镧系和锕系元素的价电子构型特点2

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。

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。

第十四章镧系和锕系元素
本章要求了解镧系和锕系元素的通性，我国稀土元素的概况以及核反应的类型。

f 区元素包括周期系中的镧系元素（原子序数57～71共15种元素）和锕系元素(原子序数89～103共15种元素)。

镧系元素中只有钷是人工合成的，具有放射性。

锕系元素均有放射性，铀后元素为人工合成元素，称超铀元素。

锕系元素中的钍(Th)和铀(U)在地壳内储量较多，而锕(Ac)、镤(Pa)、镎(Np)、钚(Pu)则极微。

周期系第ⅢB组中的钪、钇和镧以及其它镧系元素（共17种元素）性质都非常相似，并在矿物中共生在一起，总称为稀土元素，常用RE(Rare Earth)表示
f 区元素的价层电子构型为(n-2)f0～14(n-1)d0～2n s2, 其特征是随着核电荷的
增加，电子依次填入外数第三层(n-2)f 轨道，因而又统称内过渡元素。

14-1 镧系和锕系元素概述
镧系元素(Lanthanides, 简写为Ln)和锕系元素(Actinides, 简写为An)的基本性质列表于14-1和14-2。

表14-1 镧系元素的一些性质
锕系元素概述
锕系元素(Actinides, 简写为An, 原子序数89～103, 共15种元素)。

锕系元素均有放射性，铀后元素为人工合成元素，称超铀元素。

锕系元素中的钍(Th)和铀(U)在地壳内储量较多，而锕(Ac)、镤(Pa)、镎(Np)、钚(Pu)则极微。

表14-2 锕系元素的基本性质。

过渡金属（II）§21-1 铁系元素一、概述铁系元素：Fe ---3d64s2；氧化态：+2，+3，+4，+5，+6Co---3d74s2；+2，+3，+4Ni---3d84s2；+2，+3，+4最高氧化数低于族数元素电势图（P1013）：酸性条件下：Fe2+, Co2+, Ni2+最稳定，但Fe2+易被氧化Fe(VI), Co(III), Ni(IV)有强氧化性碱性条件下：M（II）的还原性增强4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3(快)4Co(OH)2+O2+2H2O=4Co(OH)3(慢)Ni(OH)2+O2→不反应单质性质：Fe Fe+2H+=Fe2++H2↑3Fe+4H2O(g) 850K Fe3O4+4H2Fe+NH3→Fe2NFe+O(S2,Cl2,P) 猛烈反应Co Co+2H+=Co2++H2↑(反应慢)Ni Ni+2H+=Ni2++H2↑Co、Ni在碱中的稳定性高于Fe；三者都在冷的浓HNO3中钝化；Fe在含有重铬酸盐的酸中也钝化。

