武汉大学版无机化学课后习题答案(第三版)第19章 f区元素.doc

F区元素

1．按照正确顺序写出镧系元素和锕系元素的名称和符号，并附列它们的原子顺序。

解：镧系：

元素名称

镧铈镨钕钷钐铕钆铽镝钬铒铥镱镥

La Ce Pr Nb Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

5758 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

锕系

锕钍镤铀镎钚镅锔锫锎锿镄钔锘铑

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

8990 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

2．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：镧系元素的特征氧化态都是+Ш ，这是由于镧系元素的原子第一、第二、第三电离势之和

不是很大，成键时释放的能量足以弥补原子在电离时能量的消耗，因此它们的+Ш氧化态都是稳定

的。

与+Ш特征氧化态发生差异的诸元素有规律的分布在La（+Ш）、Gd（+Ш）、Lu（+Ш）附近。

这可由原子结构规律变化得到解释。La（+Ш）、Gd（+Ш）、Lu（+Ш）分别具有4f轨道全空、半满、

全满的稳定电子层结构。

镧系元素的氧化态取决于其外围的6s电子，4f和5d电子数，当它们失去两个6s电子，进而再

失去一个4f电子或一个5d电子时，所需的电离度不太高，因此表现出ШB族的特征氧化态（+3）。

铈、镨、铽、镝除了生成+3氧化态外，还可以再失去一个电子，4f轨道达到或接近全满或半满，

成为稳定结构故它们也常出现+4氧化态。

而钐，铕，铥和镱，失去两个电子后，就可以使4f轨道达到或接近半满，或全满的稳定，而

常呈现出+2氧化态。

3．解释镧系元素在化学性质上的相似性。

答：镧系元素的价电子层结构为4f1-145d0-16s2鉴于4f同5d的能量比较近，因此在失去3个电

子形成特征的+3氧化态时所需要的能量相差不大，即使在水溶液中，由于它们的离子半径接近，使

得离子的水合能也相差不大，因此无论是在电离能或电负性以及标准电极电势方面，镧系原素均较接

近，说明它们的单质在任何状态下所表现出来的化学活性是相近的，在+3氧化态时，离子构型和离

子半径也相近，所以Ln3+离子的性质也极为相似。

4．为什么叫做“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：镧系收缩即：镧系元素的原子的半径和离子半径依次缓慢缩小的现象。

镧系收缩是因为镧系元素原子依次增加的电子填在外数第三层的4f分层上在充填4f电子的

同时，原子核的核电荷在逐渐增加，对电子层的吸引力也逐渐增强，结果使整个电子壳层逐渐收缩。

但由于4f分层离核较近，屏蔽作用较大，抵消了一部分核对外层电子的引力，核的有效电荷虽然增

大，但依次增大得不多，所以原子或离子半径虽在收缩，但减小的数值很小，除4f轨道半充满和全

充满的Er和Yb，其它原子半径总的趋势都在缩小，而特征的+3价离子的半径呈现出极有规律的依

次减小。

镧系收缩的结果，使后面的各过渡元素原子半径同相应同族上面的一个元素半径几乎相等，如

IVB的Zr和Hf；VB的Nb和Ta；VIB的Mo和W等原子，离子半径极为接近，性质相似很难分离。

5．为什么镧系元素彼此之间在化学性质上的差别比锕系元素彼此之间要小的多？

答：镧系元素多呈现特征的+3氧化态，而且结构和半径也都相近，因此，无论它们的单质或化合

状态的差别都比较小。至于锕系元素，于价电子充填在7s，6d，5f轨道上，而轻锕系元素的6d，5f

之间的能量差比镧系元素中的5d，4f间的能量差还要小，因此，轻锕系元素比镧系元素易呈现高的

氧化态，如Ac，Th，Pa，U ，Np，Pu的稳定氧化态依次为+3，+4，+5，+6，+5，+4。其余元素以

+3为特征，而且锕系元素也较镧系元素呈现出更多种的氧化态，如铀有+3，+4，+5，+6等具有多

种氧化态的特性，使锕系元素间的差别无论在单质或化合状态都比较大。

6．为什么镧系元素形成的配合物多半是离子型的？试讨论镧系配位化合物稳定性的规律及其原因。

答：Ln3+离子的外层结构皆属Xe型8电子外壳，其中内层的4f电子不易参加成键，具有更高

能量的轨道（5d，6s，6p）虽可参加成键，但配位场稳定化能很小（只有1千卡），这说明Ln3+离子

与配体轨道之间的相互作用极弱，故不易形成共价络合物，而只能依靠Ln3+离子对配体的静电引力形

成离子型络合物，但由于Ln3+的离子半径较大，对配位体的引力较弱，所以形成络合物一般说来不够

稳定，可是由于镧系收缩在镧系内随中心离子对配位体的引力作用逐渐增加，所成络合物的稳定性

也就依次递增。

7． 有一含铀样品重1.6000g ，可提取0.4000g 的U 3O 8（相对分子质量为842.2），该样品中铀（相对原

子质量为238.1）的质量分数是多少？

解：U% = 2.211006000

.14.02.84231.238=⨯⨯⨯%

8． 水合稀土氯化物为什么要在一定的真空度下进行脱水？这一点和其它哪些常见的含水氯化物的脱

水情况相似？

答：欲使水合稀土氯化物脱水，常采用加热的方法而加热又促进了稀土离子的水解从而得不到无水氯化物，为了防止水解，可采用控制一定真空读的方法，这样一方面可将水蒸汽抽出，抑制水解，另一方面，也可起到降低脱水温度作用和BeCl 2•4H 2O 、ZnCl 2•H 2O 、MgCl 2•6H 2O 等水合氯化物的脱水情况相似

9． 完成并配平下列反应方程式：

（1） EuCl 2 + FeCl 3−→−

（2） CeO 2 + HCl EuCl 2 + FeCl 3−→−

（3） UO 2(NO 3)2 −→−

∆

（4） UO 3 UO 2(NO 3)2 −→−

∆ （5） UO 3 +2HNO 3 EuCl 2 + FeCl 3−→−

（6） UO 3 + HF EuCl 2 + FeCl 3−→−

（7） UO 3 + NaOH EuCl 2 + FeCl 3−→−

（8） UO 3 + SF 4 EuCl 2 + FeCl 3−→−

解：（1）EuCl 2 + FeCl 3 = EuCl 3 + FeCl 2

(2) 2CeO 2 + 8HCl = 2CeCl 3 + Cl 2 + 4H 2O

(3)2UO 2(NO 3)2 = 2UO 3 + 4NO 2 + O 2

(4)6UO 3 = 2U 3O 8 +O 2

(5)UO 3 +2HNO 3 = UO(NO 3)2 + H 2O

(6)6UO 3 + HF = UO 2F 2 + H 2O

(7)2UO 3 + 2NaOH = Na 2U 2O 7 + H 2O