第22, 23章：镧系和锕系元素等习题参考答案
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 5d 0~1 6s2；
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)5d 0~1, 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(3450~4190 kJ·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)5d 0~1, 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(4f 0~14 5d 0~1 6s2 )十分相似。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电子与核的作用又较强(即4f电子受核的引力较大)，
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
它们的化学性质都十分相似。
(*注：镧系元素4f能级中的电子，一般只有1~2个能够参与形成化学键)
例如：
镧系元素都有特征+3氧化态，镧系金属在水溶液中都容易形成+3价离子；
镧系金属都是较强的还原剂，其还原性强弱仅次于碱土金属，?θ(Ln3+/Ln)
在(-2.5V)~(-2.3V)之间、?θ[Ln(OH)3/Ln] 在(-2.9V)~(-2.7V)之间，都比较接近；镧系元素的电负性(1.10~1.27)都相近，(I1+I2+I3)三级电离势之和是比较低的、
且都很相近(3450~4190 kJ·mol-1 )，而I4(3600~4800 kJ·mol-1 )都较大；
镧系金属的Ln3+离子半径很相近，Ln3+的水合能相近；…等。
4. 什么叫做“镧系收缩”？讨论“镧系收缩”的原因，并回答“镧系收缩”
对周期表中其它元素的性质所造成的影响。
答：La系元素的原子半径和离子半径“随原子序数的增大而逐渐减小”，这种
现象叫“镧系收缩”(Lanthanide Contraction )。镧系收缩有两个特点：
(1) 相邻元素原子半径之差仅1pm左右，即在镧系内“原子半径呈缓慢减
小的趋势”，但是经过从La→Lu 14种元素的原子半径递减的累积却减小了约14pm之多。
(2) 离子半径收缩的幅度比原子半径大得多。
镧系收缩的原因→与4f电子的屏蔽效应强弱有关：
镧系元素的4f电子在倒数第三层，4f电子比6s和5s 5p电子对核电荷的
屏蔽作用大，因此随着原子序数的增加，最外层电子受核的引力只是缓慢增加，
从而导致“原子半径呈缓慢减小的趋势”。
离子半径收缩的幅度比原子半径要大，是因为：在离子的电子层结构中，4f电子在倒数第二层，它对5s 5p电子的屏蔽作用(根据Slater rule，σ = 0.85) 比原子中的要小，因此，离子半径收缩的幅度要远大些。
而在原子中，4f电子→6s2电子的屏蔽作用大(σ = 1.00)。
“镧系收缩”造成原子的累积核电荷(有效核电荷)增加，原子半径减小(其效
是影响元素性质的重要物理量，应相当于抵消了一个电子层的增加)。而Z*、r
原
因此镧系收缩必将对周期表中其它元素的性质产生重大影响。
镧系收缩对周期表中其它元素的性质所造成的主要影响如下：
(1) 导致Y的原子半径和离子半径落入La系(Y的原子半径接近Gd，
Y3+离子半径接近Er3+)，使Y成为稀土元素的成员，矿物共生。
(2) 导致第三过渡系元素的性质与第二过渡系元素的相近。特别是ⅣB的
Zr / Hf、ⅤB的Nb / Ta、ⅥB的Mo / W的r原、r离相近，化学性质非常相似，矿物共生，难于分离；其次是第Ⅷ族的Ru / Os、Rh / Ir, Pd / Pt的化学性质
相似，造成各对元素在分离上的困难。
(3) 导致第三过渡系金属的密度远大于第二过渡系金属，以致重Pt系的Os、Ir、Pt 密度最大。
“镧系收缩”累积的核电荷使原子半径的减小相当于抵消掉了一个电子层
的增加，因此第三过渡系金属的原子体积对比第二过渡系金属没有增大。而
相对原子质量在增大，因此密度增大很多。
(4) 导致第六周期镧系以后元素(特别是后半部分的)的6s1~2电子难于
成键→ 6s1~2电子成为惰性电子(累积核电荷的影响)，第三过渡系金属单质中
绝大多数化学性质不活泼、呈惰性。事实上，周期系中的“惰性电子对效应”
→ 6s2电子成键能力弱，就与“镧系收缩”有关。
[补充题] 周期表中的元素，在化学性质上的相似性主要有哪几种？并解释
每一种相似性产生的原因，排出各种相似性的顺序。
答：周期表中的元素，在化学性质上的相似性主要有下列几种：
(1) 同族元素的相似性。如：ⅠA的Li、Na、K、Rb、Cs，
ⅦA的F、Cl、Br、I，ⅠB的Cu、Ag、Au，ⅢB的Sc、Y、La，…等。
同族元素的化学性质相似的原因是：价电子构型相似，但电子层数不同。
如：Li(2s1)、Na(3s1)、K(4s1)、Rb(5s1)、Cs(6s1)；
Cu(3d104s1)、Ag(4d105s1)、Au(5d106s1)；…等。
(2) 对角线相似→ Li-Mg、Be-Al、B-Si …等，处于左上和右下对角线
上的元素。它们的化学性质相似的主要原因是：它们的离子势相近。
(3) 稀土元素(RE)化学性质的相似性：
镧系元素及Y、(Sc)共17种元素，总称为“稀土元素”。
镧系元素的化学性质“十分相似”的原因是：
它们的价层结构(4f 0~14 5d 0~1 6s2)十分相似，虽然它们的4f能级上的电子数不同，但4f电子仅有1~2个能参与形成化学键，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都十分相似。
(4) d区第三过渡系金属元素与第二过渡系金属元素化学性质的相似性→第ⅣB的Zr / Hf、ⅤB的Nb / Ta、ⅥB的Mo / W，这三对元素的化学性质
非常相似，矿物共生，难于分离；其次是第Ⅷ族的Ru / Os、Rh / Ir、Pd / Pt 这三对元素的化学性质相似，造成各对元素在分离上的困难。
造成这种相似性的原因是：“镧系收缩”的影响。
(5) 第一过渡系(或第二、三过渡系)元素中各元素间性质的相似性：
它们的化学性质相似的原因是：价层结构(3d 1~10 4s1~2)相似。但因它们的3d
能级上的电子数不同，所以化学性质存在一定的差异。
价电子中，3d电子与4f电子的一个重要不同点是：3d能级中的电子数
少于或等于5的，都能参与形成化学键，而4f电子仅有1~2个能参与形成
化学键。因此，3d能级中电子数的多少影响元素的化学性质。
第(5)点可概括为同区元素的某些相似性，如S、P、卤素单质在碱中的歧化。从以上分析看：
镧系元素及稀土元素在化学性质上是最相似的；
其次是：Zr / Hf、Nb / Ta、Mo / W这三对元素，以及第Ⅷ族的Ru / Os、Rh / Ir、Pd / Pt三对元素；
再后是：对角线相似的Li-Mg、Be-Al、B-Si；
排最后的是：“同族元素的相似性”和外过渡元素中“同一过渡系元素间的相似性”。
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
小得多？
