1f区镧系和锕系元素习题
稀土元素化学习题答案
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。
课件无机化学25 f区金属 镧系与锕系金属
71
镥
Lu
4f14
5d1
6s2
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
+III氧化值是所有Ln元素的特征氧化值。
+4
Hf4+ Pr La Tb
+3
Ce
Nd Pm
Gd
Dy Ho Er Tm
Lu
+2
Ba2+
Sm Eu Yb
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
2. 轻希土和重希土元素分别指哪些元素？ 稀土的英文是 Rare Earths，18 世纪得名， “稀”原指稀贵，“土” 是指其氧化物难溶 于水的 “土” 性. 其实稀土元素在地壳中的 含量并不稀少，性质也不象土，而是一组活泼 金属， “稀土” 之称只是一种历史的习惯 。 根据 IUPAC 推荐，把 57 至 71 的 15 个元 素称为镧系元素，用Ln 表示 ，它们再加上 39 号的 Y 称为稀土元素，用 RE 表示 。
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
210 205 200 195 190
La Yb
Ln原子半径
Eu
Ln
185
Ce Pr Nd
180 175 170 La Ce Pr Nd
Pm
Sm
Gd Tb Dy Ho Er Tm
Lu
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
115 Ln离子半径 110 105 100 95
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
磁光材料：指在紫外到红外波段，具有磁光 效应的光信息功能。如磁光光盘等。
第章f区金属镧系与锕系金属
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。
高中化学竞赛 无机化学第24章__镧系元素和锕系元素
28、50、82、126 个中子的核稳定。 这些奇异的数字被称为幻数。 铀以后的元素的质子幻数是 114、164，中子幻数是
184、196、228、272、318。
合成超重元素的困难在于合成方法和新核素的寿命。
2Ce + 3Cl2
Ce + O2
△
2CeCl3
CeO2 (IV)
Sc
Y
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er •••
活泼 稀土元素中，金属活性最强的是 La。
2
镧系化合物的颜色 f－f 跃迁引起。 f x 和 f 14-x 电子构型的离子具有相同或相近的颜色。
例如：Ce3+ 和 Yb3+ 无色； Pr3+ 和 Tm3+ 绿色。
溶剂是HNO3－HF 的混合酸。 800 K 下加热草酸钍，可得到能溶于酸质的 ThO2 。
Th4+ 易水解；易形成配位数高的配合物，有时配位
数可达12。
Th(NO3)4 重要的试剂
Th 受中子照射后转化成核裂变材料，所以钍可用于
原子能开发。
24 － 2 － 3
1
核裂变和核聚变
超铀元素与核化学
核裂变：重核受粒子轰击分裂为两个碎片（新核）的 核反应。 原子弹 用中子轰击铀核，使之分裂。同时，射出的中子导致 其它核的裂变，从而导致一系列的爆炸性的链式核裂变反 应，释放巨大的能量。
发。 UCl6：八面体结构；其它卤化物为聚合物，且具有高 配位数。
2
钍及其化合物 钍 银白色活泼金属。 Th + O2 Th + 4 HCl ThO2 ThCl4 + H2
在浓硝酸中钝化。 矿物 Th(OH)4
镧系和锕系——精选推荐
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。
镧系元素和锕系元素
经过高温灼烧的 Ln2O3 在强酸
中的溶解性较差，灼烧温度较低的溶
解性较好。 镧系的氧化物与酸反应形成镧系
的盐类 。
例如
La2O3 + 6 HNO3 —— 2 La （NO3） 3 + 3 H2O Dy2O3 + 6 HCl —— 2 DyCl3 + 3 H2O 将溶液浓缩后，均可得到结晶水合物
