第2章稀土元素的电子结构和镧系收缩

稀土元素的结构特征稀土元素是指周期表中的镧系元素，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。

它们的原子数从57到71不断增加，且具有相似的化学性质。

这些元素被广泛用于电子、光学、材料科学和医学等领域，并且是许多技术和设备的基本材料。

1.电子结构：稀土元素的电子结构具有特殊的特征。

它们的电子排布在4f轨道中，这些电子具有特殊的自旋和轨道角动量，称为“内层电子自旋-轨道相互作用”（LS耦合）。

这种相互作用使得稀土元素表现出许多独特的物理和化学性质，例如磁性、发光和超导等。

2.离子半径：稀土元素的离子半径相对较小，尤其是3价稀土离子（+3）的离子半径。

它们的离子半径逐渐缩小，从镧系到镥系，这与它们在周期表中的位置有关。

3.磁性：稀土元素具有丰富的磁性。

其中，镨、钕、钆和铕是具有自发磁性的常温磁体材料，它们在室温下具有较高的磁矩。

镐、铽、钬等元素则具有温度敏感的磁性，称为“磁相变”。

这些稀土磁体在电子设备、计算机和电动汽车等领域有广泛的应用。

4.化合价：稀土元素形成的化合物的化合价多种多样。

由于它们的电子结构特殊，稀土元素可以同时显示不同化合价的特性。

例如，镧的最低化合价为+3，但它也能形成+2和+4的化合价。

5.光学特性：稀土元素在光学方面具有重要的应用价值。

它们的原子核和电子结构使得它们能够吸收和辐射可见光、紫外光和红外光等不同波长的电磁波。

稀土元素可以被用于制备发光材料，例如激光晶体和荧光粉。

总而言之，稀土元素具有独特的电子结构、离子半径、磁性、化合价和光学特性等结构特征。

这些特点使得稀土元素在各种领域有广泛的应用，对于推动科技进步和发展具有重要作用。

1镧系收缩镧系元素的原子半径和离子半径列于表1,从表中数据可以看出,从钪(Sc)经钇(Y)到镧(La)原子半径和+3离子半径逐渐增大,但从镧(La)到镥(Lu)的镧系元素的原子半径和相同氧化态的离子半径随着原子序数的增加,从整体来看都有减小的趋势.从La到Lu原子半径总共收缩14.42 pm,+3离子半径总共收缩21.3 pm.此减小趋势也可从图1、图2中看出.这种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.2镧系收缩的原因原子半径和离子半径的大小,主要取决于原子和离子的最高能级中电子的主量子数和其所经受的有效核电荷(z＊)的引力大小.对镧系元素的原子及离子来说,主量子数没有差别,因此半径的差别主要来自z＊的不同.在镧系元素中,随着原子序数的增加,新增加的电子相继填充在外数第三层的4f轨道上,造成镧系收缩的原因首先在于4f电子虽处于内层轨道,但由于4f轨道形状分散(四瓣梅花形),在空间伸展得又较远,以致4f电子对原子核的屏蔽不完全,不象轨道形状比较集中的其他内层电子那样有效地屏蔽核电荷,结果随着原子序数的递增,外层电子所经受的有效核电荷的引力递增,因而使电子壳层依次有所减小.镧系元素的原子和+3离子的有效核电荷见表2.其次,由于4f轨道形状分散,4f电子相互之间的屏蔽也非常不完全,在填充4f电子的同时,每个4f电子所经受的有效核电荷也在逐渐增加,结果4fn电子壳层也逐渐减小.整个电子壳层依次收缩的积累造成了镧系收缩.3镧系收缩中的反常现象3.1铕(Eu)和镱(Yb)的原子半径突然增大从图1和图2中可以看出:原子半径的收缩不仅比离子半径收缩得慢,而且不如离子半径收缩变化有规律,它只是总的趋势减小,但在Eu和Yb 处出现双峰,即这两种元素原子半径特别大.这是由于Eu和Yb分别有半充满的4f7和全充满的4f14电子构型,根据洪特规则,这种具有半充满和全充满状态的电子构型是比较稳定的,在Eu和Yb的金属晶体中每个原子只能提供2个6S电子参加形成金属键,而其它镧系元素的原子一般有3个电子参加形成金属键,所以Eu和Yb的金属键远比其他镧系元素弱,结果是其金属半径自然要大得多.这与Eu和Yb比其左右邻居有较低的密度、熔点、升华能是相吻合的.3.2铈(Ce)的原子半径较其左、右邻居都小铈(Ce)具有4f15d16s2电子构型,4个价电子全部参与形成金属键时,简并的4f、5d轨道处于比较稳定的全空状态,所以在铈(Ce)的金属晶体中每个Ce原子有4个价电子参与成键,其金属键比其它镧系元素强,结果是其金属半径自然比其左右邻居都小.4镧系收缩的结果4.1镧系两相邻原子半径约缩小1 pm例65Tb66Dy67Ho68Er69Tmr/pm178.33180.13176.61175.66174.62同周期相邻两元素的原子半径缩小幅度为:主族约10 pm、副族约5 pm、镧系约1 pm.这是由于主族元素随着原子序数的增大,新增加的电子依次填充在最外层的nS或nP轨道上,有效核电荷增加显著(平均约0.2～0.3);副族元素新增加的电子依次填充在次外层的(n-1)d轨道上,有效核电荷增加较多(平均约0.07);而镧系元素新增加的电子依次填充在外数第3层的(n-2)f 轨道上,有效核电荷增加较少(平均约0.02).所以镧系元素两相邻原子半径缩小的幅度较小. 4.2镧系两相邻+3离子半径约缩小1.5 pm例65Tb3+66Dy3+67Ho3+68Er3+69Tm3+ r/pm92.390.889.488.186.9镧系元素+3离子中的4f电子对原子核的屏蔽作用比其原子中4f电子对原子核的屏蔽作用小.从表2可以看出,从La到Lu随着原子序数的增大,相邻两原子有效核电荷约增加0.02,两相邻+3离子有效核电荷约增加0.1.因而镧系金属离子半径收缩较原子半径显著.4.3从镧(La)到镥(Lu)原子半径共收缩14.3 pm,+3离子半径共收缩21.3 pm。