答：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
作用又较强(即4f电子受核的引力较大)，4f轨道对比5s5p轨道在空间的伸长不多，4f电子难以都用于成键，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，所以镧系元素主要呈现特征+3氧化态，无论是它们单质还是化合物，在化学性质上都十分相似。
而锕系前半部元素中的5f轨道与核的作用相对4f而言要弱些，5f轨道对比6s6p轨道在空间的伸长较大，因而95号Am(镅)及以前的锕系元素不仅可
以把6d 和7s 轨道上的电子作为价电子给出，而且也可以把5f 轨道上的电子 作为价电子参与成键，形成高价稳定态。导致锕系元素之间的差别无论在单质 或化合态都比较大。
6. 为什么镧系元素形成的配合物多半是离子型的？试讨论镧系配合物稳定性 规律及其原因。
答：Ln 3+离子的壳层结构皆属Xe 型→ 8e 壳层(因4f 电子不易参与成键)， 因此Ln 3+离子都是硬酸，易同硬碱O 2-、OH -、X -(F -, Cl -)等结合，形成 离子型配合物。
Ln 3+离子与配体形成配合物时，动用的是外层高能轨道(5d 6s 6p )成键， Ln 3+离子与配体间的化学键主要是电价配键，配位场稳定化能较小，因此 镧系配合物的稳定性不大。
镧系配合物之间的稳定性大小因镧系收缩，Ln 3+离子与配体间的静电 引力从La →Lu 逐渐增强，所以镧系配合物的稳定性从La →Lu 依次递增。
7. 解：0.4000g 的U 3O 8的物质的量n 为：0.4000 / 842.2 = 4.750?10-4 (mol) 则该铀矿中所含U 的质量m 是：m = 4.750?10-4 ? 3 ? 238.1 (g) 质量分数为：(m / 1.6000) ? 100% = 21.2%
8. 答：因可溶性Ln 3+盐(硫酸盐、硝酸盐、盐酸盐)是强酸弱碱盐，易发生 水解。水合稀土氯化物所带的结晶水若采用加热方法脱水，高温下更易发生 水解生成碱式盐，从而得不到无水氯化物。为防止水合稀土氯化物脱水时的 水解，除可采用干燥HCl 气流中加热脱水外，还可在一定真空度(减压)下脱 水：这样，不仅可降低脱水温度，加快脱水过程的进行，而且能及时将水蒸 气抽出，抑制水解。这点和BeCl 2·4H 2O 、AlCl 3·6H 2O 、MgCl 2·6H 2O 等的 脱水情况非常相似。
9. 完成并配平下列反应方程式 (1) EuCl 2 + FeCl 3 → EuCl 3 + FeCl 2
(2) 2CeO 2(s) + 8HCl → 2CeCl 3 + Cl 2↑ + 4H 2O
(3) 623K 2323222UO (NO )2UO 4NO O ???→+↑+↑ (4) 973K 33826UO 2U O O ???→+↑
(5) 332322UO 2HNO UO (NO )H O ?+??→+ (6) 3222UO 2HF UO F H O ?+??→+
(7) 2UO 3(s) + 2NaOH(aq) + 5H 2O → Na 2U 2O 7·6H 2O (重铀酸钠，黄色)
(8) 573K 3462UO (s)3SF UF 3SOF +???→+
10. 略
11. 简述从独居石中提取混合稀土氯化物的原理。
答：独居石是稀土(含钍Th 等)的磷酸盐矿，可采用酸法(浓H 2SO 4) 和 碱法(浓NaOH)分解矿石，提取混合稀土。酸法原理如下：
先用浓H 2SO 4加热分解独居石精矿，用水浸取出混合稀土盐(初步除杂)：
2REPO 4 + 3H 2SO 4 → RE 2(SO 4)3 + 2H 3PO 4
向混合稀土盐中加入NaOH(aq)，沉淀出混合稀土，分离Th 4+：
RE 2(SO 4)3 + 6NaOH(aq) → 2RE(OH)3↓ + 3Na 2SO 4
用HCl 溶解RE(OH)3，得混合稀土氯化物：
RE(OH)3 + 3HCl → RECl 3 + 3H 2O
12. 为什么用电解法制备稀土金属时，不能在水溶液中进行？
答：因为稀土金属还原性强，能与水反应，置换出H 2。因此在水溶液中 电解，不能得到它们的单质。
用电解法制备稀土金属，电解的是精制混合熔盐(无水RECl 3和KCl)。
13. 答：如12题，稀土金属的制备一般用精制混合熔盐(无水RECl 3和KCl) 电解法。加入一定量的KCl ，是为了降低混合稀土的熔点，使电解在较低的 温度(1173 ± 20K)下进行。
14. 锕系元素和镧系元素同处于一个副族(ⅢB)，为什么锕系元素的氧化态种类 较镧系多？
答：这是由锕系元素的电子壳层结构决定的，锕系元素的5f 轨道对比6s 6p 轨 道在空间的伸长较大，锕系前半部元素中的5f 轨道与核的作用相对4f 而言要 弱些，因而95号Am(镅)及以前的锕系元素不仅可以把6d 和7s 轨道上的电子 作为价电子给出，而且也可以把5f 轨道上的电子作为价电子参与成键，形成 高价稳定态 (89号锕Ac 除外) 。
而镧系元素由于其原子核对4f 轨道的作用强，4f 轨道上的电子最多只有 1~2个能够参与形成化学键，因此镧系元素能呈现的氧化态较少。
15. 钍的卤化物有什么特点？
答：钍的卤化物都是高熔点的白色晶体。除ThF 4外，都可在真空中于 773~873K 升华，都易溶于水，且发生水解生成ThOX 2。
第23章：原子核化学部分习题参考答案(P 1145-1146)
1. 核聚变为什么只能在非常高的温度下才能发生？
答：轻原子核相遇时聚合为较重的原子核并放出巨大能量的过程称为核聚变。 由于原子核都带正电，轻原子核相遇时在微小的空间里因静电斥力巨大，相互 排斥而不能结合。只有在非常高的温度下，轻核才有足够动能克服斥力，而能 自动发生持续的聚变。
2. 答：α粒子→He 2+，因α粒子质量大、带正电，未被加速的α粒子能量低， 用它去轰击其它核会被排斥而不能引发核反应。而中子不带电，中子撞击 原子核时不会受到静电斥力，因此，一定能量的中子撞击原子核时易引发 核反应。
3. 答：锂核的核电荷比氢核大，锂核与氢核间的排斥力比氢核与氢核间的 大，所以锂和氢核间聚变温度H 2比H 2和核间聚变温度高。
4. 答：铀矿中U -235和U -238混合在一起，当铀矿受到中子打击时，能量 大于0.025eV 的绝大部分中子被U -238捕获，而这种能量的中子不能引发 U -238的链反应。
5. Th -232转变为Pb -208要放射出多少个α粒子和多少个β粒子？ 答：6个α粒子和4个β粒子。(见P 1129)
6. 确定在下面各种情况下产生的核？
753375
4133
2
7835
(1)As(,n)
As He n
Br α+→+
737
113
1
74
(2)Li(p,n)
Li H n
Be +→+
312
3215131
211511
15(3)P(H,p P )
P H H
+→+
11. 答： 274301
13
2150Al He P n +→+
12. 写出下列转变过程的核平衡方程式：
24124100