二、铁的化合物1.氧化数为+2的化合物a.FeO和Fe(OH)2FeO的制备：FeC2O4隔绝空气ΔFeO+CO+CO2性质：碱性氧化物Fe(OH)2的制备：Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓(白)性质：还原性+O2+2H2O=4Fe(OH)32酸碱性：主要呈碱性，酸性弱Fe(OH)2+4OH-(浓)=[Fe(OH)6]4-b.FeSO4制备：2FeS2(黄铁矿)+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4或Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2OFe2(SO4)3+Fe=3FeSO4性质：热稳定性2FeSO4573K Fe2O3+SO2+SO3溶解性：易溶于水水解性：微弱水解Fe2++H2O=Fe(OH)-+H+还原性：4FeSO4+O2+2H2O=4Fe(OH)SO46FeSO4+K2Cr2O7+7H2SO4=3Fe2(SO4)3+K2SO4+Cr2(SO4)3+7H2O氧化性：Zn+Fe2+=Zn2++Fec.Fe(II)的配位化合物多为六配位的，配体如H2O、CN-、C5H5-等[Fe(H2O)6]2+淡绿色2KCN+FeS=Fe(CN)2+K2S4KCN+Fe(CN)2=K4[Fe(CN)6]K4[Fe(CN6).3H2O 即黄血盐K4[Fe(CN)6] 373K 4KCN+FeC2+N2K++Fe3++[Fe(CN)6]4-=KFe[Fe(CN)6 ]↓(普鲁士蓝)---检Fe3+2C5H5MgBr+FeCl2=(C5H5)2Fe(二茂铁)+MgBr2+MgCl22.氧化态为+3的铁的化合物a.氧化物及氢氧化物Fe2O3: α型---顺磁性由Fe(NO3)3或Fe2(C2O4)3分解制备γ型----铁磁性由Fe3O4氧化制得Fe3O4(FeO.Fe2O3):=Fe3O426FeO+O2=2Fe3O43Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑Fe(OH)3(即Fe2O3.nH2O): 两性偏碱性Fe(OH)3+3OH-(浓)=[Fe(OH)6]3-b.FeCl3共价分子，易升华，蒸气中双聚氧化性（酸性介质中）：2Fe3++2I-=2Fe2++I22Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+2Fe3++Sn2+=2Fe2++Sn4+水解性：Fe3++H2O=Fe(OH)2++H+Fe(OH)2++H2O=Fe(OH)2++H+H[Fe(H2O)5OH]2++[Fe(H2O)6]3+=[(H2O)5Fe-O-Fe(H2O)5]5++H2OOH 2[Fe(H2O)5OH]2+=[(H2O)4FeFe(H2O)4]4++2H2OOH当pH=0时[Fe(H2O)6]3+占99%pH=2-3时聚合度>2的多聚体pH>3 Fe(OH)3胶状↓Fe2(OH)24+、Fe2(OH)42+等聚合离子可与SO42-结合成一种浅黄色复盐晶体M2Fe6(SO4)4(OH)12 (M=K+, Na+,NH4+)，例Na2Fe6(SO4)4(OH)12(黄铁矾)的制备过程如下：(SO4)3+6H2O=6Fe(OH)SO4+3H2SO424Fe(OH)SO4+4H2O=2Fe2(OH)4SO4+2H2SO 42Fe(OH)SO4+2Fe2(OH)4SO4+Na2SO4+2H2O=Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓+H2SO4配合性：六配位，配体如H2O、CN-、F-、SCN-等2K4[Fe(CN)6]+Cl2=2KCl+2K3[Fe(CN)6](赤血盐)K3[Fe(CN)6]在碱性介质中有氧化性：4K3[Fe(CN)6]+4KOH=4K4[Fe(CN)6]+O2↑+2 H2OK++Fe2++[Fe(CN)6]3-=KFe[Fe(CN)6]↓(縢式蓝)---检Fe2+Fe3++nSCN-=[Fe(SCN)n]3-n(血红色)----检Fe3+还原性：2Fe3++10OH-+3ClO-=2FeO42-+3Cl-+5H2O3.氧化数为+6的铁的化合物FeO42-+8H++3e-= Fe3++4H2Oφo A=2.20VFeO42-+4H2O+3e-= Fe(OH)3+5OH-φo B=0.72VClO-+H2O+2e-=Cl-+2OH-φo B=0.89V2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-=2FeO42-(紫红色)+3Cl-+5H2OFe2O3+3KNO3+4KOH=2K2FeO4+3K NO2+2H2OBa2++FeO42-=BaFeO4↓FeO42-在酸性条件下不稳定：4FeO42-+20H+=4Fe3++3O2↑+10H2O钴的化合物1.