稀土元素的电子结构分析稀土元素，这可真是个神奇又有趣的领域！咱们今天就来好好扒一扒它们的电子结构。

我还记得有一次在实验室里，为了研究稀土元素的电子结构，我和同事们可是费了好大的劲。

那是一个阳光明媚的上午，实验室里的仪器都在安静地等待着我们的操作。

我们把精心准备好的稀土样本小心翼翼地放进了检测设备中，每个人的眼睛都紧紧盯着屏幕，期待着能从中解读出稀土元素电子结构的秘密。

稀土元素包括镧系元素加上钪和钇，一共 17 种元素。

它们的电子结构那叫一个复杂而独特。

先来说说镧系元素，它们的电子构型有一个明显的特点，就是在填充电子的时候，会先填充 4f 轨道。

这 4f 轨道就像是一个神秘的小房间，电子们在里面排排坐。

比如说，镧（La）的电子构型是 Xe5d1 6s2，而铈（Ce）则是 Xe4f1 5d1 6s2。

稀土元素的电子结构决定了它们很多独特的性质。

就拿磁性来说吧，由于 4f 电子的特殊排布，使得一些稀土元素具有很强的磁性。

这就好比电子们在跳一场独特的舞蹈，它们的舞步决定了整个表演的精彩程度。

再看看它们的光学性质，稀土元素在发光材料中可是大显身手。

为啥呢？还是因为它们那特别的电子结构。

当受到外界能量激发时，电子会在不同的能级之间跃迁，从而发出各种颜色的光。

就像一场绚烂的灯光秀，让人惊叹不已。

而且啊，稀土元素的电子结构还影响着它们在催化领域的表现。

电子在不同轨道之间的转移，就像是一个个小精灵在传递能量，促进化学反应的进行。

在实际应用中，稀土元素的电子结构更是发挥着关键作用。

比如说在永磁材料中，钕（Nd）的电子结构使得它能够制造出超强的永磁体，广泛应用于电机、音响等领域。

总之，稀土元素的电子结构就像是一本神秘的密码本，我们通过不断地研究和探索，逐渐解开其中的奥秘。

就像那次在实验室里，虽然过程充满了挑战，但每一个新的发现都让我们兴奋不已。

未来，随着科技的不断进步，我们对稀土元素电子结构的理解也会越来越深入，相信会有更多神奇的应用等着我们去发掘。

第2章稀土元素的电子结构和镧系收缩稀土元素是指周期表中镧系元素，从镧（La）到镥（Lu）。

它们被称为稀有土壤元素，因为它们在地壳中的含量相对较低。

稀土元素具有独特的电子结构和镧系收缩现象，这些特征使得它们在化学和物理领域中具有广泛的应用。

稀土元素的电子结构是其独特性质的基础之一、稀土元素的原子核中有一种称为4f电子的内层电子，这些电子处于7s轨道之下，因此它们在化学反应中几乎没有参与。

然而，稀土元素的外层电子又和常规的d电子和f电子（把f电子放在外侧）在能量上非常接近。

这使得稀土元素具有很多特殊的化学性质，如高磁性、发光性等。

另一个重要的特征是稀土元素的镧系收缩。

镧系收缩是指在元素周期表中，随着电子逐渐填充4f轨道，原子半径逐渐减小的现象。

这是因为随着电子数目的增加，电子云的电子-电子排斥力增大，使得整个原子缩小。

镧系收缩的结果是稀土元素具有非常相似的化学性质，难以分离和区分。