949510(1)Pu Am e v()()--→++中微子衰变 β 232228490882(2)T ()h Ra He →+衰变 α 848400393810(3)Y Sr ()e v ++→++衰变 β 440440221210(4)Ti e Sc v ()-+→+电子俘获 241237495932(5)A ()m Np He →+衰变 α 23423400909110(6)Th Pa v )e (--→++衰变 β 343400171610(7)Cl S ()e v ++→++衰变 β
13. 完成并配平下列核反应式
818137003610(1)Kr e v Rb ()--→++衰变 β 560026125056(2)Fe e Mn ()v -+→+电子俘获 562653412420(3Fe )Cr He n (n )+→+反应 α- 240012102411(4)Mg e v ()Na --→++衰变 β 231234929520Th (5)U He ()→+衰变 α 546428002910(6)Cu e v Ni ()++→++衰变 β 241124111201(7Na )Mg n (n H p )+→+反应 - 91642341(8)Be H L He ()i p +→+反应
-α 235199135920405102((2n n 29)U n S e n )r T +→++-反应 705741(10)B B e ()e --→+衰变 β
14. 答： 1414141141767061()N(n,p)C N n C H +→+； a
1512151124
767162()N(p,)C N H C He +→+； b α 35353513511716170161()Cl(n,p)S Cl n S H +→+ ： c
15. 解：t = 3.32τ lg(N0 / N)
设有放射性核素N0 = 100，5年内衰变了75%，还剩下的核素为N = 25，则：
5 = 3.32τ lg(100 / 25)
该射性核素的τ(半衰期) = 2.5(年)。
第22、23章：f区元素学习要点
1. La系金属都是活泼金属，第ⅢB元素的金属活泼性变化规律与其它副族相同吗？
2. 什么叫镧系收缩？说明镧系收缩的原因。
La系收缩对周期表中其它元素的性质有何影响？
3. La系元素的化学性质为什么十分相似？
4. La系元素+3氧化态的氢氧化物Ln(OH)3的碱性、溶解性与哪些主族金属的氢氧化物相近？La系元素+3氧化态的盐的溶解性有何规律？
5. La系金属及其合金有哪些特殊性能的材料？
6. 什么是锕系理论？
7. 放射性元素的移位定律——α—衰变和β—衰变。
8. 什么是β—稳定半岛和超重核稳定岛假说？
典型习题：P1110习题2、3、4、6、9、12
P1145习题1、2、4、5、6、11、12、13
17种稀土元素名称及用途
17种稀土元素名称及用途 镧(La) "镧"这个元素是1839年被命名的，当时有个叫"莫桑德"的瑞典人发现铈土中含有其它元素，他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧"。镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。 铈（Ce）"铈"这个元素是由德国人克劳普罗斯，瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的，以纪念1801年发现的小行星--谷神星。 铈的广泛应用: （1）铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨. （2）目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中。美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。 （3）硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。 （4）Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。 镨(Pr) 大约160年前，瑞典人莫桑德从镧中发现了一种新的元素，但它不是单一元素，莫桑德发现这种元素的性质与镧非常相似，便将其定名为"镨钕"。"镨钕"希腊语为"双生子"之意。大约又过了40多年，也就是发明汽灯纱罩的1885年，奥地利人韦尔斯巴赫成功地从"镨钕"中分离出了两个元素，一个取名为"钕"，另一个则命名为"镨"。这种"双生子"被分隔开了，镨元素也有了自己施展才华的广阔天地。镨是用量较大的稀土元素，其用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。 镨的广泛应用: （1）镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉，也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。
稀土就是化学元素周期表中镧系元素
稀土就是化学元素周期表中镧系元素——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)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。 稀土的分类】 1）轻稀土（又称铈组）：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 2）重稀土（又称钇组）：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。 铈组与钇组之别，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇比例多的而得名。 稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE表示。它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、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)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。 【名称由来】 17种稀土元素名称的由来及用途 镧(La) "镧"这个元素是1839年被命名的，当时有个叫"莫桑德"的瑞典人发现铈土中含有其它元素，他借用希腊语中"隐藏"一词把这种元素取名为"镧"。镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与"超级钙"的美称。 铈（Ce） "铈"这个元素是由德国人克劳普罗斯，瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的，以纪念1801年发现的小行星--谷神星。 铈的广泛应用: （1）铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅 能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻 璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨. （2）目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中 美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。 （3）硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色 ，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。 （4）Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用 于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领 域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电 陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢 及有色金属等。 镨(Pr) 大约160年前，瑞典人莫桑德从镧中发现了一种新的元素，但它不是单一元素，莫桑德发现这种元素的性质与镧非常相似，便将其定名为"镨钕"。"镨钕"希腊语为"双生子"之意。大约又过了40多年，也就是发明汽灯纱罩的1885年，奥地利人韦尔斯巴赫成功地从"镨钕"中分离出了两个元素，一个取名为"钕"，另一个则命名为"镨"。这种"双生子"被分隔开了，镨元素也有了自己施展才华的广阔天地。镨是用量较大的稀土元素，其用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。 镨的广泛应用: （1）镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉，也可单独作 釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。 （2）用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料，其抗氧性能 和机械性能明显提高，可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马 达上。 （3）用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催 化剂，可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70年代开始投入工业使用， 用量不断增大。 (4)镨还可用于磨料抛光。另外，镨在光纤领域的用途也越来越广。
镧系和锕系元素习题
镧系元素和锕系元素 1.从Ln 3+的电子构型，离子电荷和离子半径来说明三价离子在性质上的类似性。 2.试说明镧系元素的特征氧化态是＋3，而铈、镨、铽却常呈现＋4，钐、铕、镱又可呈现＋2。 3.何谓“镧系收缩”，讨论出现这种现象的原因和它对第五、六周期中副族元素性质所产生的影响。 4.稀土元素有哪些主要性质和用途？ 5.试述镧系元素氢氧化物Ln(OH)3的溶解度和碱性变化的情况。 6.稀土元素的草酸盐沉淀有什么特性？ 7.Ln 3+离子形成配合物的能力如何？举例说明它们形成鳌合物的情况与实际应用。 8.锕系元素的氧化态与镧系元素比较有何不同？ 9.水合稀土氯化物为什么要在一定真空度下进行脱水？这一点和其他哪些常见的含水氯化物的脱水情况相似？ 10.写出Ce 4+、Sm 2+、Eu 2+、Yb 2＋ 基态的电子构型。 11.试求出下列离子成单电子数：La 3＋、Ce 4＋、Lu 3＋、Yb 2＋、Gd 3＋、Eu 2＋、Tb 4＋。 12.完成并配平下列反应方程式： （1）EuCl 2＋FeCl 3 → （2）CeO 2＋HCl → （3）UO 2(NO 3)2 → （4）UO 3 → （5）UO 3＋HF → （6）UO 3＋NaOH → （7）UO 3＋SF 4 → （8）Ce(OH)3＋NaOH ＋Cl 2 → （9）Ln 2O 3＋HNO 3 → 13.稀土金属常以＋3氧化态存在，其中有些还有其他稳定氧化态。如Ce 4+和Eu 2+。Eu 2+的半径接近Ba 2+。怎样将铕与其他稀土分离？ 14.f 组元素的性质为什么不同于d 组元素？举例说明。 △ △
15.讨论下列性质 （1）Ln(OH)3的碱强度随Ln原子序数的提高而降低？ （2）镧系元素为什么形成配合物的能力很弱？镧元素配合物中配位键主要是离子性的？（3）Ln3＋离子大部分是有色的，顺磁性的。 16.回答下列问题： （1）钇在矿物中与镧系元素共生的原因何在？ （2）从混合稀土中提取单一稀土的主要方法有哪些？ （3）根据镧系元素的标准电极电势，判断它们在通常条件下和水及酸的反应能力。镧系金属的还原能力同哪个金属的还原能力相近？ （4）镧系收缩的结果造成哪三对元素在分离上困难？ （5）镧系＋3价离子的配合物只有La3＋、Gd3＋和Lu3＋具有与纯自旋公式所得相一致的磁矩？ 17.Ln3＋(aq)＋EDTA(aq) →Ln(EDTA)(aq) 上述生成配合物的反应中，随镧系元素原子序数的增加，配合物的稳定性将发生怎样的递变？为什么？ 18.试述238U和235U的分离方法和原理。 19.在核动力工厂，核燃料铀生产中的关键反应如下： UO2（s）＋4HF（g）→UF4（s）＋2H2O（g） UF4（s）＋F2（g）→UF6（g） 计算上述反应的△rH?m。 20.用配合剂2－羟基异丁酸作淋洗剂从离子交换柱上淋洗重镧系金属离子时（含Eu3＋到Lu3＋之间的多种三价稀土离子），问洗出的顺序如何？为什么？
第21章镧系元素和锕系元素
第21章镧系元素和锕系元素 1．稀土元素与镧系元素是一个概念吗?它们各自的含义是什么? 答：稀土元素与镧系元素不是同一个概念。周期表中ⅢB族的第57号元素镧(La)到第71号元素镥(Lu)共15种元素统称为镧系元素。常把镧系元素与钇统称为“稀土元素”。 2．由电子构型阐明镧系元素化学性质的相似性。 答：镧系元素原子的最外层和次外层电子的构型基本相同，从Ce开始，新增加的电子填充在4f层上，随着原子序数增加，4f轨道中电子的填充出现两种类型即[Xe]4f n-15d16s2和[Xe]4f n6s2。当4f层填满以后，再填入5d层。由于镧系元素原子最外面两层电子结构相似，只是4f内层的电子结构不同，而4f层的电子结构对化学性质的影响不大，因此它们的化学性质非常相近。 3．什么叫“镧系收缩”？试述其产生的原因和由此产生的后果。 答：镧系收缩是无机化学的重要规律之一，它指的是，镧系元素的原子半径（离子半径）随着原子序数的增大逐渐减小的现象。镧系元素中，原子核每增加一个质子，相应的有一个电子进入4f层，而4f电子对核的屏蔽不如内层电子，因而随着原子序数增加，有效核电荷增加，核对最外层电子的引力增强，使原子半径、离子半径逐渐减小。它们的原子半径减小很慢，性质相似，难于分离。 镧系收缩的结果使镧系元素后面的过渡元素的原子半径都相应的缩小，使第三过渡系列元素的原子半径与第二过渡系列元素的原子半径相近，使得Zr和Hf，Nb和Ta，Mo和W的性质极为相似，很难分离。 4．为什么镧系元素具有+Ⅲ的特征氧化态？ 答：因为镧系元素的气相原子失去最外层的2个s电子和次外层的1个d电子或失去最外层的2个s电子和1个倒数第3层的f电子(一般是在d0的情况下)所需要的电离能较低，所以镧系元素在具有+Ⅲ的特征氧化态。 5．为什么铈.镨.铽.镝的氧化态常呈现+Ⅳ，而钐、铕、铥、镱却能呈现+Ⅱ氧化态？ 答：铈.镨.铽.镝原子的外层电子构型分别为：4f1 5d1 6s2，4f3 5d0 6s2，4f95d06s2和4f105d06s2，铈失去4个电子后原子的外层电子构型为：4f0 5d0 6s0是全空的稳定结构。铽失去4个电子后原子的外层电子构型为：4f7 5d0 6s0是4f半充满的稳定结构。镨和镝原子失去4个电子后原子的外层电子构型是接近全空或接近半充满的稳定结构，所以铈.镨.铽.镝的氧化态常呈现+Ⅳ。 钐、铕、铥、镱原子的外层电子构型分别为：4f65d06s2，4f75d06s2，4f135d06s2和4f145d06s2。