+2价的钴的化合物CoO(灰绿)：由CoCO3(或CoC2O4、Co(NO3)2隔绝空气加热制得难溶于水，不溶于碱，溶于酸Co3O4(黑)：由CoCO3(或CoC2O4、Co(NO3)2在空气中加热制得Co(OH)2:Co2++OH-+Cl-=Co(OH)Cl↓(蓝)Co(OH)Cl+OH-=Co(OH)2↓(粉红)弱两性，偏碱性Co(OH)2+2OH-(浓)=Co(OH)42-还原性：4Co(OH)2+O2+2H2O=4Co(OH)3↓(棕褐色)Co(OH)2+Br2(或Cl2, ClO-)→Co(OH)3 Co2+的配合性：易与NH3、CN-、SCN-、NO3-等形成配合物，配合物还原性强，不稳定CoCl2.6H2O 325K CoCl2.2H2OCoCl2.H2O 393K CoCl2粉红紫红蓝紫蓝[Co(NH3)6]3++e-=[Co(NH3)6]2+φo=0.10V4[Co(NH3)6]2++O2+2H2O=4[Co(NH3) ]3++4OH-64[Co(H2O)6]2++20NH3+4NH4++O2=4[ Co(NH3)6]3++26H2O2[Co(H2O)6]2++10NH3+2NH4++H2O2 =2[Co(NH3)6]3++14H2O2K4[Co(CN)6]+2H2O 微热2K3[Co(CN)6]+2KOH+H2↑Co2++4SCN- =[Co(SCN)4]2-(蓝色，在有机溶剂中较稳定，水中易解离)Hg2++[Co(SCN)4]2-=Hg[Co(SCN)4]↓(蓝)Co2++4NO3-=[Co(NO3)4]2-(八配位，NO3-为双齿配体)2.+3价的钴的化合物----氧化性O3.H2O 573K Co3O4+O2↑22Co(OH)3+6HCl=2CoCl2+Cl2↑+6H2OCo3+的配合性：配合物稳定，与NH3、CN-、NO2-、F-等形成六配位的配合物，只有F-的配合物为高自旋Co2++7NO2-+3K++2HAc ΔK3[Co(NO2)6]↓+NO↑+H2O+Ac-易通过OH-、NH2-、NH2-、O22-、O2-为桥形成多核配合物O2[(NH3)4CoCo(NH3)4]Cl3NH2配合物的异构体多，如：[(ONO)Co(NH3)5]Cl2红色[(NO2)Co(NH3)5]Cl2黄棕色四、镍的化合物+2价的镍的化合物NiO: 暗绿色，溶于酸，难溶于水，不溶于碱Ni(OH)2: 苹果绿，碱性还原性：2Ni(OH)2+Br2+2OH-=2Ni(OH)3↓(棕黑)+2Br-稳定性：在空气中稳定Ni2+的配合性：[NiCl4]2-四面体构型[Ni(CN)4]2-平面正方形构型Na2[Ni(C N)4].3H2O 黄色K2[Ni(CN )4].H2O 橙色[Ni(NH3)6]2+天蓝色[Ni(en)3]2+紫红色与丁二酮肟形成鲜红色的内配盐沉淀，用于鉴定Ni2+2.+3、+4价的镍的化合物------氧化性β-NiO(OH)：黑色，碱性2Ni2++KBrO+4OH-=2 β-NiO(OH)+KBr+H2ONiO2.nH2O: 黑色，强氧化性，不稳定Ni2++ClO-+2OH-+(n-1)H2O=NiO2.nHO+Cl-2Ni(OH)3:2Ni(OH)2+Br2+2OH-=2Ni(OH)3↓(棕黑)+2Br-2Ni(OH)3+6HCl(浓)=2NiCl2+Cl2↑+6H2O五、铁、钴、镍的低氧化态的配合物如Fe(CO)5、HCo(CO)4存在反馈π键Ni+4CO 325K, 1atm Ni(CO)4(无色液体)Fe+5CO 373-473K, 2.02×107Pa Fe(CO)5淡黄液体)2CoCO3+2H2+8CO 393-473K,2.53-3.03×107Pa Co(CO)8+2CO2+2H2O2羰基配合物的特点：熔、沸点低，易挥发，易分解，有毒Fe(CO)5473-523K Fe+5COFe(CO)5+2NO=Fe(CO)2(NO)2+3 COCo2(CO)8+2NO=2Co(CO)3(NO) +2CO(NO为三电子配位体)§21-2 铂系元素一、概述Ru Rh Pd Os(蓝灰)Ir PtRu、Rh、Os、Ir不溶于王水Pt、Pd溶于王水Pd还溶于稀或浓硝酸及热的硫酸中室温下仅有粉末状的Os被氧化成挥发OsO4Ru+O2ΔRuO2Rh+O2炽热Rh2O3升温分解Pd+O2炽热PdO 升温分解Pt+O2ΔPtO Δ分解铂系金属不与N2作用，与S、P、Cl2、F2等在高温下反应Pt+Cl2(干燥) >523K PtCl2H2PtCl5+Cl2573K PtCl4(红棕色) 643-708K PtCl(暗绿)3708-854K PtCl2855K Pt苛性碱或Na2O2对Pt腐蚀严重Pt易与S, M2S, Se, Te, P4, M3PO4, 磷化物作用二、铂和钯的重要化合物1.H2[PtCl6] 及其盐PtCl4+2HCl=H2[PtCl6]H2[PtCl6].6H2O 橙红：两性4Pt(OH)4+6HCl=H2[PtCl6]+4H2OPt(OH)4+2NaOH=Na2[Pt(OH)6]PtCl4+2NH4Cl=(NH4)2[PtCl6]PtCl4+2KCl= K2[PtCl6]Na2[PtCl6]易溶于水、酒精(NH4)2[PtCl6]及M2[PtCl6] (M=K,Rb,Cs)均为难溶于水的黄色晶体氯亚铂酸盐：K2[PtCl6]+K2C2O4=K2[PtCl4]+2KCl+2CO2↑(NH4)2[PtCl6] ΔPt+2NH4Cl+2Cl2↑3(NH4)2[PtCl6] Δ3Pt+2NH4Cl+16HCl+2N2↑稳定性：[PtF6]2- < [PtCl6]2-< [PtBr6]2- < [PtI6]2-K盐颜色：黄深红黑Pt(II)-乙烯配位化合物[PtCl4]2-+C2H4 =[Pt(C2H4)Cl3]-+Cl-2[Pt(C2H4)Cl3]- =[Pt(C2H4)Cl2]2+2Cl-3.PdCl2PdCl2+CO+H2O=Pd↓+CO2↑+2HCl第二十二章镧系元素和锕系元素§22-1引言1.镧系元素2.稀土元素3.轻稀土（铈组稀土）：La, Ce, Pr, Nd, Pm,Sm, Eu4.重稀土（钇组稀土）:Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu(Sc)，Y§22-2镧系元素的电子层结构及通性一、镧系元素在周期表中的位置及其电子层结构电子层结构：P1070二、镧系收缩势是随着原子序数的增大而缩小，这个现象称“镧系收缩”。