这也是为什么稀土元素在过去很长一段时间内被认为是难以研究和利用的原因之一然而，稀土元素的电子结构和镧系收缩也为其在化学和物理领域中的应用提供了很多机会。

稀土元素在催化剂、磁性材料、发光材料等方面具有重要的应用价值。

由于其独特的电子结构和化学性质，稀土元素可以用来设计和制备具有特殊性质和功能的材料。

例如，稀土元素的电子结构使得它们在磁性材料中表现出色。

稀土元素的f电子对电子自旋和轨道运动具有很强的耦合作用，导致稀土离子具有强磁性。

稀土磁性材料具有广泛的应用，如磁存储器、电动机等。

此外，稀土元素还在发光材料中发挥重要作用。

稀土元素的f电子级间跃迁可以产生具有特定波长的光，使得稀土元素成为制备发光材料的理想选择。

例如，镧系元素中的铕和钆常用于制备红色和绿色荧光材料。

稀土元素的电子结构和镧系收缩也对稀土化学和化学分析提出了挑战。

由于稀土元素具有相似的化学性质，分离和鉴定稀土元素变得十分困难。

然而，随着分析技术的不断发展，如高效液相色谱、电感耦合等离子体质谱等，稀土元素的分析变得更加精确和高效。

镧系收缩在无机化学中是一个重要的化学现象。

其存在对元素周期表中某些元素的性质，有相当大的影响。

以至于在需要解释这些相关性质的“反常”时，可以一言以蔽之是“镧系收缩”的影响。

从而使得镧系收缩更有了一些“理论”的味道。

但镧系收缩这个概念本身并不很严格，对其产生原因的分析也多有不妥，需通过讨论、加以厘清才好。

一、镧系收缩的涵原子半径是元素的最主要性质之一。

由于元素周期表的核心是，随原子序数的增加，原子核外电子排布有周期性的变化，并导致元素性质有规律性变化。

因而，从元素周期表的角度来看，原子半径变化也是有规律的。

即在同一周期中，原子半径有从前到后逐渐减小的趋势；在同一族中，有原子半径自上而下逐渐增大的趋势。

在周期表的绝大部分区域都是如此。

而单独就原子半径问题，提出“镧系收缩”的概念，显然是要强调镧系元素的某种、对元素周期表有较为显著影响或“干扰”的特殊性。

镧系元素的原子半径的特殊性有两点：第一点是，随原子序数，原子半径极为缓慢的缩小。

这一特点是很突出的。

如，在同周期的主族元素（s区或p区）间，原子序数增加1，原子半径平均会有10 pm的减小；在同周期的过渡元素（d区或ds区）间，原子序数增加1，原子半径平均会有5 pm的减小；而在同周期的过渡元素（f区）间，原子序数增加1，原子半径平均只有1 pm的减小。

镧系元素原子与离子半径的相近（加之离子所带电荷相等），是造成它们常共生、及彼此间难以分离的在原因。

第二点是，在镧系元素部，随核电荷不断增加、原子半径减小的虽然不多，但14次半径减小的积累量还是十分可观的（从镧到镥原子半径共减小了14.3 pm）。

其对外部的直接影响就是，造成了钇（Y）的半径与镧系元素中的铕（Eu）相近，从而钇也归属于“希土”；使紧随其后的d区元素的原子半径明显偏小，出现第三过渡系的前几个元素的原子半径，与第二过渡系的相应元素的原子半径几乎相等（大家熟知的锆与铪、铌与钽、钼与钨）的现象。