第22--23章：镧系和锕系元素等习题参考答案
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 5d 0~1 6s2； 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)5d 0~1, 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(3450~4190 kJ·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)5d 0~1, 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(4f 0~14 5d 0~1 6s2 )十分相似。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电子与核的作用又较强(即4f电子受核的引力较大)， 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 它们的化学性质都十分相似。 (*注：镧系元素4f能级中的电子，一般只有1~2个能够参与形成化学键) 例如： 镧系元素都有特征+3氧化态，镧系金属在水溶液中都容易形成+3价离子； 镧系金属都是较强的还原剂，其还原性强弱仅次于碱土金属，?θ(Ln3+/Ln) 在(-2.5V)~(-2.3V)之间、?θ[Ln(OH)3/Ln] 在(-2.9V)~(-2.7V)之间，都比较接近； 镧系元素的电负性(1.10~1.27)都相近，(I1+I2+I3)三级电离势之和是比较低的、且都很相近(3450~4190 kJ·mol-1 )，而I4(3600~4800 kJ·mol-1 )都较大； 镧系金属的Ln3+离子半径很相近，Ln3+的水合能相近；…等。 4. 什么叫做“镧系收缩”？讨论“镧系收缩”的原因，并回答“镧系收缩” 对周期表中其它元素的性质所造成的影响。 答：La系元素的原子半径和离子半径“随原子序数的增大而逐渐减小”，这种 现象叫“镧系收缩”(Lanthanide Contraction )。镧系收缩有两个特点： (1) 相邻元素原子半径之差仅1pm左右，即在镧系内“原子半径呈缓慢减 小的趋势”，但是经过从La→Lu 14种元素的原子半径递减的累积却减小了约14pm之多。 (2) 离子半径收缩的幅度比原子半径大得多。 镧系收缩的原因→与4f电子的屏蔽效应强弱有关： 镧系元素的4f电子在倒数第三层，4f电子比6s和5s 5p电子对核电荷的
第22章 f区镧系和锕系元素习题
第22章镧系和锕系元素习题目录 一判断题；二选择题；三填空题；四完成反应方程式；五计算一判断题返回目录 稀土元素都是f区元素。（） 稀土元素又称为镧系元素。（） 我国是世界上稀土元素资源最丰富的国家。（） 所有镧系元素都不是放射性元素。（） Pr是人造放射性元素。（） 轻稀土元素是指从La Eu的镧系元素，它们又称为铈族稀土元素。（） 铈在自然界中的丰度很小。（） f区元素又称为内过渡元素。（） 大多数镧系元素气态原子的电子排布不同于固态原子的电子排布。（） La的价层电子排布不符合洪德规则。（） 钕原子气态时价层电子排布与固态时相同。（） 镧系元素的还原能力仅次于Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba。（） Sc、Y、La均为银白色金属，都能溶于酸。（） 在酸性溶液中，CeO 2能将Mn2+氧化成MnO 4 -。（） Sm2+、Eu2+、Yb2+在水溶液中是强还原剂。（） Ln2O3为离子型化合物，其熔点高。（） 锕系元素都是放射性元素。（） 锕系元素都是人造元素。（） 与镧系收缩相似，在锕系元素中也存在锕系收缩。（） 锕系元素不同氧化态离子所具有的颜色与f电子数无关。（） 二选择题返回目录 下列各元素中是人造元素的为（）。 (A)Yb；(B)Pm；(C)Th；(D)Bk。 下列元素为镧系元素的是（）。 (A)Sc；(B)Y；(C)Lr；(D)Sm。 下列元素不为镧系元素的是（）。 (A)Dy；(B)Er；(C)Pa；(D)Gd。 下列元素中为锕系元素的是（）。 (A)At；(B)Tm；(C)Md；(D)Pm。 镧系元素的原子半径随原子序数的增加而减小的过程中出现两个极大值(双峰效应)，处于极大值的元素是（）。 (A)La和Eu；(B)Eu和Yb；(C)Yb和Lu；(D)La和Lu。 镧系元素的特征氧化值是（）。
稀土是化学元素周期表中镧系元素1
稀土是化学元素周期表中镧系元素：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Th)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥( Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的l 5个元素密切相关的两个元素：钪(Sc) 和钇(Y)共l 7种元素。因为稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质。故得名稀土。稀土，在自然界中广泛分布，其中中国的储量就占世界储量的80％左右。随着稀土分离技术的迅速发展以及对其生物活性的不断深入研究，稀土在生物医药领域方面的作用是一个被广泛涉猎的重要研究课题。自上世纪6 0年代以来陆续发现稀土化合物具有一系列特殊的药效作用，可广泛用于治疗烧伤、炎症、皮肤病、血栓病以及镇静止痛等。很多稀土化合物可直接用作药物，如铈盐可用于医治慢性呕吐症和晕船病；铒盐和铈盐可提高血液中血红蛋白和红血球的含量。此外，简单的无机铈盐可用作伤口消毒剂。因此稀土在医药学领域的应用研究也日益受到重视。稀土生物化学、毒理学、药理学、人体组织学、临床医学以及稀土环境科学方面的研究在全球广泛展开，并取得了不少很有价值的研究成果。近年来，人们在稀土及稀土配合物的抗肿瘤、抗突变、抗菌、抗病毒，以及其对消化系统和内分泌系统的作用等方面的研究均取得了很大的进展。随着配位化学的发展，稀土配合物不断被合成，其活性研究也成为人们的研究重点。大量实验结果明，稀土配合物可以在很大程度上改变、修饰和增强稀土的生物活性，但是确属于毒性较低的物质，比许多有机合成物或过渡金属配合物的毒性低。如何有效地利用稀土及其配合物对生物细胞和病毒的作用，并应用到生物医学领域中，是人们研究的主要目标之一。
