨道的数学关系式。

原子轨道：区别于宏观世界中的具体的轨迹，具有一定的能级、形状和伸展方向。

（6）轨道能级的简并、分裂和交错答：主量子数和角量子数相同，磁量子数不同的轨道能级相同，称为轨道能级简并；在外界能量的作用下，原本简并的轨道能级会发生分裂。

由于钻穿效应，在填充电子时，某些n较大的原子轨道的能量反而低于n较小的原子轨道的能量的现象，称为能级交错。

第22章:镧系和锕系元素习题参考答案(P1110-１111）1. 答:镧系和锕系元素的名称、元素符号和原子序数如下：镧系元素：锕系元素：２．答:(1）镧系元素的特征氧化态为+３:镧系元素原子的（基态)价层结构为：4f 0~14 5d0~１6s2 ;镧系元素原子的基态电子层结构中“最外三个电子层的结构”为:(4s２4p64d１０)４f 0~１4,（5s２５p6)５d０~１,6s2。

由于镧系元素最外两个电子层对4f轨道有较强的屏蔽作用，4f电子与核的作用较强(即4f电子受核的引力较大），当镧系元素与其它元素化合时，它们都是失去最外层的2个6s电子、次外层的1个５d电子或倒数第三层的1个4ｆ电子（４ｆ轨道中的电子一般只有1~2个能够参与形成化学键)，这三级电离势之和是比较低的、且都很相近(3450~４１90kＪ·mｏl-1 )，而且它们的Ln3+离子半径很相近,Ｌn3＋的水合能相近。

因此，镧系元素的特征氧化态为+3。

（２）Ce(铈)、Pｒ(镨)、Tb(铽)、Ｄｙ(镝)还常呈现+4氧化态：Cｅ４+(4f0）、Ｐr4+(４f1)、Tb4+(4f7）、Cｅ４+(4ｆ8)，是因为它们的4ｆ能级具有全空或接近全空、半满或接近半满的结构，这符合Hunｄ规则。

(３) Sm(钐)、Eu(铕)、Tm(铥)、Yb（镱）能呈现+２氧化态:凡是具有相对稳定电子层结构的镧系元素Lｎ2+的离子，都是可以形成的。

镧系元素中几乎有一半的元素都能形成+2氧化态的离子,特别是：Sｍ2+(4f6 )、Eu2＋(4f７)、Ｔm2+(４f1３)、Ｙｂ2＋(4f14 )。

３．解释镧系元素在化学性质上的相似性。

答:镧系元素在化学性质上都十分相似，尤其是下列两组的元素：铈组稀土(轻稀土)：Ｌa、Cｅ、Ｐｒ、Nd、Pm、Sm、Eu;钇组稀土(重稀土)：Gd、Tｂ、Dy、Ho、Ｅｒ、Tｍ、Yb、Lｕ(Sc)、Y。

镧系元素原子的基态电子层结构中“最外三个电子层的结构”为：(4s24p64d１0)4f 0~14, (5s２5p6)5d0~1，６s2，倒数一、二两个电子层结构几乎相同, 仅是倒数第三电子层中的4ｆ能级中电子数不同，即:镧系元素原子的价层结构(４ｆ0～14 5d 0~1６s2 )十分相似。

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。

第16讲元素周期律和元素周期表目标要求1.认识元素性质与元素在周期表中位置的关系。

2.结合有关数据和实验事实认识原子结构、元素性质呈周期性变化的规律，构建元素周期律。

3.知道元素周期表的结构，以第3周期的钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯以及碱金属和卤族元素为例，了解同周期和同主族元素性质的递变规律。

体会元素周期律(表)在学习元素化合物知识与科学研究中的重要作用。

4.认识元素的原子半径、第一电离能、电负性等元素性质的周期性变化，知道原子核外电子排布呈现周期性变化是导致元素性质周期性变化的原因。

5.知道元素周期表中分区、周期和族的元素原子核外电子排布特征，了解元素周期律(表)的应用价值。

1．元素周期表的结构(1)原子序数按照元素在周期表中的顺序给元素编号，称之为原子序数，原子序数＝核电荷数＝质子数＝核外电子数。

(2)编排原则①周期：把电子层数相同的元素，按原子序数递增的顺序，从左至右排成的横行。

②族：把最外层电子数相同的元素，按电子层数递增的顺序，从上至下排成的纵列。

(3)元素周期表的结构元素周期表⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ 周期(7个)⎩⎨⎧短周期⎩⎪⎨⎪⎧ 第1、2、3周期元素种数分别为2、8、8种长周期⎩⎪⎨⎪⎧ 第4、5、6、7周期元素种数分别为18、18、32、32种族(16个)⎩⎪⎨⎪⎧主族：由短周期和长周期共同构成，共7个副族：完全由长周期元素构成，共7个Ⅷ族：第8、9、10共3个纵列0族：第18纵列理解应用请在下表中画出元素周期表的轮廓，并在表中按要求完成下列问题： (1)标出族序数。

(2)画出金属与非金属的分界线，写出分界线处金属的元素符号，并用阴影表示出过渡元素的位置。

(3)写出各周期元素的种类。

(4)写出稀有气体元素的原子序数。

答案2．原子结构与元素在周期表中的位置关系(1)原子结构与周期的关系(2)每族元素的价层电子排布特点①主族②0族：He为1s2；其他为n s2n p6。

③过渡元素(副族和Ⅷ族)：(n－1)d1～10n s1～2。