这两个特点可以由“随原子序数增加，镧系元素原子半径减少慢，但降幅大”这句话来描述。

解释镧系收缩效应介绍镧系元素是指周期表中镧系的14个元素，从镧(La)到镥(Lu)。

镧系元素的原子半径随着原子序数的增加而逐渐减小，这就是所谓的镧系收缩效应。

本文将详细探讨镧系收缩效应的原因和其在化学和材料科学中的意义。

原因镧系收缩效应的原因主要有以下几点：非相对论效应原子的半径与其电子云的平均距离有关，非相对论效应指的是电子运动速度远小于光速时的效应。

镧系元素由于电子数量较多，电子云的层次较多，电子之间的屏蔽效应较弱，因此电子云较为紧密，导致原子半径变小。

相对论效应相对论效应指的是当电子运动速度接近光速时，由于质量增加和长度收缩等效应导致的影响。

镧系元素的内层电子速度较快，相对论效应增强，使得电子更加接近原子核，从而缩小了原子半径。

电子填充顺序镧系元素外层电子填充方式的特殊性也造成了镧系收缩效应。

镧系元素的4f轨道外层电子较为稳定，不容易参与反应。

因此，化学反应主要发生在外层的5s和5p 轨道上。

而5s轨道和4f轨道的效应相互抵消，导致在周期表上5s轨道和4f轨道相邻元素的原子半径差异较小。

影响镧系收缩效应在化学和材料科学中具有重要的影响，涉及到原子结构、化学性质和材料特性等多个方面。

镧系收缩效应导致镧系元素的原子半径减小，同时原子质量增加。

这对于理解元素周期表的结构和变化规律具有重要意义。

化学性质镧系收缩效应对镧系元素的化学性质有一定影响。

例如，镧系元素的化合价倾向于为+3，这是因为3价的电子云较为稳定。

此外，镧系元素的反应活性较低，不容易与其他元素发生反应。

这些特性使得镧系元素在稀土化学、催化剂设计和材料合成等领域具有重要应用价值。

材料特性镧系收缩效应对材料的特性也产生一定影响。

例如，镧系元素在磁性材料、储氢材料和功能性材料等方面具有重要应用。

镧系元素的电子结构和原子大小变化可调控材料的导电性、磁性和光学性能，对材料的稳定性和性能有重要影响。

实际应用举例镧系收缩效应在很多领域都有实际应用。

第02周：教学内容：稀土元素的结构特点：详述稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的材料性能与物理化学性质1.简述稀土元素的材料性能；2.详述稀土元素的物理与化学性质；教学要求：熟悉并重点掌握稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的物理与化学性质。

第2章稀土元素的结构特征与材料性能§1 稀土元素的结构特点一.稀土元素在元素周期表中的位置稀土元素在元素周期表中的第六周期的ⅢB族中。

镧和铈→镥(Lu)的15个镧系元素在同一格内。

显然,从镧—→镥这15个元素的性质极为相似。

由于第五周期ⅢB族中的钇原子半径接近于镧并且在镧系元素离子半径递减顺序中间，使得钇和镧系元素的化学性质相似。

由于稀土元素在周期表中的这种特殊位置，使得镧系元素的电子能级和离子半径呈现出微小连续变化而具有许多特性。

二.基态原子的电子排布当原子处在基态时,核外电子排布必须遵循下述三个原则：1.泡里(Pauli)不相容原理：即一个原子轨道最多只能排2个电子,而且这两个电子的自旋方向必须相反。

2.能量最低原理：在不违背泡里(Pauli)不相容原理的条件下,电子优先占据能态较低的原子轨道,使整个原子体系的能量处于最低。

3.洪特(Hund)规则：在能级高低相等的轨道上,电子尽可能分占不同的轨道。

作为洪特(Hund)规则的特例,能级高低相等的轨道上全空、半空半满和全满的状态是比较稳定的。

ⅠA~ⅡA ⅢA ~ⅦA ⅢB ~ⅦB 錒系Ac 周期ⅠB~ⅡB 镧系Ln↖↖7s 7p 7↖↖↖6s 6p 6d 6↖↖↖↖5s 5p 5d 5f 5↖↖↖↖↖4s 4p 4d 4f 4↖↖↖↖↖3s 3p 3d 3↖↖↖↖2s 2p 2↖↖↖1s 1↖图2~1原子核外电子填充次序图根据上述原则,基态原子的电子在原子轨道中填充排布的顺序是：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,4S2；3d10,4P6,5S2；4d10,5P6,6S2；4f14,5d10,6P6,7S2；5f14,6d10,7P6…。