镧系元素
镧系元素 在周期系中，你知道什么是镧系元素？什么是稀土元素吗？它们的电子层结构和性质有什么特点？它们在科学技术和生产中扮演了什么样的角色？ “镧系元素”在周期表中从原子序数为57号的镧到原子序数为71号的镥共15种元素，它们的化学性质十分相似，都位于周期表中第ⅢB族，第6周期镧的同一格内，但它们不是同位素。同位素的原子序数是相同的，只是质量数不同。而这15种元素，不仅质量数不同，原子序数也不同。称这15种元素为镧系元素，用Ln表示。它们组成了第一内过渡系元素。“稀土元素”镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的、在镧系元素格子上方的钇和钪，共17种元素总称为稀土元素，用RE表示。按照稀土元素的电子层结构及物理和化学性质，把钆以前的7个元素：La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm和Eu称为轻稀土元素或铈组稀土元素；钆和钆以后的7个元素：Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，再加上Sc和Y共10个元素，称为重稀土元素或钇组稀土元素。 “稀土”的名称是18世纪遗留下来的。由于当时这类矿物相当稀少，提取它们又困难，它们的氧化物又和组成土壤的金属氧化物Al2O3很相似，因此取名“稀土”。实际上稀土元素既不“稀少”，也不像“土”。它们在地壳中的含量为0.01534，其中丰度最大的是铈，在地壳中的含量占0.0046，其次是钇、钕、镧等。铈在地壳中的含量比锡还高，钇比铅高，就是比较少见的铥，其总含量也比人们熟悉的银或汞多，所以稀土元素并不稀少。这些元素全部是金属，人们有时也叫它们稀土金属。 我国稀土矿藏遍及18个省（区），是世界上储量最多的国家。内蒙包头的白云鄂博矿是世界上最大的稀土矿。在我国，具有重要工业意义的稀土矿物有氟碳铈矿Ce(CO3)F，独居石矿RE(PO4)，它们是轻稀土的主要来源。磷钇矿YPO4和褐钇铌矿YNbO4是重稀土的主要来源。我们从以下几个方面来讨论镧系元素的通性： 1、价电子层结构 2、氧化态 3、原子半径和离子半径 4、离子的颜色 5、离子的磁性 6、标准电极 7、金属单质 电子层结构 这是目前根据原子光谱和电子束共振实验得到的镧系元素原子的电子层结构：
稀土元素资料汇总
稀土元素资料汇总 第一篇 周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。其中原子序数为57～71的15种化学元素又统称为镧系元素。稀土元素包括钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土元素；钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇称为重稀土元素。稀土元素是历史遗留下来的名称，通常把不溶于水的固体氧化物叫做土，而在18世纪，这17种元素都是很稀少的尚未被大量发现，因而得名为稀土元素。现已查明，它们并不稀少，特别是中国的稀土资源十分丰富，有开采价值的储量占世界第一位。从1794年芬兰J加多林从瑞典斯德哥尔摩附近的于特比镇发现钇开始，一直到1947年美国JA马林斯基从铀的裂变产物中分离出钷，共经历150多年。 已经发现的稀土矿物有250种以上，最重要的有氟碳铈镧矿[（Ce，La）FCO3]、独居石[CePO4，Th3（PO4）4]、磷钇石（YPO4）、黑稀金矿[(Y，Ce，Ca) (Nb，Ta，Ti)2O6]、硅铍钇矿（Y2FeBe2Si2O10）、褐帘石[（Ca，Ce）2(Al，Fe)3Si3O12]、铈硅石[（Ce，Y，Pr）2Si2O7·H2O]。 第二篇 稀土元素是镧系元素系稀土类元素群的总称，包含钪Sc、钇Y及镧系中的镧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，共17个元素。 “稀土”一词是十八世纪沿用下来的名称，因为当时用于提取这类元素的矿物比较稀少，而且获得的氧化物难以熔化，也难以溶于水，也很难分离，其外观酷似“土壤”，而称之为稀土。稀土元素分为“轻稀土元素”和“重稀土元素”： “轻稀土元素”指原子序数较小的钪Sc、钇Y和镧La、铈Ce、镨Pr、钕Nd、钷Pm、钐Sm、铕Eu。 “重稀土元素”原子序数比较大的钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu。 二、稀土资源及储备状况 由于稀土元素性质活跃，使它成为亲石元素，地壳中还没有发现它的天然金属无水或硫化物，最常见的是以复杂氧化物、含水或无水硅酸盐、含水或无水磷酸盐、磷硅酸盐、氟碳酸盐以及氟化物等形式存在。由于稀土元素的离子半径、氧化态和所有其它元素都近似，因
稀土元素的发现、种类和用途
稀土元素的发现、种类和用途稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土。这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林(J.Gadolin)分离出钇到1947年美国人马林斯基(J.A.Marinsky)等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁(L.E.Glendenin)和科列尔(C.D.Coryell)用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的。过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。 1.稀土种类 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)共15种元素。 与镧系的15个元素密切相关的：钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。 2.稀土分类 (1)轻稀土（又称铈组）：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆 (2)重稀土（又称钇组）：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇 铈组与钇组之别，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇比例多的而得名。 也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组： (1)除钪之外(有的将钪划归稀散元素) (2)轻稀土组：为镧、铈、镨、钕、钷； (3)中稀土组：钐、铕、钆、铽、镝； (4)重稀土组：钬、铒、铥、镱、镥、钇。
第二十章 镧系元素和锕系元素