具有 f3，f4，f5 和 f10，f11 结构的
+3 价离子呈现浅红色和黄色； 具有 f6，f7，f8 结构的 +3 价离子， 吸收峰全部或大部分在紫外区，所以 无色或略带粉红色。
镧系元素的一些简单化合物，如
Ln2O3 和 Ln （OH） 3 等的颜色基本与对
应的 Ln3+ 相同，这是因为它们的显色
HCl —— △
LnCl3 + 6 H2O
采用氧化物氯化的方法制备纯无 水盐，需要在反应体系中加入碳粉， 通过热力学耦合，使反应进行完全。
HCl Ln2O3 + 3 C + 3 Cl2 —— △
2 LnCl3 + 3 CO
制备无水氯化物的最佳方法 应是金属的直接氯化 。
（2） 含氧酸盐
硫酸与镧系金属，镧系氧化物、 氢氧化物反应，均可得到镧系的硫 酸盐。硫酸与镧系碳酸盐等弱酸盐 反应，亦可得镧系的硫酸盐。
化学反应的实质总是与酸或碱有关 。
氢氧化钠分解法和硫酸分解法
的反应实质分别为
△
LnPO4 + 3 NaOH ——
Ln （OH） 3↓ + Na3PO4
△ 2 LnPO4 + 3 H2SO4 ——
（ ）3 + 2 H3PO4 Ln 2 SO4
镧系和锕系
2）周期元素数目=相应能级组中原子轨道所 能容纳的电子总数
周期 能级组 能级组内原子轨道 元素数目 电子最大容量
1
Ⅰ
1s
2
2
2
Ⅱ
2s 2p
8
8
3
Ⅲ
3s 3p
8
8
4
Ⅳ
4s 3d 4p
18
18
5
Ⅴ
5s 4d 5p
18
18
6
Ⅵ
6s 4f 5d 6p
32
32
7
Ⅶ 7s 5f 6d (未完) 23 (未完)
8
4 18
4s1 4s24p6
8
5 18 5s1 5s25p6
8
6 32
6s1 6s26p6
8
【小结】
随着原子序数的增加,元素原子的外 围电子排布呈现周期性的变化:
每隔一定数目的元素，元 素原子的外围电子排布重复出 现从ns1到ns2np6的周期性变 化
科学探究 根据核外电子排布规律，分析
1、每周期的元素种类有多少与什么有关？
侧，包括ⅢA～ⅦA族元素。大部分为 非金属。0族稀有气体也属于p区。
s区和p区的共同特点是：最后1个 电子都排布在最外层，最外层电子的 总数等于该元素的族序数。s区和p区 就是按族划分的周期表中的主族和稀 有气体。
d区元 素
它们的价层电子构型是(n－1)d1～9ns1～2，
最后1个电子基本都是填充在倒数第二层
2、已知某元素在周期表中位于第五周期、ⅥA 族位置上。试写出该元素基态原子的价电子 排布式、电子排布式并分析该元素在哪区？
由于是ⅥA族， 4d必是全充满 的，所以价电子排布为5s25p4， 电子排布式 [Kr]4d105s25p4
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。
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镧系和锕系元素习题（f区）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，CeO2能将Mn2+氧化成MnO4-。
（）
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（）。
下列叙述中正确的是（）。
(A)所有镧系元素+3氧化态的氧化物(Ln2O3)都是难溶的；
(B)Ln2O3在空气中不吸收CO2；
(C)Ce(OH)3在空气中能稳定存在；
(D)Ln(OH)3的标准溶度积常数比碱土金属氢氧化物的标准溶度积常数大。
下列叙述中正确的是（）。
(A)镧系金属都具有顺磁性；
(B)镧系金属都是银白色的；
(C)镧系金属的密度随原子序数增大而增大，没有例外；
(D)镧是镧系元素中最不活泼的金属。
下列叙述中正确的是（）。
(A)镧系金属质硬；
(B)镧系金属的活泼性由La Lu是递减的；
(C)镧系金属没有延展性；
(D)铕、镱的密度大于相邻金属的密度。
下列物质中难溶于水的是（）。
(A)LnCl3；(B)LnF3；(C)Ln(NO3)3；(D)LnBr3。
已知E(Eu3+/Eu2+)=-0.35V，E(Sm3+/Sm2+)=-1.55V，E(Yb3+/Yb2+)=-1.15V。
在Sm3+、Eu3+、Yb3+、Eu2+混合溶液中，用金属锌作还原剂，能被还原的离子是（）。
(A)Sm3+；(B)Eu3+；(C)Yb3+；(D)Eu2+。
