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稀土元素镧系镧系元素是指周期表中镧（La）到镱（Yb）这15个元素，它们统称为镧系元素。
镧系元素是稀土元素中的一类，具有独特的化学和物理性质，广泛应用于各个领域。
下面将对镧系元素进行详细介绍。
一、镧系元素的概述镧系元素是指原子核中电子的填充顺序为4f的元素，它们的外层电子结构为5d1 6s2。
镧系元素的原子序数从57到71，依次为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱。
这些元素的原子半径逐渐缩小，原子质量逐渐增加。
二、镧系元素的性质1. 化学性质镧系元素具有较强的还原性和氧化性，可以与大多数非金属和金属反应。
其中镧、铈和钇是相对稳定的，而镝、钬和铒则比较活泼。
镧系元素的化合价一般为+3，但也可表现出+2和+4的化合价。
2. 物理性质镧系元素是金属，具有良好的导电性和热导性。
它们的熔点和沸点较高，且在常温下呈固态。
镧系元素的磁性多样，有的呈铁磁性，有的呈反铁磁性，还有的呈顺磁性。
三、镧系元素的应用1. 钢铁冶炼镧系元素可用作钢铁冶炼中的合金元素，能够提高钢的强度、塑性和耐腐蚀性。
其中钕铁硼磁体是应用最广泛的稀土磁体，被广泛应用于电机、传感器、声学设备等领域。
2. 光学材料镧系元素的化合物具有良好的光学性能，可用于制备激光材料、光纤通信材料和荧光材料。
镧系元素的荧光粉被广泛应用于LED照明、荧光屏幕和激光显示器等领域。
3. 催化剂镧系元素的化合物具有良好的催化性能，可用作汽车尾气净化催化剂、石油加工催化剂和化学合成催化剂。
镧系催化剂能够提高反应速率、改善反应选择性和延长催化剂寿命。
4. 核能材料镧系元素的同位素镧-138是一种重要的核能材料，可用于核反应堆的燃料制备。
镧系元素还可用于制备核探测仪器、核医学放射性示踪剂和放射治疗药物。
5. 稀土磷光粉镧系元素的磷光粉广泛应用于荧光显示器、荧光屏幕、LED照明等领域。
镧系元素的磷光粉具有高亮度、长寿命和良好的发光特性。
6. 其他应用镧系元素还可用于制备陶瓷材料、玻璃材料、高温超导材料和磁性材料等。
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。
镧系收缩在无机化学中是一个重要的化学现象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、镧系收缩的内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区内）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区内）间，原子序数增加1，原子半径平均会有5 pm的减小；而在同周期的内过渡元素（f区内）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内在原因。
第二点是，在镧系元素内部，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。
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。