第二十章镧系元素和锕系元素 Chapter 20The Lanthanides and Actinides 镧系元素 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu (镧)(铈)(镨)(钕)(钷)(钐)(铕)(钆)(铽)(镝)(钬)(铒)(铥)(镱)(镥) 锕系元素 Ac、 Th、 Pa、 U、 Np、 Pu、 Am、 Cm、 Bk、 Cf、 Es、 Fm、 Md、 No、 Lr (锕)(钍)(镤)(铀)(镎)(钚)(镅)(锔)(锫)(锎)(锿)(镄)(钔)(锘)(铹) §20-1 镧系元素（Ln） The Lanthanides 一、General Properties： 1．镧系元素从57号元素镧到第71号元素镥，共十五种元素，称为镧系元素，用Ln 表示。 2．稀土元素周期表ⅢB族中的钪（Sc）、钇（Y）和镧系元素在性质上都非常相似并在矿物中共生，由于镧系收缩，Y3+离子的半径落在Er3+附近，Sc3+离子的半径接近于Lu3+，所以Sc、Y可以看作镧系元素的成员。在化学上把Sc、Y和镧系元素统称为稀土元素（r are earth’s elements），用RE表示。 3．Oxidation states（以+3为特征氧化态，其他还有+2或+4氧化态） 4f 6、4f 7 4f 13、4f 14 Sm2+、Eu2+ Tm2+、Yb2+ 4f 0、4f 1、4f 2、4f 3、4f 4、4f 5、4f 6、4f 7、4f 8、4f 9、4f 10、4f 11、4f 12、4f 13、4f 14 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+ 4f 0、4f 1 4f 7、4f 8 Ce4+、Pr4+ Tb3+、Dy3+ 溶液中能稳定存在的氧化态有：Ln3+、Eu2+(4f 7)、Yb2+(4f 14)、Ce(IV)(4f 0) 4．原子半径和离子半径 (1) 镧系收缩镧系元素的原子半径和离子半径在总的趋势上都是随着原子序数的增 加而逐渐地缩小，这种原子半径依次缩小的积累，称为镧系收缩。 (2) 镧系收缩的影响 (a) Sc、Y与镧系元素共生； (b) Zr、Hf，Nb、Ta，Mo、W，Tc、Re在原子半径上非常接近，造成分离极其困 难。 5．离子的颜色 (1) 电子构型全空，半满和全满，或接近全空，半满和全满的4f电子的离子是稳定的 或比较稳定，难以实现4f电子激发，故是无色的。 ∴La3+ (4f 0 )、Gd3+ (4f 7 )、Lu3+ (4f 14 )、Ce3+ (4f 1 )、Eu3+ (4f 6 )、Tb3+ (4f 8 )、Yb3+ (4f 13 )都是无色 (2) 具有4f x和4f 14 x的+3价离子显示的颜色相同或相近。
稀土元素介绍
稀土元素介绍 在周期系中，你知道什么是镧系元素？什么是稀土元素吗？它们的电子层结构 和性质有什么特点？它们在科学技术和生产中扮演了什么样的角色？ “镧系元素”在周期表中从原子序数为57号的镧到原子序数为71号的镥共15种元素，它们的化学性质十分相似，都位于周期表中第ⅢB 族，第6周期镧的同一格内，但它们不是同位素。同位素的原子序数是相同的，只是质量数不同。而这15种元素，不仅质量数不同，原子序数也不同。称这15种元素为镧系元素，用Ln 表示。它们组成了第一内过渡系元素。 “稀土元素”镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的、在镧系元素格子上方的钇和钪，共17种元素总称为稀土元素，用RE 表示。按照稀土元素的电子层结构及物理和化学性质，把钆以前的7个元素：La 、Ce 、Pr 、Nd 、Pm 、Sm 和Eu 称为轻稀土元素或铈组稀土元素；钆和钆以后的7个元素：Gd 、Tb 、Dy 、Ho 、Er 、Tm 、Yb 、Lu ，再加上Sc 和Y 共10个元素，称为重稀土元素或钇组稀土元素。 “稀土”的名称是18世纪遗留下来的。由于当时这类矿物相当稀少，提取它们又困难，它们的氧化物又和组成土壤的金属氧化物Al2O3很相似，因此取名“稀土”。实际上稀土元素既不“稀少”，也不像“土”。它们在地壳中的含量为0.01534，其中丰度最大的是铈，在地壳中的含量占0.0046，其次是钇、钕、镧等。铈在地壳中的含量比锡还高，钇比铅高，就是比较少见的铥，其总含量也比人们熟悉的银或汞多，所以稀土元素并不稀少。这些元素全部是金属，人们有时也叫它们稀土金属。 我国稀土矿藏遍及18个省（区），是世界上储量最多的国家。内蒙包头的白云鄂博矿是世界上最大的稀土矿。在我国，具有重要工业意义的稀土矿物有氟碳铈矿Ce(CO 3)F ，独居石矿RE(PO 4)，它们是轻稀土的主要来源。磷钇矿YPO 4和褐钇铌矿YNbO 4是重稀土的主要来源。 我们从以下几个方面来讨论镧系元素的通性： 1、价电子层结构 2、氧化态 3、原子半径和离子半径 4、离子的颜色 5、离子的磁性 6、标准电极 7、金属单质 电子层结构 这是目前根据原子光谱和电子束共振实验得到的镧系元素原子的电子层结构：
镧系元素资料
稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。具有未充满的4f壳层的稀土原子或离子，其光谱大约有30 000条可观察到的谱线，它们可以发射从紫外光、可见光到红外光区的各种波长的电磁辐射。稀土离子丰富的能级和4f电子的跃迁特性，使稀土成为巨大的发光宝库，从中可发掘出更多新型的发光材料。 稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质.稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的4f5d电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达20余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。 二氧化铈用于抛光精密玻璃制品，也可做玻璃去色剂和用于生产有色玻璃，硝酸铈用于制造白炽灯罩。 铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内度，从而节约空调用电。 铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。 硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。 铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。 5、制造高辉度碳弧灯，掺入特种金属里充当合金添加剂。氧化物用于光学器件和玻璃工业，铈盐用于摄影和纺织工业。铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等。铈的合金耐高热，可以用来制造喷气推进器零件。硝酸铈可用来制造煤气灯上用的白热纱罩。
镧系锕系元素-内容要点
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La 58铈Ce 59镨Pr 60钕Nb 61钷Pm 62钐Sm 63铕Eu 64钆Gd 65铽Tb 66镝Dy 67钬Ho 68铒Er 69铥Tm 70镱Yb 71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。
25 镧系锕系元素习题解答