下列离子在溶液中的颜色是由于f-f跃迁产生的是（）。
(A)Pr3+；(B)La3+；(C)Ce3+；(D)Cu2+。
下列离子在溶液中的颜色是由于f-f跃迁产生的是（）。
(A)Lu3+；(B)Nd3+；(C)Gd3+；(D)MnO4-。
下列叙述中错误的是（）。
(A)稀土元素可用在钢铁冶炼中；
(B)稀土元素可用作催化剂；
(C)稀土元素不可以用作引火合金；
(D)稀土元素可以用作玻璃的澄清剂。
下列叙述中错误的是（）。
(A)稀土元素可用来制作荧光粉；(B)稀土元素不可用作肥料；
(C)稀土元素可用作永磁材料；(D)稀土元素可用作玻璃的着色剂。
下列方法中不适合于稀土元素分离的是（）。
(A)溶剂萃取法；(B)离子交换法；(C)混合稀土金属氯化；(D)分级沉淀。
下列元素中不是人造元素的是（）。
(A)Am；(B)No；(C)Ac；(D)Cm。
下列元素不为锕系元素的是（）。
(A)Tb；(B)Pu；(C)Cf；(D)Fm。
下列元素属于Ac系元素的是（）。
(A)Gd；(B)Fm；(C)Dy；(D)Yb。
下列元素不属于Ac系元素的是（）。
(A)Th；(B)Pu；(C)U；(D)Nd。
下列元素不是放射性元素的是（）。
三填空题返回目录
RE表示元素，Ln表示元素，La为的元素符号，An表示元素。
镧系元素的原子序数是从至，锕系元素的原子序数是从
至。
写出下列各化学式的名称:
ThO2__________，UF6__________，Eu2O3__________，Nd(OH)3__________。
由于镧系收缩的影响，使第ⅢB族中Y的原子半径与元素Nd、Sm的原子半径，钇的化学性质与镧系元素，并且在矿物中钇与元素共生。
通常把钇也称为元素。
La的气态原子的价层电子排布为__________，Gd的价层电子排布为__________。
大多数镧系金属从气态变为固态时，有1个电子跃迁到轨道，因而使参与形
成金属键的电子数，若电子的激发能低于成键能，从而使体系能量。
63号元素Eu的气态原子和固态原子的电子排布皆为，4f轨道处于状态，其原子半径比62号元素的，比64号元素的。
镧系收缩指的是镧系元素的半径和
半径随原子序数的，从总体看具有逐渐的趋势。
镧系元素固态原子的有效核电荷数变化的总趋势是随原子序数增加而，其Ln3+的有效核电荷数随原子序数的增加而，后者变化，故镧系收缩中离子半径的收缩比原子半径的收缩更。
镧系元素相邻两原子间半径平均缩小的数值比同周期过渡元素两原子半径平均缩小的数值，又比同周期主族元素两原子间半径平均缩小的数值。
镧系元素随着原子序数的增加，其原子半径和离子半径变化的总趋势是逐渐
，但由于电子的屏蔽作用，使这种变化程度变得，这就是所谓的
现象。
当Eu和Yb成为Eu3+和Yb3+时，第三电离能较，这是因为电离的第三个电子是分别处于。
同理，Eu和Yb的原子化能较，原子半径较。
在镧系收缩中，Eu和Yb的原子半径于相邻元素的原子半径，而出现峰值，这与它们f 电子的构型分别为有关。
镧系金属无论在酸性介质还是碱性介质中都是较的还原剂，其还原能力随着原子序数的增加，从总的趋势来看是逐渐的。
在Ce(NO3)4溶液中加入NaOH溶液，可生成__________色的__________沉淀。
Ce4+水解。
Ce(OH)4可与HCl(aq)反应生成、和。
钪、钇、镧的氢氧化物M(OH)3碱性强弱的顺序为Sc(OH)3Y(OH)3
La(OH)3。
独居石中主要含有和等稀土元素。
________________________________________________的元素称为超铀元素，它们在自然界中________________________________________________。
锕系元素所呈现的多种氧化态随原子序数的递增而逐渐，+3氧化态则随原子序数的递增逐渐趋于。
锕系元素随原子序数的递增，新增的电子填入原子轨道中，有效核电荷数缓慢。
四完成反应方程式返回目录
二氧化铈与浓盐酸反应。
在氯化铕(Ⅲ)溶液中加入锌粉(离子反应方程式)。
Ce(OH)3放置在潮湿空气中。
五计算返回目录
已知E(Eu3+/Eu2+)=-0.35V，E(Zn2+/Zn)=-0.76V。
将锌粉加到1.0L0.10mol·L-1的Eu3+溶液中，当反应达到平衡时，溶液中Eu3+、Eu2+和Zn2+浓度各为多少？。