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。 4. 为什么镧系元素形成的简单配位化合物多半是离子型的？试讨论镧系配位化合物的稳定性规律及其原因。 答：Ln3+离子比较大，而且又是惰性气体型结构的离子。因此，Ln3+离子与配位体之间的相互作用以静电作用为主，所形成的配位键主要是离子性的，所以镧系元素形成的简单配位化合物多半是离子型的。镧系配位化合物的稳定性较低，其配合物在数量上还是在种类上都大大不如d区过渡元素。原因有以下几点：①Ln3+离子的基态具有惰性气体原子的外层电子构型（5s25p6），内层4f轨道被有效地屏蔽起来，受外部原子影响很小。因此，4f轨道同配位体轨道之间的相互作用很弱，4f轨道难以参与成键，只有能量较高的外层轨道参与成键。此时配位场稳定化能很小，因此镧系配位化合物的稳定性较低。②Ln3+离子比较大，而且又是惰性气体型结构的离子。因此，Ln3+离子与配位体之间的相互作用以静电作用为主，所形成的配位键主要是离子性的，这也造成形成的配位键极其不稳定。③从金属离子的酸碱性来看，Ln3+属于“硬酸”，所以，在形成配位化合物时，Ln3+离子优先同“硬碱”氟、氧配位原子成键。在水溶液中，以氮、硫或卤素（F-除外）作为配位原子的配位化合物时不稳定的，因为这些原子竞争不过水分子，它们的配位化合物必须在非水介质中合成。这样只有配合能力很强的配体，特别是螯合剂才能与Ln3+形成稳定的配合物。
镧系元素
镧系元素的性质 及其 性质变化规律性 镧系元素在地壳中的丰度和奇偶变化 镧系元素的价电子层结构 原子半径和离子半径 Ln3＋离子的碱度 氧化态 镧系元素化合物的一些热力学性质 镧系元素的光学性质 镧系元素的磁学性质 镧系元素的放射性
1 镧系元素在地壳中的丰度和奇偶变化 是中子，在基态时总以自旋相反配对存在，由于原子序数为偶数的元素能满足这种自旋相反配对的要求，因而能量较低，所以就特别稳定，既然该核特别稳定，那么它在地壳中的丰度就大。 稳定的原子核，吸收热中子后仍然很稳定，反之，奇原子序数的核本身不稳定，吸收热中子后变得更不稳定，所以吸收热中子的数目有限。 原子序数是原子核内质子数的代表 ，偶原子序数的元素意味着核内质子数 为偶数。已经知道，核内无论是质子还 左图显示出镧系元素在地壳中的丰 度随原子序数的增加而出现奇偶变化的 规律：原子序数为偶数的元素，其丰度 总是比紧靠它的原子序数为奇数的大。 除丰度之外,镧系元素的热中子吸 收截面也呈现类似的奇偶变化规律性。 奇偶变化
下表列出镧系元素在 气态时和在固态时原子的电子层结构。2镧系元素的价电子层结构
镧系元素气态原子的 4f轨道的充填呈现两种构 型,即4f n－15d16s2和4f n6s2 ，这两种电子构型的相对 能量如图1所示: 其中La、Ce、Gd、Lu 的基态处于4f n－15d16s2时 能量较低，而其余元素皆 为4f n6s2。 La、Gd、Lu的构型可以用f0、f7、f14(全空、半满和全满)的洪特规则来解释，但Ce的结构尚不能得到满意的解释，有人认为是接近全空的缓故。
镧系元素的光学性质
镧系元素的光学性质 一、镧系离子的电子吸收光谱和离子的颜色 镧系离子的颜色来源于: ①荷移跃迁电荷从配体的分子轨道向金属离子空轨道跃迁。其光谱的谱带具有较大的强度和较短的波长，且受配体及金属离子的氧化还原性所影响。 ②f－d(u→g)跃迁光谱选律所允许的跃迁。因而谱线强度大,一般出现在紫外区，其中+2价离子也可能出现在可见区。 ③f－f(u→u)跃迁光谱选律所禁阻的跃迁。然而,由于中心离子与配体的电子振动偶合、晶格振动和旋－轨偶合使禁阻产生松动，从而使f－f跃迁得以实现。 可以发现:除La3＋和Lu3＋的4f亚层为全空或全满外，其余+3价离子的4f电子都可以在7条4f轨道之间任意配布，从而产生多种多样的电子能级，这种能级不但比主族元素多，而且也比d区过渡元素多，因此，+3价镧系元素离子可以吸收从紫外、可见到红外光区的各种波长的辐射。据报导，具有未充满f电子轨道的原子或离子的光谱约有3万条可以观察到的谱线。
先看为什么镧系离子的基态光谱项呈周期性变化？ 参看左表示出的Ln3＋离子的电子排布和基态光谱项。以4f7的Gd3＋为中心，两边具有fx和f14－x组态的离子的角动量量子数、自旋量子数相同，基态光谱项 对称分布。这是因为4f轨道上未成对电子数目在Gd3＋两边是等数目递减之故。
再看为什么镧系离子的具有fx与f14－x结构的离子颜色相同。 这是因为半满的4f7结构的Gd把镧系其余14个元素分成了具有fx与f14－x 结构的两个小周期。具有fx与f14－x结构的离子的未成对f电子数相同，电子跃迁需要的能量相近，故颜色相同。 所以，镧系元素的性质只要是和原子或离子的电子层结构密切相关的，则随着原子序数的增加，电子依次充填周期性地组成了相似的结构体系。因而其性质就都 应呈现周期性变化。
第14章镧系和锕系元素
第14章镧系和锕系元素 一、是非题 1 从元素钪开始,原子轨道上填3d电子,因此第一过渡系列元素原子序数的个位数等于3d上的电子数. 2 除ⅢB外,所有过渡元素在化合物中的氧化态都是可变的,这个结论也符合与ⅠB族元素. 3 ⅢB族是副族元素中最活泼的元素,它们的氧化物碱性最强, 接近于对应的碱土金属氧化物. 4 第一过渡系列的稳定氧化态变化,自左向右,先是逐渐升高,而后又有所下降, 这是由于d轨道半充满以后倾向于稳定而产生的现象. 5 元素的金属性愈强,则其相应氧化物水合物的碱性就愈强;元素的非金属性愈强,则其相应氧化物水合物的酸性就愈强. 6 低自旋型配合物的磁性一般来说比高自旋型配合物的磁性相当要弱一些. 二、选择题: 1 过渡元素原子的电子能级往往是(n-1)d > ns,但氧化后首先失去电子的是ns 轨道上的,这是因为: A、能量最低原理仅适合于单质原子的电子排布. B、次外层d上的电子是一个整体,不能部分丢失. C、只有最外层的电子或轨道才能成键. D、生成离子或化合物,各轨道的能级顺序可以变化. 2 下列哪一种元素的(Ⅴ)氧化态在通常条件下都不稳定 A、Cr(Ⅴ) B、Mn(Ⅴ) C、Fe(Ⅴ) D、都不稳定 3 Cr2O3，MnO2，Fe2O3在碱性条件下都可以氧化到(Ⅵ)的酸根, 完成各自的氧化过程所要求的氧化剂和碱性条件上 A、三者基本相同 B、对于铬要求最苛刻 C、对于锰要求最苛刻 D、对于铁要求最苛刻 4 下列哪一体系可以自发发生同化反应而产生中间氧化态离子? A、Cu(s) + Cu2+(aq) B、Fe(s) + Fe3+(aq) C、Mn2+(aq) + MnO42-(aq) D、Hg(l) + HgCl2(饱和) 5 下列哪一种关于FeCl3在酸性水溶液的说法是不妥的? A、浓度小时可以是水合离子的真溶液 B、可以形成以氯为桥基的多聚体 C、可以形成暗红色的胶体溶液 D、可以形成分子状态的分子溶液. 6. 关于过渡元素,下列说法中哪种是不正确的. A.所有过渡元素都有显著的金属性; B.大多数过渡元素仅有一种价态; C.水溶液中它们的简单离子大都有颜色; D.绝大多数过渡元素的d轨道未充满电子. 7 在酸性介质中,用Na2SO3还原KMnO4,如果KMnO4过量,则反应产物为: A.Mn2+ +SO42- B.Mn2++ SO2 C.MnO2+ SO42- D.MnO42- +SO42- 三、填空题: 1 写出下列物质的化学式和化学名称: 铬黄( ), 灰锰氧( ), 铬铁矿( ).